ADAPTIVE OPTICS, κλάδος της οπτικής που αναπτύσσει μεθόδους και εργαλεία για τον έλεγχο του σχήματος ενός μετώπου κύματος (WF) προκειμένου να εξαλειφθούν οι παραμορφώσεις (εκτροπές) που συμβαίνουν όταν μια δέσμη φωτός διαδίδεται σε ένα οπτικά ανομοιογενές μέσο (για παράδειγμα, μια τυρβώδη ατμόσφαιρα ) ή λόγω ατελειών στα στοιχεία ενός οπτικού συστήματος.

Ο σκοπός της προσαρμοστικής διόρθωσης είναι να αυξήσει την ανάλυση των οπτικών οργάνων, να αυξήσει τη συγκέντρωση της ακτινοβολίας στον δέκτη, να επιτύχει την όσο το δυνατόν ευκρινέστερη εστίαση της δέσμης φωτός στον στόχο ή να αποκτήσει μια δεδομένη κατανομή έντασης ακτινοβολίας. Οι δυνατότητες χρήσης ενεργών μεθόδων στην οπτική άρχισαν να συζητούνται από τις αρχές της δεκαετίας του 1950 σε σχέση με το πρόβλημα της αύξησης της ανάλυσης των επίγειων τηλεσκοπίων· ωστόσο, η εντατική ανάπτυξη της προσαρμοστικής οπτικής ξεκίνησε μετά τη δημιουργία επαρκώς αποτελεσματικών διορθωτών ( ελεγχόμενοι καθρέφτες) και μετρητές WF (αισθητήρες). Το απλούστερο προσαρμοστικό σύστημα περιέχει έναν μόνο επίπεδο καθρέφτη, η κλίση του οποίου μπορεί να αλλάξει, γεγονός που εξαλείφει το «τρεμματισμό» της εικόνας όταν το βλέπει κανείς μέσα από μια ταραχώδη ατμόσφαιρα. Σε πιο πολύπλοκα συστήματα, διορθωτές με μεγάλο αριθμό βαθμών ελευθερίας χρησιμοποιούνται για να αντισταθμίσουν τις εκτροπές υψηλότερης τάξης. Ένα τυπικό σχήμα για την οργάνωση του ελέγχου σε ένα προσαρμοστικό σύστημα (σχήμα) βασίζεται στην αρχή της ανάδρασης. Μέρος της ροής φωτός μετά τον διορθωτή διακλαδώνεται και εισέρχεται στον αισθητήρα WF, όπου μετρώνται οι υπολειπόμενες εκτροπές. Αυτές οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία σημάτων στη μονάδα ελέγχου που δρουν στον διορθωτή και μειώνουν τις υπολειπόμενες εκτροπές. Γίνονται ελάχιστα, η ποιότητα της εικόνας βελτιώνεται.

Υπάρχουν συστήματα που δεν απαιτούν τη χρήση αισθητήρων VF. Σε αυτή την περίπτωση, η ελαχιστοποίηση της παραμόρφωσης πραγματοποιείται με την εσκεμμένη εισαγωγή δοκιμαστικών διαταραχών στο WF (μέθοδος ηχογράφησης διαφράγματος). Στη συνέχεια, η επίδραση των διαταραχών της δοκιμής στην ποιότητα της λειτουργίας του συστήματος αναλύεται στη μονάδα ελέγχου, μετά την οποία παράγονται σήματα ελέγχου που βελτιστοποιούν το WF. Τα συστήματα ηχογράφησης διαφράγματος απαιτούν πολύ χρόνο για τη ρύθμιση του διορθωτή, καθώς η διαδικασία επαναλαμβάνεται αρκετές φορές για να μειωθεί αισθητά η παραμόρφωση.

Η αποτελεσματικότητα ενός προσαρμοστικού οπτικού συστήματος καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την τελειότητα του εφαρμοζόμενου διορθωτή. Στην αρχή χρησιμοποιήθηκαν κυρίως σύνθετα (τμηματικά) κάτοπτρα, αποτελούμενα από πολλά τμήματα, τα οποία μπορούσαν να μετατοπιστούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας πιεζοηλεκτρικούς ενεργοποιητές ή με άλλο τρόπο. Στη συνέχεια, διαδόθηκαν ευρέως εύκαμπτοι ("μεμβράνες") καθρέφτες με συνεχώς παραμορφώσιμη επιφάνεια. Στις αρχές του 21ου αιώνα, η τεχνική διόρθωσης WF είχε βελτιωθεί σημαντικά. Εκτός από ελεγχόμενους καθρέφτες διαφόρων τύπων, χρησιμοποιούνται διαμορφωτές φάσης υγρών κρυστάλλων, οι οποίοι μπορούν να λειτουργήσουν τόσο στην ανάκλαση (όπως οι καθρέφτες) όσο και στη μετάδοση. Ορισμένα σχέδια επιτρέπουν τη μικρογραφία τους και τη δημιουργία συσκευών ενσωματωμένων σε μια ενιαία μονάδα με ηλεκτρονικά ελέγχου, γεγονός που καθιστά δυνατή τη δημιουργία συμπαγών και σχετικά φθηνών προσαρμοστικών συστημάτων. Ωστόσο, παρά την ανάπτυξη μιας νέας γενιάς διορθωτών φάσης, οι παραδοσιακοί εύκαμπτοι καθρέπτες διατηρούν τη σημασία τους λόγω της χαμηλής απώλειας φωτός και της σχετικά απλής σχεδίασής τους. Στα συστήματα λέιζερ χρησιμοποιούνται και μη γραμμικές οπτικές μέθοδοι διόρθωσης παραμόρφωσης που βασίζονται στο φαινόμενο της αντιστροφής μετώπου κύματος. Αυτή η προσέγγιση μερικές φορές αναφέρεται ως μη γραμμική προσαρμοστική οπτική.

Λιτ.: Vorontsov M. A., Shmalgauzen V. I. Principles of adaptive optics. Μ., 1985; Taranenko VG, Shanin OI Adaptive optics. Μ., 1990; Lukin VP, Fortes BV Προσαρμοστικός σχηματισμός ακτίνων και εικόνων στην ατμόσφαιρα. Novosib., 1999.

V. I. SHmalgauzen.

Το τμήμα προετοιμάστηκε από τους Nikolai Nosyrev και Oleg Vilkov

Προσαρμοστική οπτική(AO) - ένας κλάδος της οπτικής που αναπτύσσει οπτικά συστήματα με δυναμικό έλεγχο του σχήματος μετώπου κύματος για την αντιστάθμιση των τυχαίων διαταραχών και την αύξηση του ορίου ανάλυσης των συσκευών παρατήρησης, του βαθμού συγκέντρωσης ακτινοβολίας στον δέκτη ή στο στόχο.

