Адаптивная компенсация тепловых и турбулентных искажений оптического излучения, распространяющегося в атмосфере

• Автор: Канев, Федор Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 287 с. : ил.

Современная адаптивная оптика. Обзор литературных источников
1. Задачи адаптивной оптики
2. Области применения методов адаптивной оптики
3. Регистрация фазы излучения с использованием датчика Гартмана и альтернативные методы регистрации
4. Приборы, предназначенные для управления фазой излучения
Актуальность диссертации
Цели и задачи диссертационной работы
Достоверность результатов
Научная новизна
Практическая значимость результатов
Апробация результатов и основные публикации
Положения, выносимые на защиту
Глава 1. Численная модель адаптивной оптической системы и программная реализация модели
1.1. Основные элементы адаптивной системы
1.2. Модель распространения излучения в искажающей среде
1.3. Модель адаптивного зеркала с непрерывной отражающей поверхностью
1.4. Две модели датчика Гартмана
1.5. Алгоритмы регистрации особых точек в волновом фронте излучения
1.6. Программная реализация модели адаптивной системы
Основные результаты Главы 1. Выводы
Глава 2. Предельные характеристики адаптивных систем,
предназначенных для компенсации атмосферной турбулентности
2.1. Турбулентные искажения лазерных пучков
2.2. Принцип оптической обратимости, фазовое сопряжение и обращение волнового фронта
2.3. Использование апертурного зондирования для компенсации турбулентных искажений
2.4. Реализация амплитудно-фазового управления в двухзеркальиой адаптивной системе
Основные результаты Главы 2. Выводы
Глава 3. Особенности компенсации теплового самовоздействия
3.1. Тепловые искажения пучков, использование для компенсации алгоритмов фазового сопряжения и обращения волнового фронта
3.2. Модификация фазового сопряжения с целыо повышения устойчивости управления
3.3. Градиентные алгоритмы и симплекс-метод, оптимизация числа вызовов целевой функции управления
3.4. Управление пучком по неустановившимся параметрам на основе градиентных методов

3.5. Проблема локальных экстремумов в градиентных алгоритмах
3.6. Коррекция самовоздействия с использованием двухзеркальной адаптивной системы
Основные результаты Главы 3. Выводы
Глава 4. Особые точки волнового фронта. Методы генерации и регистрации, зарождение в регулярных и случайно-неоднородных средах, статистика
4.1. Генерация оптических вихрей
4.2. Регистрация дислокаций с использованием датчика Гартмана
4.3. Дислокации в регулярных средах. Зарождение особых точек при модуляции
фазы
4.4. Дислокации в условиях турбулентных искажений. Статистика для
гауссовского пучка
Основные результаты Главы 4. Выводы
Глава 5. Влияние упругого зеркала на эффективность и устойчивость адаптивного управления лазерным пучком
5.1. Зеркало - исполнительный элемент в системе компенсации теплового самовоздействия
5.2. Коррекция турбулентных искажений с учетом ограничений, вносимых упругим зеркалом
5.3. Адаптивное управление пучком с учетом колебаний отражающей поверхности зеркала
Основные результаты Главы 5. Выводы
Глава 6. Включение в модель датчика Гартмана. Полная адаптивная
система
6.1. Восстановление с использованием датчика заданной фазовой поверхности и эффективность работы прибора в системе фазового сопряжения
6.2. Влияние дислокаций на точность восстановление фазы датчиком Гартмана
6.3. Принципиальная возможность регистрации фазовой поверхности, имеющей разрывы
6.4. Анализ алгоритмов восстановления сингулярной фазовой поверхности
6.5. Полная модель системы. Эффективность адаптивного управления пучком.... 236 Основные результаты Главы 6. Выводы
Глава 7. Искажения в оптическом тракте наземного телескопа.
Фазирование первичного зеркала
7.1. Численная модель наземного адаптивного телескопа
7.2. Искажения в оптическом тракте телескопа
7.3. Фазирование составного зеркала. 2-тг проблема
7.4. Расширение динамического диапазона алгоритма
7.5. Первые эксперименты по фазированию составного зеркала
Основные результаты Главы 7. Выводы
Список литературных источников

В настоящей диссертационной работе представлены результаты исследований по отдельным темам адаптивной оптики, полученные автором за последние двадцать лет. Приблизительно этот же период охватывает входящий в диссертацию обзор публикаций. Подобная структура позволяет сформировать представление об основных тенденциях и уровне развития адаптивной оптики в конце XX, начале XXI веков, оценить достижения различных групп, работающих в данной области, и сопоставить данные, полученные непосредственно автором с результатами, опубликованными в литературных источниках.
Диссертация состоит из восьми разделов. Первый раздел - это обзор литературных источников, в котором описываются области применения методов адаптивной оптики и приводятся компоненты типовой адаптивной системы. Основное внимание здесь уделяется приборам, предназначенным для регистрации волнового фронта и формирования фазового профиля излучения.
В частности приводится оптическая схема датчика Гартмана и Шэка-Гартмана, пирамидального датчика, предложенного Роберто Рагаззони, датчика кривизны а так же рассматриваются интерференционные методы регистрации фазы. Здесь же отмечается проблема регистрации фазы при наличии особых точек в волновом фронте излучения.
Последний параграф посвящен адаптивным зеркалам и другим приборам, предназначенным для управления лазерным пучком.
На основе материала, входящего в обзор и характеризующего современный уровень развития адаптивной оптики, в его заключительной части формулируются основные задачи диссертации и отмечается их актуальность, приводятся положения, выносимые на защиту, подчеркивается практическая значимость работы и кратко описывается апробация результатов.
Так как значительный объем материала представляемого в диссертации получен на основе методов вычислительного эксперимента, в первой главе рассматриваются используемые при расчетах численные модели. Представлены модели
> гауссовского пучка, распространяющегося в условиях теплового самовоздействия и в турбулентной атмосфере;
> плоской волны;

Сходящиеся лучи, увеличение интенсивности
Рис. 34. Изменение интенсивности в процессе распространения в зависимости от кривизны волнового фронта.
В данном методе измерение интенсивности в двух ПЛОСКОСТЯХ (2, 12) и определение производных по г от интенсивности позволяют восстановить фазу в плоскости находящейся на одинаковом расстоянии между 2 и 22. Датчик, основанный на решении уравнении переноса энергии, был использован для регистрации фазы в условиях, когда проявляются нули интенсивности и дислокации [137]. Авторами работы экспериментально подтверждена возможность работы прибора в этих условиях. По их мнению, результаты измерений являются более точными, по сравнению с методом Гартмана.
Использование интерферометра для измерения фазы в адаптивной системе и реализация коррекции искажений рассматривалась в работе коллектива ученых из Дании (теоретические исследования) [139]. Экспериментальные исследования системы, включающей интерферометр, выполнены группой Новозеландских ученых. Ими показано, что подобная система может не включать этап компьютерной обработки изображения [140].
Еще один метод регистрации фазы - это так называемая муаровая интерферометрия [141]. В оптической схеме излучение проходит через две дифракционные решетки, причем вторая повернута на некоторый угол 0 относительно первой (рис. 35). Периоды обеих решеток равны с1. В отсутствии искажений (при плоском волновом фронте) период дифракционной картины О после второй решетки определяется как

При отличии волнового фронта от плоскости полосы сдвигаются на величину