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   自适应光学系统运用引见

自适应光学系统运用引见



自适应光学系统简介

   自适应光学系统重要包含三个根基组成部分:波前传感器、波前校订器和波前控制器。自适应光学系统中的能动器件就是波前校订器,它经由过程改动光束横截面上各点的光程长度,到达校订波前畸变的目标。一样平常能够经由过程反射镜里的位置挪动或传输介质折射率的转变去实现光程长度的改动。个中在自适应光学系统中运用最为普遍的是基于反射镜里位置挪动的波前校订器(一般称为变形镜),其具有相应速度快、变形位移量大、事情谱带宽、光学利用率下、实现要领多的优秀特性。

自适应光学系统可以或许及时丈量并赔偿种种滋扰引发的光学系统的波前畸变,使光学系统具有主动顺应外界前提转变从而连结最好事情状况的才能。基于如许的长处,自适应光学一直以来被普遍应用于天文观察和激光传输等范畴,得到了极大的认同。而本世纪初跟着别的范畴对自适应光学的逐步增进的乐趣,其运用局限最先扩大,包孕人眼视网膜成像体系、激光通讯体系等。

 
自适应光学系统的运用

大多数现实运用的自适应体系皆用在天文成像范畴,然则跟着自适应光学手艺的前进,重要是器件实现体式格局的多样性,自适应光学的应用领域也得到了较大的拓展。

 
1.成像观察用自适应光学系统

所有的大口径的千里镜现在皆在运用自适应光学系统去改进体系的成像质量。这些体系有多种差别的运用目的,也是用了林林总总的变形镜、波前传感器等手艺。2003年设备Gemini North 的ALTAIR 自适应光学系统运用177 单位的变形镜(DM)和零丁的倾斜镜(TTM),运用哈特曼-夏克波前传感器在可见光波段进行波前偏差的探测,体系事情频次为1kHz,在K波段得到了0.1角秒的分辨率。而在10米口径的KECK II 千里镜上设备的的自适应体系运用349单位变形镜合营哈特曼-夏克波前传感器,使得该千里镜在0.85um 和1.65um 波段离别得到了0.022角秒和0.04 角秒的分辨率。在MaunaKea 山顶,Canada-France-Hawaii 3.6 米千里镜装配了叫做“Hokupa'a”自适应体系。这个体系的稀奇之处在于它是用了一个36单位的单压电片变形镜和36单位的曲率传感器,大大低落了自适应光学系统的本钱。在晚期的现实观察中发明自适应体系的运用使成像的峰值强度进步了30倍。这个数据是在0.936um的观察波段,校订后的斯特列尔比到达0.3。而在美国毛伊岛空军基地的3.67米的先辈光电千里镜体系(Advanced ElectroOptical System Telescope,AEOS)则是运用941单位的变形镜,重要用于空间目的辨认,其体系范围是极为重大的。

 
2. 用于激光装配的自适应光学系统

接纳自适应光学手艺对激光光束停止光束净化,是进步激光器输出光束质量的主要手腕,一样平常可分为腔内自适应光学手艺和腔中自适应光学手艺。腔内自适应光学手艺是将波前校订器置于激光谐振腔内,用来校订谐振腔的静态和静态像差,使激光谐振腔连结准确的谐振前提,改进激光的光强和相位散布,进步输出功率;腔中自适应光学手艺是将波前校订器置于激光谐振腔中,应用波前赔偿的道理改进激光器输出光束的相位散布,以到达进步近场能量集中度的目标。腔内自适应光学校订相对来讲手艺更加庞大,由于激光腔内形式的发生历程自己便很庞大,需求停止数值仿真来迭代剖析。早在1980年月,便有一系列的针对非稳腔CO2 激光器停止校订的实际剖析和实行效果,但实行效果注解,很易获得优越的校订结果而每每只能校订少许的野生引入的偏差。90 年月今后,俄罗斯科研人员针对Nd:YAG 激光在展开校订事情,Cherezova 等的论文总结了他们的研讨效果。他们胜利天将多模光束的发散角紧缩了两倍。他们借发明某些变形镜的形式可以或许发生方形或三角形的形式构造。Kudryashov 和Samarkin 接纳水冷的单压电片变形反射镜去对高能的CO2 激光器停止腔内校订,研讨注解经由过程改动变形镜的焦距可以或许调解谐振腔参数从而对输出强度散布停止调制。相比之下,腔中自适应光学系统要更广为人知,典范的代表是惯性束缚核聚变(ICF)和激光武器系统。现有世界上重要的惯性束缚核聚变体系,如美国的国度点火装置(NIF),法国的兆焦耳激光装配(LMJ),日本的GEKKO 装配,和我国的神光装配等皆接纳了自适应光学手艺去改进和掌握激光光束质量。另外美国军方将之前的研究成果进一步应用到计谋和战术激光兵器范畴,2001年在黑沙靶场停止的车载固体战术激光武器系统阻拦弹道导弹的实验胜利,而更加野心勃勃的机载激光兵器(Air-Born Laser,ABL)企图更是把自适应光学手艺作为核心技术之一,固然终究该体系未能实现预期战略目标在2011年被宣布停止,但其中期机能演示曾经成为自适应光学手艺的绝佳告白。