Το κύριο πρόβλημα που μπορεί να λυθεί από ένα προσαρμοστικό οπτικό σύστημα είναι η εξάλειψη των διαταραχών του μετώπου κύματος που προκαλούνται από ανεξέλεγκτες τυχαίες επιρροές. Τα πιο διάσημα συστήματα αυτού του τύπου περιλαμβάνουν:

επίγεια τηλεσκόπια, λόγω της ανομοιογένειας της ατμόσφαιρας της γης, η ανάλυση αυτών των συστημάτων μειώνεται

συστήματα για το σχηματισμό και την εστίαση της ακτινοβολίας λέιζερ

συστήματα μέτρησης λέιζερ που λειτουργούν στην ατμόσφαιρα

· οπτικά συστήματα λέιζερ υψηλής ισχύος.

Η εφαρμογή προσαρμοστικών οπτικών συστημάτων καθορίζεται από το συγκεκριμένο εύρος εργασιών που επιλύει. Ωστόσο, οι γενικές αρχές για την κατασκευή τέτοιων συστημάτων είναι οι ίδιες.

Υπάρχουν συστήματα με εξερχόμενο κύμα, στα οποία διορθώνεται το μέτωπο κύματος της φωτεινής πηγής και συστήματα με λαμβανόμενο κύμα, στα οποία διορθώνεται το φωτεινό πεδίο που προέρχεται από το παρατηρούμενο αντικείμενο. Με τη σειρά τους, και οι δύο μπορούν να εφαρμοστούν στις αρχές της σύζευξης φάσης και του ηχητικού διαφράγματος.

Στο σύστημα σύζευξης φάσης, μια δέσμη φωτός ανακλάται από μια μικρή περιοχή του αντικειμένου (στόχος), σχηματίζοντας ένα σφαιρικό κύμα, το οποίο ταξιδεύει πίσω κατά μήκος της διαδρομής διάδοσης του φωτός και υφίσταται τις ίδιες παραμορφώσεις με το εκπεμπόμενο κύμα. Το εισερχόμενο ανακλώμενο κύμα εισέρχεται στον αισθητήρα μετώπου κύματος, όπου ανιχνεύονται παραμορφώσεις στην τροχιά. Η συσκευή επεξεργασίας δεδομένων υπολογίζει την απαραίτητη διόρθωση του μετώπου κύματος, η οποία πραγματοποιείται από τη συσκευή για την επιρροή του μετώπου κύματος.

Η αρχή του ηχητικού διαφράγματος βασίζεται στη δυνατότητα εισαγωγής δοκιμαστικών διαταραχών στο μέτωπο του κύματος, οι οποίες μετατρέπονται σε διαταραχές πλάτους του σήματος. Αναλύοντας τις αλλαγές στην ένταση του φωτός που ανακλάται από τον στόχο, καταλήγουν σε ένα συμπέρασμα σχετικά με το πρόσημο της αλλαγής φάσης και παραμορφώνουν το μέτωπο κύματος μέχρι να βελτιστοποιηθεί η εστίαση στο αντικείμενο.

Τα συστήματα με το λαμβανόμενο κύμα λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο. Στα συστήματα σύζευξης φάσης, μέρος του λαμβανόμενου φωτός με παραμορφωμένο μέτωπο κύματος κατευθύνεται σε έναν αισθητήρα μετώπου κύματος. Οι λαμβανόμενες πληροφορίες χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αντισταθμιστικού αποτελέσματος στο μέτωπο του ληφθέντος κύματος. Ως αποτέλεσμα, μια εικόνα που περιορίζεται μόνο από περίθλαση σχηματίζεται ιδανικά στον δέκτη.

Στα συστήματα ηχογράφησης διαφράγματος, οι δοκιμαστικές διαταραχές εισάγονται στο λαμβανόμενο μέτωπο κύματος και η επιρροή τους εκτιμάται χρησιμοποιώντας έναν δέκτη τοποθετημένο στο επίπεδο εικόνας.

Εθνικό Ερευνητικό Πανεπιστήμιο Τεχνολογιών Πληροφορικής, Μηχανικής και Οπτικής Αγίας Πετρούπολης

Σχολή Φωτονικής και Οπτοπληροφορικής

Τμήμα Φωτονικής Υπολογιστών και Βίντεο Πληροφορικής

στον κλάδο της Θεωρίας Συστημάτων και της Ανάλυσης Συστημάτων

« ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΜΕΝΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ»

Μαθητής: Romanov I.E.

Ομάδα: 4352

Λέκτορας: Gurov I.P.

Αγία Πετρούπολη

Εισαγωγή ……………………………………………………………………………….2

Προσαρμοστικό Οπτικό Σύστημα…………………………………………………………………………………………………………………………

Αισθητήρες μετώπου κύματος……………………………………………..…………..5

Διορθωτές μετώπου κύματος……………………………………………………..9

1) Τμηματοποιημένοι καθρέφτες ……………………………………………………………………….. ..............δέκα

2) Καθρέφτες με συμπαγή επιφάνεια……………………………………11

2.1) Δίμορφοι καθρέφτες……………………………………………………………………………………

2.2) Κάτοπτρα μεμβράνης………………………………………………….14

3) MOEMS (τεχνολογία πυριτίου)………………………………………………14

Συμπέρασμα……………………………………………………………………………..

Παραπομπές ………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Πρόσθετες πηγές πληροφοριών…………………………………… ..17

Εισαγωγή

Η προσαρμοστική οπτική (AO) είναι ένας κλάδος της οπτικής που ασχολείται με την ανάπτυξη οπτικών συστημάτων με δυναμικό έλεγχο του σχήματος μετώπου κύματος για αντιστάθμιση τυχαίων διαταραχών και αύξηση του ορίου ανάλυσης των συσκευών παρατήρησης, του βαθμού συγκέντρωσης ακτινοβολίας στον δέκτη ή στο στόχο. Η προσαρμοστική οπτική άρχισε να αναπτύσσεται εντατικά τη δεκαετία του 1950. σε σχέση με το πρόβλημα της αντιστάθμισης των μπροστινών παραμορφώσεων που προκαλούνται από τις ατμοσφαιρικές αναταράξεις και οι οποίες επιβάλλουν τον κύριο περιορισμό στην ανάλυση των επίγειων τηλεσκοπίων. Αργότερα, σε αυτό προστέθηκαν τα προβλήματα δημιουργίας τροχιακών τηλεσκοπίων και ισχυρών εκπομπών λέιζερ που υπόκεινται σε άλλους τύπους παρεμβολών.

