1 国科大杭州高等研究院, 中国科学院大学, 杭州
2 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海
高功率、窄线宽 589 nm激光可激发海拔约 90 km处厚度约 10 km的钠层原子并产生后向散射荧光。基于 589 nm激光的钠导引星是地基光学望远镜自适应光学系统的理想信标光。介绍了激光与钠原子相互作用的谱线跃迁以及钠导星亮度增强技术, 论述了钠导星技术的重要应用以及 589 nm激光光源的分类和发展。
钠导星激光器 自适应光学 非线性光学 sodium guide laser adaptive optical system nonlinear optics
1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
在单位圆的同心孔径圆域内，某些特定Zernike模式具有相关关系，其中具有较强负相关关系的模式组合在一定系数条件下叠加后，一定的同心孔径内的像差会相互抵消，波面变得更加平坦，这称为模式间的共轭性。文中设置了一组畸变波前，用自适应光学系统进行校正得到残差，然后用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解，通过分析首次发现在均方误差值较大的残差波前中，低阶、高阶两部分像差间存在着明显的负相关关系，两部分像差的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化，并且在一定的系数组合方式下，这两部分像差呈现出共轭性。基于以上研究结果，提出一种控制方法，该方法通过优化变形镜控制电压来调整镜面面型，使得残差中的低阶、高阶两部分像差系数实现最佳匹配，从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值 (RMS)，最终实现该孔径范围内系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真，结果表明：该方法相比于传统闭环共轭式校正方法，在面对复杂像差时能够得到质量更好的光学成像，有效扩展传统自适应光学系统的适用范围。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。
共轭组合模型 自适应光学系统 控制方法 conjugate combination model adaptive optical system control method 红外与激光工程
2020, 49(9): 20190534
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度, 研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性, 利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构; 采用子空间辨识方法确定了模型参数, 同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5 dB, 相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题; 利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证, 得到的结果与仿真计算相吻合, 即在相同稳定裕度的情况下, 采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后, 用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示: 采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%, 证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度, 保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。
液晶自适应光学系统 波前探测 倾斜镜控制 湍流倾斜校正 子空间辨识 liquid crystal adaptive optical system wavefront detection control of tip/tilt mirror turbulence tilt correction subspace identification
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
为了克服自适应光学系统中倾斜镜的迟滞响应, 提高响应的线性度, 改善倾斜镜的控制精度, 研究了倾斜镜的迟滞非线性效应。提出了一个基于频率相关的Mutified-Prandtl-Ishlinskii (MPI) 模型的补偿方法来在线自适应逆补偿倾斜镜的迟滞非线性。结合反馈PID控制构成了自适应逆前馈复合控制方案, 其中自适应逆前馈克服了由于频率等因素引起的迟滞曲线变化, 反馈PID则改善了整体的控制性能。建立了倾斜镜二阶系统模型来估计倾斜镜系统的输出, 解决了MPI模型参考信号的问题, 避免了增加额外前馈传感器, 保证了光能量的利用率。实验结果表明, 倾斜镜系统15 Hz非线性迟滞率由原来的24.28%降为1.17%, 线性度提高了约95%, 控制精度较传统PID方法提高了约60%。该方法能够有效补偿倾斜镜的迟滞非线性, 提高了自适应光学系统中倾斜镜的校正精度。
自适应光学系统 倾斜镜 自适应逆控制 迟滞非线性 控制精度 adaptive optical system tip/tilt mirror adaptive inverse control hysteresis nonlinearity control accuracy
1 电子科技大学 航空航天学院，四川 成都 610504