 
3. 光通信自适应光学系统

大气光通信是指以激光作为信息载体、大气作为传输通道停止信息传输的通讯体系,包孕卫星取地面站之间和地面站取地面站之间停止的通讯。大气光通信联合了光通信取无线通信的长处,应用该手艺能够停止大容量、高速的数据、语音、图象等信息通报而且无需任何有线通道。以是在卫星通信、当地宽带接入和军事通讯范畴皆具有极大的运用和发展潜力。伟大的运用需求间接增进了大气光通信手艺的生长,但个中大气湍流对通讯质量的影响一样给研究人员带来困扰。20 世纪90 年月以来很多研究人员实验运用自适应光学手艺去低落大气湍流对通讯质量的影响,也与得了一些主要的研究成果,在星天链路方面应用相位赔偿道理停止传输校订的结果较好,但程度链路的传输因为大气的强闪灼等缘由还没有得到非常幻想的效果,有待进一步的研讨。

在光通信方面,光纤手艺的伟大生长使光开关替代电子开关成为必需,自适应光学技

术能够进步光纤耦合效力,接纳变形镜手艺停止单模光纤开关的实验运用,能够消弭像差,进步耦合效力,开关最大频次可达1KHZ,耦合效力由9%升至46%。变形镜的相位调制手艺借能够用于光信息编码、全息纪录体系和激光自由空间通信手艺的实验。自适应光学手艺将成为光通信的支持手艺之一。

自适应手艺在光网络运用也愈来愈成熟。自适应比主动交流更进一步, 是下一代光网络的发展方向。较之ASON, 自适应光网络具有更好的自适应和自构造才能, 它可以或许对种种业务实现自适应天接入。凭据业务要求和现实网络状态, 自适应天调解节点传输参数, 优化网络机能。可以说, 自适应光网络在ASON 主动衔接管理的基础上, 可以或许实现光传送层的主动管理和优化。自适应光网络技术对将来光通信范畴的生长具有重要意义。


4. 视网膜自适应光学成像体系

眼睛是人类感知天下的“信息之窗”,约80%~90%的内部信息经过视觉通道进入人类的认识天下。因而,对人眼的视觉剖析特别是视网膜地区的高分辨率成像研讨一向都是外洋生物医学方面的研讨重点。实行注解若是可以或许在7mm 瞳孔直径的状况下也能以衍射极限成像的话,便能用仪器顺遂看到视网膜上的感光细胞。但人眼因为角膜及晶状体构造的不完善使经由的光芒发生波前偏差,并且其巨细和情势果人果时而变,不可能接纳施加流动校订的要领处理。那使得一样平常的眼科成像体系没法到达衍射极限,也便没法实现高分辨率的眼科成像,自适应光学恰好能够处理如许的题目。经由过程眼底视网膜图象,能够发明多种人体疾病病变信息,如心脑血管及内分泌平衡,一般人和老年性黄斑,中心性浆液性头绪视网膜病变等;但人眼象差除离焦、像散外,借包含高阶像差,低落了成像分辨力,传统的眼科丈量手艺没法战胜这些高阶像差,而自适应光学手艺用于人眼视网膜成像体系,则可以获得越发清楚的眼底视网膜图象。美国Rochester大学视觉科学中央的Junzhong Liang 等人运用217子孔径的哈特曼-夏克波前传感器合营37单位的变形反射镜在国际上起首实现了自适应光学的视网膜成像横向空间分辨率抵达2um,曾经可以或许区分视细胞。今后科学家又将光学相关层析手艺(optical coherence tomography,OCT)和激光共焦扫描检眼镜(confocal scanning laser ophthalmoscopy,CSLO)离别取自适应光学联合,使得纵向和横向分辨率皆到了细胞程度,三维细胞区分的视网膜成像成为能够。这些手艺皆成为人眼视科学研究的新式利器。近年来体系向着高分辨率、小型化、便宜、平安稳固的偏向生长,泛起了大量研究成果的报导。

在一些公用的光学仪器上,如丈量宇宙重力波的少光程激光过问测量仪LIGO、多光子共焦扫描显微镜,运用自适应光学手艺能够校订仪器的静态或激光泵浦放大引入的静态像差,从而进步稳定性、确保探测灵敏度。

总之,因为光学仪器在军事、产业、医疗、通信、测试等范畴的普遍运用,而自适应光学手艺在进步仪器的机能、抗干扰、稳定性等方面具有奇特的感化,随同系统集成和单位手艺的不断发展革新和成熟,本钱的络续下落,那门科学技术势必会在军用、民用各个行业有更辽阔的生长空间,并发明出社会和经济效益。