Η προσαρμοστική οπτική βρίσκει εφαρμογή σε διάφορους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας. Για παράδειγμα, στο σχεδιασμό επίγειων αστρονομικών τηλεσκοπίων, σε συστήματα οπτικών επικοινωνιών, στη βιομηχανική τεχνολογία λέιζερ, στην ιατρική κ.λπ., όπου επιτρέπει την αντιστάθμιση, αντίστοιχα, ατμοσφαιρικές παραμορφώσεις, εκτροπές οπτικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών στοιχείων του ανθρώπινο μάτι.

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη προσαρμοστικών οπτικών συστημάτων, καθώς και η διεξαγωγή αναλυτικής ανασκόπησης των χαρακτηριστικών των στοιχείων τους.

Προσαρμοστικό οπτικό σύστημα

Για πρώτη φορά, η δυνατότητα διόρθωσης των ατμοσφαιρικών παραμορφώσεων μιας εικόνας με τη χρήση παραμορφώσιμου καθρέφτη επισημάνθηκε το 1953 από τον Αμερικανό αστρονόμο Horace Babcock H.W. Πρότεινε τη δημιουργία ενός οργάνου που θα μετρά τις δυναμικές ατμοσφαιρικές παραμορφώσεις σε πραγματικό χρόνο και θα τις διορθώνει χρησιμοποιώντας οπτικά στοιχεία που αλλάζουν σχήμα γρήγορα. Ωστόσο, δεν ήταν δυνατό να πραγματοποιηθούν οι ιδέες του εκείνη την εποχή λόγω της περιορισμένης τεχνολογίας.

Το κύριο πρόβλημα που μπορεί να λυθεί από ένα προσαρμοστικό οπτικό σύστημα είναι η εξάλειψη των διαταραχών του μετώπου κύματος που προκαλούνται από ανεξέλεγκτες τυχαίες επιρροές. Τα πιο διάσημα συστήματα αυτού του τύπου περιλαμβάνουν:

Τα επίγεια τηλεσκόπια, λόγω της ανομοιογένειας της γήινης ατμόσφαιρας, η ανάλυση αυτών των συστημάτων μειώνεται.

Συστήματα σχηματισμού και εστίασης ακτινοβολίας λέιζερ.

Συστήματα μέτρησης λέιζερ που λειτουργούν στην ατμόσφαιρα.

Οπτικά συστήματα λέιζερ υψηλής ισχύος.

Η εφαρμογή προσαρμοστικών οπτικών συστημάτων καθορίζεται από το συγκεκριμένο εύρος εργασιών που επιλύει. Ωστόσο, οι γενικές αρχές για την κατασκευή τέτοιων συστημάτων είναι οι ίδιες. Δομικά, ένα προσαρμοστικό οπτικό σύστημα αποτελείται συνήθως από έναν αισθητήρα που μετρά την παραμόρφωση (έναν αισθητήρα μετώπου κύματος), έναν διορθωτή μετώπου κύματος και ένα σύστημα ελέγχου που υλοποιεί τη σύνδεση μεταξύ του αισθητήρα και του διορθωτή. Το γενικό σχήμα του προσαρμοστικού οπτικού σχήματος φαίνεται στο Σχ. ένας. .

Ρύζι. ένας.Γενικό σχήμα ενός προσαρμοστικού οπτικού συστήματος

Αισθητήρες μετώπου κύματος

Ο αισθητήρας μετώπου κύματος (WFS) είναι ένα από τα στοιχεία του προσαρμοστικού συστήματος διόρθωσης ακτινοβολίας λέιζερ. Το καθήκον του είναι να μετρήσει την καμπυλότητα του μετώπου κύματος και να μεταδώσει αυτές τις μετρήσεις στη συσκευή επεξεργασίας (Εικ. 2).

Ρύζι. 2.Μια εικόνα ενός παραμορφωμένου μετώπου κύματος που λαμβάνεται χρησιμοποιώντας μια σειρά μικροφακών.

Οι κύριες αιτίες της καμπυλότητας μετώπου κύματος είναι:

Ατμοσφαιρικές αναταράξεις.

Μη ιδανικά σχήματα των οπτικών στοιχείων του συστήματος.

Σφάλματα στη ρύθμιση του συστήματος κ.λπ.

Σήμερα υπάρχει μεγάλη ποικιλία από WFD. Ωστόσο, η πιο κοινή βασίζεται στο σχήμα Shack-Hartmann (Εικ. 3.).

Ρύζι. 3.Τυπικό διάγραμμα αισθητήρα Hartmann

Η προέλευση ενός τέτοιου αισθητήρα ξεκίνησε τη δεκαετία του 1900, όταν ο Γερμανός φυσικός και αστρονόμος Johannes Franz Hartmann αποφάσισε να χρησιμοποιήσει πολλά μικρά ανοίγματα για να παρακολουθήσει τη διαδρομή μεμονωμένων ακτίνων φωτός μέσω ενός μεγάλου τηλεσκοπίου, επιτρέποντάς του να ελέγξει την ποιότητα της εικόνας. Αργότερα, στη δεκαετία του 1960, ο Roland Shack και ο Ben Platt τροποποίησαν αυτήν την τεχνολογία αντικαθιστώντας τα ανοίγματα με πολλαπλούς φακούς (lenticular array).

Ένας τέτοιος αισθητήρας χρησιμοποιείται συχνότερα σε συστήματα διόρθωσης μετώπου κύματος λόγω των πλεονεκτημάτων του. Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του αισθητήρα Shack-Hartmann είναι η ικανότητά του να μετράει ένα ευρύ φάσμα κλίσεων μετώπου κύματος, όταν οι παραμορφώσεις δεν μπορούν να μετρηθούν με άλλες μεθόδους (για παράδειγμα, παρεμβολές). Ένας τέτοιος αισθητήρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό των εκτροπών στο προφίλ μιας μη ευθυγραμμισμένης δέσμης λέιζερ. Επιπλέον, έχει χαμηλή ευαισθησία σε μηχανικούς κραδασμούς και μπορεί να λειτουργήσει με παλμούς υψηλής ισχύος και διάρκεια femtosecond.