2 中国空间技术研究院 西安分院，陕西 西安 710000
分析了星地相干激光二进制相移键控(BPSK)通信系统中自适应校正波前残差与相干效率的关系；讨论了自适应校正下相干效率和误码概率的动态特征；然后，研究了大气闪烁对相干效率和通信误码率的影响。在假设接收强度均匀分布的前提下建立了波前残差均方根值与相干效率的理论关系，采用频率直方图方法仿真了相干效率以及相应的误码概率的概率分布函数，计算了不同校正残差和闪烁条件下的通信平均误码率。结果表明：波前残差大于1 rad时，相干效率主要受波前残差影响，自适应校正性能达到衍射极限时才能获得10-8的误码率，但此时大气闪烁可能会使误码率增大两个数量级。
相干激光通信 大气湍流 自适应光学系统 波前误差 大气闪烁 误码率 coherent laser communication atmospheric turbulence adaptive optical system wavefront error atmospherical scintillation Bit Error Rate(BER)光学精密工程第22卷
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 东北师范大学 数学与统计学院, 吉林 长春 130000
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 吉林市松花江中学, 吉林 吉林 132000
针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的若干实际问题, 设计了基于多通道相位差异法的波前探测器, 用于在不对光路进行任何改变的前提下定量测量自适应光学系统的第一像面到成像相机之间的像差。与前人的双通道相位差异波前探测器相比, 该方法对波前具有更强的约束力, 从而能够对目标光源的形状容忍力更强, 理论上对波前求解的精度更高。将该方法应用于1.23 m口径自适应光学系统的非共光路的静态像差测量, 取得了良好的效果, 为光路装调带来了极大的方便。将测得的像差直接用于变形镜的初始偏置, 大大提高了成像质量。
相位差异 波前探测 自适应光学系统 非共光路检测 phase-diversity(PD) wave-front aberration detection adaptive optical system calibration of no-common path aberration
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院, 北京 100039
针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理规模的需求, 设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速大单元自适应波前处理系统,给出了设计方案, 实施过程和测试结果。提出的基于FPGA的自适应光学系统波前处理机, 在软件上采用FPGA对整个系统进行数据配置和调控, 实现多路D/A数据同时传输和转换。同时, 采用FPGA作为波前处理运算中的图像预处理和波前子孔径斜率计算的核心器件,在满足波前处理精度的前提下, 缩短了波前处理延时, 提高了波前处理能力,波前处理可达2 000 frame/s。在硬件上, 采用波前处理主板与可扩展的波前处理子板相结合的形式来提高系统的输出能力。每块波前处理子板的校正量输出为120路,波前处理主板的最大扩展能力为10块,整个系统可实现1 200路校正量的输出。
自适应光学系统 现场可编程门阵列(FPGA) 波前处理机 adaptive optical system Field Programming Gate Array(FPGA) wave-front processor
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 等离子体物理国家重点实验室, 四川 绵阳 621900
为了提高光束质量和能量集中度, 在SILEX-I超强超短脉冲钛宝石激光装置上进行了自适应光学波前校正系统实验研究, 研究了波前校正系统对波前畸变、远场焦斑及能量集中度的改善情况。该系统基于相位共轭原理, 主要由哈特曼波前传感器、变形镜、电控单元及控制软件等组成。实验结果表明：进行波前校正后, 波前峰谷值从1.885 μm下降到0.438 μm, 均方根值从0.379 μm下降到0.052 μm；远场焦斑有明显改善；超过峰值通量1/e2的区域的能量与总能量之比为72.4%。
激光技术 波前校正 自适应光学系统 超短脉冲激光装置 光束质量 laser technology wavefront correction adaptive optical system ultra-short pulse laser facility beam quality
1 中国科学院 光电技术研究所自适应光学研究室，成都 610209；中国科学院研究生院，北京 100039
2 中国科学院 光电技术研究所自适应光学研究室；自适应光学重点实验室，成都 610209
本文提出了一种基于薄板径向支撑的高速压电倾斜镜。首先根据拉格朗日方程建立了这种基于薄板径向支撑的高速压电倾斜镜简化模型的动力学方程，然后推导出了其倾斜方向谐振频率理论表达式；根据理论表达式可以预测倾斜镜的动态性能。在理论分析的基础上，我们制作了这种薄板结构，将其加入到原有结构倾斜镜中，进行了频响测试以及角行程测试分析。比较理论分析和实验测试分析的结果，证实了薄板部件的加入对于倾斜镜应用带宽的提高有显著作用。
高速压电倾斜镜 薄板径向支撑 动力学分析 自适应光学系统 piezoelectric fast steering mirror (FSM) radial fasten thin plane dynamic analysis adaptive optical system
