论文部分内容阅读
自适应光学是目前解决大气湍流干扰、恢复地基望远镜光学衍射极限分辨率成像的不可或缺的技术。但是系统中的核心——变形镜波前校正器受限于机械制作工艺其驱动单元数很难超过200,一旦超过则成本非线性剧增,使2米以上大口径望远镜在可见光波段的波前自适应校正成像成为很棘手的问题。近年出现的电子学元件液晶波前校正器以高密度像素为驱动单元,很容易就能达到千单元变形镜的波前校正密度,且成本比200单元变形镜的成本还低,成为自适应光学领域极有希望的校正器新星。但由于液晶波前校正器在红外长波波段响应速度慢、可见光短波段色散又很严重,导致其工作波段较窄,一般在700nm-950nm波段,难于满足多波段自适应校正成像的需求。本研究依据大气湍流在短波段剧烈而在长波段大幅减轻的规律,结合变形镜和液晶校正器的优势组成双校正器级联自适应系统,前者校正长波段中的低阶波前畸变、后者校正短波段中的高阶波前畸变,可以解决2米以上大口径望远镜的700nm以后波长的宽波段自适应校正成像问题,且成本低廉。更重要的是级联系统可将变形镜的工作短波限推移250nm,而这一段太阳光谱的能量要比其红外谱段的能量强得多,是极其重要的成像探测波段。目前系统中还存在两个主要问题:1、受限于变形镜自身的结构参数,其无法对Zernike模式进行精确拟合,影响低阶像差校正精度;2、级联系统在动态湍流中的工作效果没有报道。针对以上问题,本研究对级联系统的工作模式以及在动态湍流中的工作性能进行了深入研究。首先设计搭建了针对2m口径望远镜的变形镜-液晶校正器级联自适应光学实验系统:经湍流模拟器干扰的入射光为400-1700nm波段的宽光谱光束,采用145单元连续面型变形镜和256x256像素的液晶校正器串联工作,哈特曼波前探测器的工作波段为400-700nm,三台相机可在700-1700nm波段形成三通道光谱成像;变形镜位于光路前端,与哈特曼波前探测器串联形成闭环控制系统;液晶校正器位于后光路、与哈特曼波前探测器光路并行形成开环控制系统;入射的全波段光束先经过变形镜校正低阶像差,使950-1700nm红外波段的波前像差基本消除,然后令光束经由700nm高通分色片分束,其中像差信息最全面的400-700nm波段光束进入哈特曼波前探测器,以探测变形镜校正后波前中残留的低阶畸变残差和高阶畸变像差,并将这两个信号分别反馈给前光路的变形镜、前馈给后光路中的液晶校正器;另外与哈特曼波前探测器光路分开的700-1700nm波段的光束又经由950nm高通分色片分为700-950nm和950-1700nm两个波段的光束,其中已经基本无像差的950-1700nm长波波段直接进入两台红外相机分别成像,而700-950nm短波波段则进入液晶校正器,依据哈特曼波前探测器的前馈信号对剩余的高阶像差进行二级校正,这一波段恰为液晶校正器的无色散波段,鉴于液晶校正器的高精度校正优势,即使与哈特曼波前探测器形成开环控制系统,其二级校正后的700-950nm短波段光束仍可在相机中呈现衍射极限的高分辨率成像。上述光路涉及到变形镜和液晶校正器间高低阶像差的合理分配问题,采用Zernike模式进行高低阶像差的分割是最简单易行的方法,然而本研究的模拟分析表明,变形镜对Zernike模式存在拟合误差,且阶次越高拟合误差越大,这会影响红外波段的成像质量,同时也会使液晶校正器二级校正后的图像变差。针对这一问题,根据变形镜响应矩阵构造了其本征模式,利用本征模式对畸变波前进行模式分解和高低阶像差的排序,其中低阶像差由变形镜采用本征模式法进行校正,剩余的高阶像差再用Zernike模式重构后交由液晶校正器进行校正,因为液晶校正器的响应矩阵很难采用变形镜的本征模式去构建,所以本系统中液晶校正器仍然采用Zernike模式法工作。按上述方法进行高低阶像差分配不需要进行解耦操作,这在很大程度上简化了级联系统中的双校正器控制问题。利用变形镜本征模式对畸变波前进行高低阶像差排序后,分配给变形镜的本征模式数目需要严格论证。本研究通过模拟仿真变形镜在不同条件下的校正过程,获得了变形镜校正残差RMS与本征模式校正项数N、湍流强度D/r0的变化关系:残差RMS与N、D/r0分别成-7/9（N>10时）和5/6次方的指数关系,并通过实验验证了此关系的正确性。根据波前残差与成像分辨率的关系,最后得出:D为2米口径、大气相干长度r0=10cm@λ=550nm时变形镜至少需校正55项本征模式才能获得950-1700nm波段的衍射极限分辨率成像。为了验证变形镜-液晶校正器级联自适应系统对动态湍流的校正成像性能,搭建了级联自适应系统,以USAF-1951标准分辨率板作为成像对象;测量了系统中变形镜和液晶校正器的误差抑制-3d B带宽分别为89Hz和77Hz;令入射光束通过型号为Near-Index-Match TMphase plate的湍流模拟器,模拟望远镜口径D为2米、湍流强度即大气相干长度r0为10cm@λ=550nm的大气湍流。自适应光学成像的实验结果显示:静态湍流下,经过变形镜对55项本征模式的校正后,红外950-1500nm和1500-1700nm波段分别获得1.1倍和1倍衍射极限分辨率的成像,700-950nm的短波波段在变形镜和液晶校正器的协同校正下也获得1倍衍射极限分辨率的成像,说明基本设计与高低阶模式像差的分配都是合理的;在动态湍流下,此级联系统在950-1500nm和1500-1700nm波段可以应对fG=45Hz的湍流变化速度,在700-950nm波段可以应对格林伍德频率fG=37Hz的湍流变化速度。这是国际上还未见报道的结果。通过以上研究,发挥出了两校正器的协同波前校正能力,为变形镜和液晶校正器级联自适应系统的工程化应用奠定了基础。本研究方向是所在研究室的开创性工作,至今还未见国际上有其他研究团队报道类似的工作,期望本研究成果能有力推动低成本自适应光学系统的发展。