Ο αισθητήρας τύπου Shack-Hartmann αποτελείται από μια σειρά μικροφακών και έναν φωτοανιχνευτή που βρίσκεται στο εστιακό τους επίπεδο. Κάθε φακός είναι συνήθως 1 mm ή μικρότερος. Οι φακοί αισθητήρα διαιρούν το εξεταζόμενο μέτωπο κύματος σε υποδιάφραγμα (το διάφραγμα ενός μικροφακού), σχηματίζοντας ένα σύνολο εστιακών σημείων στο εστιακό επίπεδο. Η θέση καθενός από τα σημεία εξαρτάται από την τοπική κλίση του μετώπου κύματος της δέσμης που έφτασε στην είσοδο του αισθητήρα. Μετρώντας τις εγκάρσιες μετατοπίσεις των εστιακών σημείων, μπορεί κανείς να υπολογίσει τις μέσες γωνίες κλίσης του μετώπου κύματος εντός καθενός από τα υποδιάφραγμα. Αυτές οι τιμές χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του προφίλ μετώπου κύματος σε ολόκληρο το διάφραγμα του αισθητήρα.

Ρύζι. τέσσερα.Η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα μετώπου κύματος

Όταν το εισερχόμενο μέτωπο κύματος είναι επίπεδο, όλες οι εικόνες είναι διατεταγμένες στο σωστό πλέγμα που ορίζεται από τη γεωμετρία της διάταξης φακών. Μόλις παραμορφωθεί το μέτωπο κύματος, οι εικόνες μετατοπίζονται από τις ονομαστικές τους θέσεις. Οι μετατοπίσεις των κεντροειδών εικόνας σε δύο ορθογώνιες κατευθύνσεις είναι ανάλογες με τις μέσες κλίσεις του μετώπου κύματος σε αυτές τις κατευθύνσεις κατά μήκος των υποανοιγμάτων. Έτσι, το Shack-Hartmann WFS (SH-H WFS) μετρά τις κλίσεις του μετώπου κύματος. Το ίδιο το μέτωπο κύματος ανακατασκευάζεται (αποκαθίσταται) από τη διάταξη των μετρούμενων κλίσεων μέχρι μια σταθερά, η οποία δεν παίζει ρόλο για την εικόνα.

Χαρακτηριστικά του DWF Shack-Garman:

Το πλάτος των μετρούμενων εκτροπών είναι έως 15 μm.

Ακρίβεια μέτρησης - λ/100 (RMS).

Διάμετρος ακτινοβολίας εισόδου - 8...100 mm.

Ωστόσο, το Shack-Hartmann WFS έχει ένα σημαντικό μειονέκτημα: crosstalk σε συστοιχίες CCD. Προκύπτουν όταν ένα επαρκώς ισχυρά παραμορφωμένο μέτωπο κύματος προσπίπτει σε έναν πίνακα, καθώς, με ισχυρές αποκλίσεις, μπορεί να υπερβεί τον υποσυστοιχία του και να πέσει σε έναν γειτονικό πίνακα. Έτσι, δημιουργείται ένα ψεύτικο σημείο.

Σήμερα, όμως, τα σφάλματα που οφείλονται στο crosstalk εξαλείφονται χρησιμοποιώντας εξελιγμένους αλγόριθμους. Σας επιτρέπουν να παρακολουθείτε και να εμφανίζετε με ακρίβεια την πραγματική θέση του σημείου. Η σύγχρονη ανάπτυξη αλγορίθμων και η ακρίβεια κατασκευής επιτρέπουν την επέκταση του πεδίου εφαρμογής αυτών των αισθητήρων. Σήμερα έχουν βρει εφαρμογή σε διάφορα συστήματα επαλήθευσης εικόνων.

Διορθωτές μετώπου κύματος

Ένα προσαρμοστικό κάτοπτρο είναι ένα εκτελεστικό ενεργό στοιχείο ενός προσαρμοστικού οπτικού συστήματος που έχει μια ανακλαστική επιφάνεια με ένα παραμορφώσιμο προφίλ. Τα παραμορφώσιμα κάτοπτρα είναι το πιο βολικό εργαλείο για τον έλεγχο μετώπου κύματος και τη διόρθωση των οπτικών εκτροπών.

Τα κύρια χαρακτηριστικά των προσαρμοστικών καθρεφτών:

Εύρος κίνησης (χαρακτηρίζεται από την ευαισθησία του ηλεκτροκινητήρα στον καθρέφτη (συνήθως η ευαισθησία εκφράζεται σε κινήσεις της επιφάνειας σε μικρόμετρα με αύξηση της τάσης ελέγχου κατά 1 V)).

Η περιοχή της τοπικής παραμόρφωσης (αντανακλά τον αριθμό των βαθμών ελευθερίας του καθρέφτη (μπορεί να δοθεί από το ενεργό πλάτος της παραμόρφωσης του πλάτους μονάδας που προκαλείται από τη δράση μιας κίνησης· η συνάρτηση που περιγράφει αυτή την παραμόρφωση ονομάζεται συνάρτηση απόκρισης )).

Εύρος ζώνης συχνότητας (καθορίζεται από την ταχύτητα της χρησιμοποιούμενης μονάδας δίσκου (περιορίζεται από πάνω από τους μηχανικούς συντονισμούς του ίδιου του σχεδίου καθρέφτη)).

Δομικά, οι προσαρμοστικοί καθρέφτες μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες ομάδες:

1) Τμηματοποιημένοι καθρέφτες.

2) Καθρέφτες με συνεχή επιφάνεια.

Στους τμηματικούς καθρέφτες, κάθε μεμονωμένο τμήμα επιτρέπει την κίνηση και την κλίση του (ή μόνο την κίνηση). Ένας συμπαγής καθρέφτης υπό την επίδραση ειδικών κινήσεων υφίσταται περίπλοκες παραμορφώσεις.

Η επιλογή ενός ή άλλου σχεδίου καθορίζεται από τις ιδιαιτερότητες του συστήματος στο οποίο θα χρησιμοποιηθεί. Οι κύριοι παράγοντες που λαμβάνονται υπόψη σε αυτή την περίπτωση είναι το συνολικό μέγεθος, το βάρος και η ποιότητα της επιφάνειας του καθρέφτη.

Τμηματοποιημένοι καθρέφτες

Τα τμηματικά κάτοπτρα αποτελούνται από ξεχωριστά ανεξάρτητα τμήματα επίπεδων καθρεπτών. Κάθε τμήμα μπορεί να μετακινηθεί σε μικρή απόσταση και πίσω για να διορθωθεί η μέση τιμή του μετώπου κύματος.

Τα προσαρμοστικά κάτοπτρα με τομή με μεταφορική κίνηση τμημάτων (Εικ. 5, α) σας επιτρέπουν να αλλάζετε μόνο τις σχέσεις χρονικής φάσης μεταξύ των σημάτων από μεμονωμένα τμήματα (το μήκος της οπτικής διαδρομής) και των κατόπτρων με κίνηση και κλίση τμημάτων (Εικ. 5 , β) - επίσης η χωρική φάση .

Ρύζι. 5.Προσαρμοστικοί καθρέφτες με τομές: α) με μεταφορική κίνηση τμημάτων, β) με κίνηση και κλίση τμημάτων

Σημαντικά μειονεκτήματα των κατόπτρων με τομή είναι η ανάγκη ελέγχου της θέσης ενός ξεχωριστού τμήματος και της κατάστασης της επιφάνειάς του, καθώς και η πολυπλοκότητα της εφαρμογής ενός συστήματος θερμικής σταθεροποίησης για τέτοιους καθρέφτες.

1) Αριθμός ενεργοποιητών - 100 - 1500.

2) Διάκενα μεταξύ ενεργοποιητών - 2-10 mm.

3) Το σχήμα των ηλεκτροδίων είναι ορθογώνιο ή εξαγωνικό.

5) Πλάτος κίνησης - αρκετά μικρά.

6) Η συχνότητα συντονισμού είναι μερικά kilohertz.

7) Το κόστος είναι υψηλό.

Καθρέφτες με συμπαγή επιφάνεια

Στην μπροστινή επιφάνεια μιας λεπτής παραμορφώσιμης μεμβράνης σχηματίζονται καθρέφτες με διακριτούς μηχανισμούς κίνησης (Εικ. 6.). Το σχήμα της πλάκας ελέγχεται από έναν αριθμό χωριστών μηχανισμών κίνησης που είναι προσαρτημένοι στον πίσω τοίχο του. Το σχήμα του καθρέφτη εξαρτάται από έναν συνδυασμό δυνάμεων που ασκούνται στον μπροστινό πίνακα, τις οριακές συνθήκες (πώς συνδέεται η πλάκα στον καθρέφτη) και τη γεωμετρία και το υλικό της πλάκας.

Αυτοί οι καθρέφτες καθιστούν δυνατό τον ομαλό έλεγχο του μετώπου κύματος με πολύ μεγάλο αριθμό (έως και αρκετές χιλιάδες) βαθμών ελευθερίας.

Ρύζι. 6.Σχέδιο καθρέφτη με διακριτούς δίσκους.

Δίμορφοι καθρέφτες

Ένα δίμορφο κάτοπτρο (Εικ. 7.) αποτελείται από δύο πιεζοηλεκτρικές πλάκες, οι οποίες στερεώνονται μεταξύ τους και πολώνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις (παράλληλες με τους άξονες). Ανάμεσα σε αυτές τις πλάκες υπάρχει μια σειρά ηλεκτροδίων. Η μπροστινή και η πίσω επιφάνεια είναι γειωμένες. Η μπροστινή πλευρά του καθρέφτη χρησιμοποιείται ως ανακλαστική επιφάνεια.

Εικ.7.Διάγραμμα δίμορφου καθρέφτη.

Τη στιγμή που εφαρμόζεται τάση στο ηλεκτρόδιο, μία από τις πλάκες συμπιέζεται και η αντίθετη τεντώνεται, γεγονός που οδηγεί σε τοπική καμπυλότητα. Η τοπική καμπυλότητα του κατόπτρου είναι ανάλογη με την εφαρμοζόμενη τάση, γι' αυτό και αυτά τα παραμορφώσιμα κάτοπτρα ονομάζονται και κάτοπτρα καμπυλότητας.

Τυπικές παράμετροι τμηματικών παραμορφώσιμων κατόπτρων:

1) Αριθμός ενεργοποιητών - 18 - 35

2) Τα κενά μεταξύ των ενεργοποιητών είναι 30-200 mm.

3) Το σχήμα των ηλεκτροδίων είναι ακτινωτό.

5) Συχνότητα συντονισμού - πάνω από 500 Hz.

6) Το κόστος είναι μέτριο.

καθρέφτες μεμβράνης.

Η παραμόρφωση της μεμβράνης αυτών των κατόπτρων επιτυγχάνεται λόγω της δράσης ενός μαγνητικού πεδίου. Ένα σύνολο μαγνητών είναι προσαρτημένο στη μεμβράνη ακριβώς απέναντι από τις ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες. Όταν το ρεύμα ρέει μέσω των σωληνοειδών, προκύπτουν δυνάμεις Laplace, οι οποίες παραμορφώνουν τη μεμβράνη.

MOEMS (τεχνολογία πυριτίου)

MOEMS (Εικ.8.) - μικρο-οπτο-ηλεκτρο-μηχανικά συστήματα. Τέτοιοι προσαρμοστικοί καθρέφτες κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας μικρολιθογραφία, παρόμοια με ηλεκτρονικά μικροκυκλώματα, η εκτροπή μικρών στοιχείων του καθρέφτη πραγματοποιείται με ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Τα μειονεκτήματα του MOEMS είναι οι ανεπαρκείς κινήσεις και το μικρό μέγεθος των στοιχείων καθρέφτη.

Εικ.8.Αρχή λειτουργίας του καθρέφτη MOEMS

Μια άλλη μέθοδος ελέγχου της φάσης του φωτός είναι η χρήση υγρών κρυστάλλων, όπως σε οθόνες με έως και ένα εκατομμύριο ελεγχόμενα στοιχεία. Μέχρι πρόσφατα, οι υγροί κρύσταλλοι ήταν πολύ αργοί, αλλά τώρα αυτός ο περιορισμός έχει ξεπεραστεί. Αν και η μετατόπιση φάσης που εισάγουν οι υγροί κρύσταλλοι παραμένει πολύ μικρή, και επιπλέον, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι εξαρτάται από το μήκος κύματος.

συμπέρασμα

Έχοντας μελετήσει κατά τη διάρκεια αυτής της εργασίας τον σχεδιασμό και τα χαρακτηριστικά των εξαρτημάτων προσαρμοστικών οπτικών συστημάτων, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η ανάπτυξη νέων τύπων εξαρτημάτων AOS δεν σταματά. Οι νέες εξελίξεις στον τομέα της φωτονικής και των οπτικών υλικών επιτρέπουν τη δημιουργία πιο προηγμένων προσαρμοστικών στοιχείων συστήματος με καλύτερες επιδόσεις από τους προκατόχους τους.

Βιβλιογραφία:

Wirth A., Gonsirovskiy T. Adaptive optics: matching of atmospheric turbulence // Fotnika, 2007, αριθμός 6, σελ. 10 – 15.

Berchenko E.A., Kalinin Yu.A., Kiselev V.Yu., Polynkin M.A. Wavefront sensors // Οπτικά συστήματα και τεχνολογίες λέιζερ, 2009, σελ. 64–69.

Ο Α.Γ. Aleksandrov, V.E. Zavalova, A.V. Kudryashov, A.L. Rukosuev, P.N. Romanov, V.V. Samarkin, Yu.V. Sheldakova, "Αισθητήρας μετώπου κύματος Shack - Hartmann για τη μέτρηση των παραμέτρων παλμικών λέιζερ στερεάς κατάστασης υψηλής ισχύος", ΚΒΑΝΤΙΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟ, 2010, 40 (4), 321–326.

Alikhanov A.N., Berchenko E.A., Kiselev V.Yu., Kuleshov V.N., Kurchanov M.S., Narusbek E.A., Otsechkin A.G., Prilepsky B.V., Son V.G., Filatov A.S., Deformable mirrors for power and information laser systems and Technology, Federal State Unitary Enterprise "NPO ASTROPHYSICS", M., 2009, σελ. 54–58

Vorontsov M.A., Shmalgauzen V.I., Principles of adaptive optics, // Moscow, Nauka, (1985), σελ. 336.

Vorontsov M.A., Koryabin A.V., Shmalgauzen V.I., Ελεγχόμενα οπτικά συστήματα. // Μόσχα, Nauka, (1988), σ. 275.

Krasheninnikov V. R. Εκτίμηση παραμέτρων γεωμετρικού μετασχηματισμού εικόνων με μέθοδο σταθερού σημείου / V. R. Krasheninnikov, M. A. Potapov // Αναγνώριση προτύπων και ανάλυση εικόνας. - 2012. - Τόμ. 22, Νο. 2. – Σ. 303–317.

Πρόσθετες πηγές πληροφοριών:

Πύλη λέιζερ: http://www.laserportal.ru//

Βικιπαίδεια: https://en.wikipedia.org/wiki/Adaptive_optics

Astronet: http://www.astronet.ru/db/msg/1205112/part2/dm.html#SEC2.2

Διάρκεια:

Ακροατές:

φοιτητές του 5ου έτους του Τμήματος Φυσικής Αγωγής και Εκπαίδευσης, Σχολή Φυσικής, Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας. M.V. Lomonosov (περίπου 15 μαθητές)

Περιγραφή:

Το μάθημα εισάγει τις βασικές αρχές της προσαρμοστικής οπτικής, συμπεριλαμβανομένων των προβλημάτων του φωτός που διέρχεται από ένα μέσο παραμόρφωσης, της διόρθωσης φάσης και της στατιστικής ανάλυσης των παραμορφώσεων φάσης. Εξετάζεται επίσης το πρόβλημα του ανισοπλανατισμού στην προσαρμοστική οπτική. Το μάθημα εισάγει τους φοιτητές στις βασικές τεχνικές μέτρησης φάσης και διόρθωσης φάσης στην προσαρμοστική οπτική, καθώς και σε ορισμένες από τις εφαρμογές της.

Πρόγραμμα μαθημάτων:

1. Προβλήματα ελέγχου των παραμέτρων ενός οπτικού συστήματος.
Αύξηση της γωνιακής ανάλυσης των αστρονομικών τηλεσκοπίων και περιορισμοί που επιβάλλονται από τις ατμοσφαιρικές αναταράξεις. Φάση των τηλεσκοπίων πολλαπλών καθρεφτών. Το αστρικό συμβολόμετρο του Michelson. Εστίαση μιας δέσμης λέιζερ μέσα από μια ταραχώδη ατμόσφαιρα Αντιστροφή μετώπου κύματος και σύζευξη φάσης. Πρόβλημα με στίγματα. Αντιστάθμιση οπτικών ενδοκοιλιακών ανομοιογενειών σε λέιζερ και πρόβλημα σχηματισμού δεσμών περιορισμένης περίθλασης.

2. Εκτροπές οπτικών συστημάτων.
Γραμμικά οπτικά συστήματα και μέθοδοι περιγραφής τους. Πολύπλοκος μετασχηματισμός πλάτους. Λειτουργία παλμικής απόκρισης και μεταφοράς. Λογιστική για παρεκκλίσεις. Γενικευμένη αρχή Huygens-Fresnel Συνάρτηση μεταφοράς ενός οπτικού συστήματος με εκτροπές. ασυνάρτητα συστήματα. Λειτουργία οπτικής μεταφοράς (OTF) και χαρακτηριστικό αντίθεσης συχνότητας του συστήματος απεικόνισης. Ο αριθμός Strehl και η κανονικοποιημένη ανάλυση του συστήματος, η εξάρτησή τους από την ισχύ των εκτροπών.

3. Αποσύνθεση των εκτροπών ως προς τις ορθογώνιες συναρτήσεις.
Ιδιότητες ορθοκανονικών συστημάτων συναρτήσεων. Πολυώνυμα Zernike [βλ. Πολυώνυμα Zernike]. Συντελεστές εκτροπής. Τυχαίες εκτροπές και μέθοδοι περιγραφής τους. Πίνακας συσχέτισης συντελεστών εκτροπής. Μέση χαρακτηριστικά του οπτικού συστήματος. Σφάλμα φάσης ρίζας μέσου τετραγώνου. Κατά προσέγγιση εκφράσεις για την ανάλυση του συστήματος και τον αριθμό Strehl.

4. ατμοσφαιρικές εκτροπές.
Διακυμάνσεις του δείκτη διάθλασης σε ταραχώδη ατμόσφαιρα. Δομική λειτουργία διακυμάνσεων φάσης. Ακτίνα συσχέτισης (ακτίνα Fried). OTF και ο αριθμός Strehl σε περίπτωση διακυμάνσεων φάσης. Συσχέτιση των συντελεστών εκτροπής στην ατμόσφαιρα. Έκφραση των συντελεστών συσχέτισης ως προς τη συνάρτηση δομής φάσης. Εξάρτηση της διασποράς του συντελεστή από το μέγεθος του διαφράγματος και την ακτίνα συσχέτισης.

5. Αντιστάθμιση των εκτροπών από ελεγχόμενους διορθωτές φάσης.
Τύποι διορθωτών και σχήματα για την εφαρμογή τους. Προσαρμοστικά οπτικά συστήματα. Ιδανικός διορθωτής μοντάλ WF. Πιθανή αποτελεσματικότητα ενός modal corrector στην αντιστάθμιση ατμοσφαιρικών παραμορφώσεων. Έκφραση για υπολειπόμενο δευτεροβάθμιο σφάλμα. Κατανομή του υπολειπόμενου σφάλματος στο άνοιγμα ως συνάρτηση του αριθμού των βαθμών ελευθερίας του διορθωτή.

6. Μέθοδοι ελέγχου διορθωτών σε προσαρμοστικά συστήματα.
Τυπικά σχήματα προσαρμοστικών συστημάτων. Συστήματα σύζευξης φάσης και ηχογράφησης διαφράγματος. Δομή ελέγχου συστημάτων με αισθητήρα WF. Οι πηγές σφαλμάτων και η συμβολή τους στο συνολικό υπολειπόμενο σφάλμα. Οργάνωση της αναζήτησης του μέγιστου σε συστήματα ηχογράφησης διαφράγματος. Κριτήριο επιλογής ποιότητας. Το πρόβλημα των τοπικών ακροτήτων. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των συστημάτων ηχογράφησης διαφράγματος.

7. Ανισοπλανατισμός προσαρμοστικών συστημάτων.
Η γωνία ισοπλανατισμού ενός ιδανικού προσαρμοστικού συστήματος σε μια ταραχώδη ατμόσφαιρα. Επιρροή των διακυμάνσεων της μέσης φάσης και των κλίσεων WF. Ανισοπλανατισμός στη διόρθωση των τρόπων. Εικόνες μεγάλης και σύντομης έκθεσης. Τρόποι επέκτασης του οπτικού πεδίου ενός προσαρμοστικού συστήματος. Μέθοδοι για τη βελτίωση της ποιότητας των καταχωρημένων εικόνων.

8. Διακυμάνσεις πλάτους σε προσαρμοστικά συστήματα.
Διακυμάνσεις της έντασης στην ατμόσφαιρα. Στίγματα και χαρακτηριστικά πεδίων στίγματος. Ασθενείς διακυμάνσεις πλάτους και περιγραφή τους. Δομική λειτουργία του κύματος. Επίδραση των διακυμάνσεων του πλάτους στο OTF και τον αριθμό Strehl. Υπολειπόμενο σφάλμα και ακρίβεια των μετρήσεων φάσης παρουσία διακυμάνσεων πλάτους.

9. Μέτρηση παραμόρφωσης WF στην προσαρμοστική οπτική 1.
Μέτρηση τοπικών κλίσεων. Βασικοί περιορισμοί: θόρυβος βολής φωτονίων, θόρυβος φωτοανιχνευτή. Συμβολόμετρα διάτμησης: περιστρεφόμενα πλέγματα περίθλασης, δικάναλα και συνδυασμένα σχήματα. βαθμολογίες ευαισθησίας.

10. Μέτρηση παραμόρφωσης WF σε προσαρμοστική οπτική 2.
Συμβολόμετρο εγκάρσιας διάτμησης με ολογραφικό φίλτρο. συμβολόμετρο ακτινικής διάτμησης. Αισθητήρας Shark-Hartmann. Χαρακτηριστικό θέσης; εκτιμήσεις ακρίβειας και ευαισθησίας. Αισθητήρας καμπυλότητας VF. Χαρακτηριστικά των σύγχρονων κυκλωμάτων αισθητήρων VF.

11. Ανακατασκευή του WF από τις μετρημένες τοπικές κλίσεις.
Ανακατασκευή του προφίλ WF με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων. Υπολογισμός συντελεστών εκτροπών; επέκταση όσον αφορά τις λειτουργίες απόκρισης διορθωτή. Ανακατασκευή του WF λαμβάνοντας υπόψη τα στατιστικά στοιχεία των παραμορφώσεων φάσης (Bayesian προσέγγιση).

12. Μέθοδοι διόρθωσης φάσης υψηλής ανάλυσης.
Διαμορφωτές χωρικής φάσης υγρών κρυστάλλων και προσαρμοστικά συστήματα με οπτική ανάδραση. Βασική εξίσωση του συστήματος; θεμελιώδεις περιορισμούς. Μέθοδοι οπτικοποίησης παραμόρφωσης φάσης: αποεστίαση και ελεύθερη διάδοση. Μετασχηματισμός Hilbert; Συμβολόμετρο εγκάρσιας διάτμησης και ολογραφικό φίλτρο. συμβολόμετρο ακτινικής διάτμησης.

13. Πρόβλημα πηγής αναφοράς στην αστρονομία.
Μέθοδοι για τη δημιουργία τεχνητών πηγών αναφοράς: Σκέδαση Rayleigh στην ατμόσφαιρα. τη χρήση στρωμάτων νατρίου που διεγείρονται από την ακτινοβολία λέιζερ. Το πρόβλημα της μέτρησης των μέσων κλίσεων. Ανισοπλανατισμός μετρήσεων WF με χρήση τεχνητής πηγής αναφοράς. Συστήματα με πολλαπλές πηγές αναφοράς.

14. Σύγχρονες εφαρμογές προσαρμοστικής οπτικής.
Διόρθωση παραμορφώσεων φάσης ακτίνων λέιζερ σε προβλήματα LTS και συστημάτων σχηματισμού παλμών λέιζερ femtosecond. συστήματα ενδοκοιλιακής διόρθωσης θερμικών εκτροπών σε ενεργά στοιχεία τεχνολογικών λέιζερ μέσης ισχύος. Σχηματισμός δεδομένης κατανομής έντασης στη δέσμη ενός τεχνολογικού λέιζερ CO2. Χρήση προσαρμοστικών οπτικών στην οφθαλμολογία: μέτρηση των εκτροπών του ανθρώπινου ματιού. αύξηση της ανάλυσης των εικόνων του αμφιβληστροειδούς στην αμφιβληστροειδοσκόπηση. πολυφασματική αμφιβληστροειδοσκόπηση.

Διαλέξεις:

· Νο. 1. Εισαγωγικό.
· Νο. 2. Συστήματα απεικόνισης με φακό.
· № 3. Ασυνάρτητα συστήματα.
· Νο. 4. Μέτρηση παραμορφώσεων WF στην προσαρμοστική οπτική. Μέρος Ι.
· Νο. 5. Μέτρηση παραμορφώσεων WF σε προσαρμοστική οπτική. Μέρος II.
· Νο. 6. Μέτρηση παραμορφώσεων WF στην προσαρμοστική οπτική. Μέρος III.

Μια διασπορά αστεριών, σαν να κλείνει το μάτι στον παρατηρητή, φαίνεται πολύ ρομαντική. Αλλά για τους αστρονόμους, αυτή η όμορφη ριπή δεν προκαλεί καθόλου θαυμασμό, αλλά εντελώς αντίθετα συναισθήματα. Ευτυχώς, υπάρχει τρόπος να διορθωθεί η κατάσταση.

Alexey Levin

Το πείραμα που έδωσε νέα πνοή στην επιστήμη του διαστήματος δεν πραγματοποιήθηκε σε ένα διάσημο παρατηρητήριο ή σε ένα γιγάντιο τηλεσκόπιο. Οι ειδικοί το έμαθαν από το άρθρο Successful Tests of Adaptive Optics, που δημοσιεύτηκε στο αστρονομικό περιοδικό The Messenger το 1989. Εκεί παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα των δοκιμών του ηλεκτρο-οπτικού συστήματος Come-On, σχεδιασμένου να διορθώνει τις ατμοσφαιρικές παραμορφώσεις του φωτός από κοσμικές πηγές. Πραγματοποιήθηκαν από τις 12 έως τις 23 Οκτωβρίου στον ανακλαστήρα 152 cm του γαλλικού παρατηρητηρίου OHP (Observatoire de Haute-Province). Το σύστημα λειτούργησε τόσο καλά που οι συγγραφείς ξεκίνησαν το άρθρο δηλώνοντας ότι «ένα μακροχρόνιο όνειρο αστρονόμων που εργάζονταν σε επίγεια τηλεσκόπια επιτέλους έγινε πραγματικότητα χάρη στη δημιουργία μιας νέας τεχνικής οπτικής παρατήρησης - προσαρμοστικής οπτικής».

Λίγα χρόνια αργότερα, τα συστήματα προσαρμοστικής οπτικής (AO) άρχισαν να εγκαθίστανται σε μεγάλα όργανα. Το 1993 εξόπλισαν το τηλεσκόπιο 360 εκατοστών του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου (ESO) στη Χιλή, λίγο αργότερα - το ίδιο όργανο στη Χαβάη, και στη συνέχεια τηλεσκόπια 8-10 μέτρων. Χάρη στο AO, τα επίγεια όργανα μπορούν να παρατηρούν φωτιστικά στο ορατό φως με ανάλυση που ήταν μόνο το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και σε υπέρυθρες ακτίνες ακόμη και με υψηλότερη ανάλυση. Για παράδειγμα, στην πολύ χρήσιμη για την αστρονομία περιοχή της εγγύς υπέρυθρης ζώνης με μήκος κύματος 1 micron, το Hubble παρέχει ανάλυση 110 ms και τα τηλεσκόπια 8 μέτρων του ESO έως 30 ms.

Στην πραγματικότητα, όταν Γάλλοι αστρονόμοι δοκίμαζαν το σύστημα AO τους, παρόμοιες συσκευές υπήρχαν ήδη στις ΗΠΑ. Δεν δημιουργήθηκαν όμως καθόλου για τις ανάγκες της αστρονομίας. Πελάτης αυτών των εξελίξεων ήταν το Πεντάγωνο.

Ο αισθητήρας Shack-Hartman λειτουργεί ως εξής: αφού φύγει από το οπτικό σύστημα του τηλεσκοπίου, το φως περνά μέσα από ένα πλέγμα μικρών φακών που το κατευθύνουν στη συστοιχία CCD. Εάν η ακτινοβολία μιας κοσμικής πηγής ή ενός τεχνητού αστεριού διαδόθηκε στο κενό ή σε μια ιδανικά ήρεμη ατμόσφαιρα, τότε όλοι οι μίνι φακοί θα την εστίαζαν αυστηρά στο κέντρο των εικονοστοιχείων που τους έχουν ανατεθεί. Λόγω των ατμοσφαιρικών αναταράξεων, τα σημεία σύγκλισης των ακτίνων «περπατούν» κατά μήκος της επιφάνειας της μήτρας και αυτό καθιστά δυνατή την ανακατασκευή των ίδιων των διαταραχών.

Όταν ο αέρας είναι εμπόδιο

Εάν παρατηρήσετε μέσω ενός τηλεσκοπίου δύο αστέρια που βρίσκονται στον ουρανό πολύ κοντά το ένα στο άλλο, οι εικόνες τους θα συγχωνευθούν σε ένα φωτεινό σημείο. Η ελάχιστη γωνιακή απόσταση μεταξύ τέτοιων αστέρων, λόγω της κυματικής φύσης του φωτός (όριο περίθλασης), είναι η ανάλυση του οργάνου και είναι ευθέως ανάλογη με το μήκος κύματος του φωτός και αντιστρόφως ανάλογη με τη διάμετρο (άνοιγμα) του τηλεσκοπίου. Έτσι, για έναν ανακλαστήρα τριών μέτρων σε παρατηρήσεις με πράσινο φως, αυτό το όριο είναι περίπου 40 γωνιακά ms, και για έναν ανακλαστήρα 10 μέτρων είναι λίγο περισσότερο από 10 ms (σε αυτή τη γωνία, ένα μικρό νόμισμα είναι ορατό από απόσταση 2000 km).

Ωστόσο, αυτές οι εκτιμήσεις ισχύουν μόνο για παρατηρήσεις στο κενό. Στην ατμόσφαιρα της γης εμφανίζονται συνεχώς περιοχές τοπικών αναταράξεων, οι οποίες αλλάζουν την πυκνότητα και τη θερμοκρασία του αέρα αρκετές εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο και, κατά συνέπεια, τον δείκτη διάθλασής του. Επομένως, στην ατμόσφαιρα, το μέτωπο ενός φωτεινού κύματος από μια κοσμική πηγή αναπόφευκτα απλώνεται. Ως αποτέλεσμα, η πραγματική ανάλυση των συμβατικών τηλεσκοπίων είναι στην καλύτερη περίπτωση 0,5−1 δευτερόλεπτο τόξου και υπολείπεται πολύ από το όριο περίθλασης.

Προηγουμένως, τα μεγέθη των διορθώσιμων ζωνών ουρανού περιορίζονταν σε κελιά με πλευρά 15 ms τόξου. Τον Μάρτιο του 2007, τα πολυσυζευγμένα προσαρμοζόμενα οπτικά (MCAO) δοκιμάστηκαν για πρώτη φορά σε τηλεσκόπιο ESO. Ανιχνεύει αναταράξεις σε διαφορετικά ύψη, γεγονός που επέτρεψε την αύξηση του μεγέθους του διορθωμένου οπτικού πεδίου σε δύο ή περισσότερα λεπτά τόξου. «Το AO έχει επεκταθεί πολύ σε αυτόν τον αιώνα», λέει στον PM η Claire Max, καθηγήτρια αστρονομίας και αστροφυσικής, διευθύντρια του Κέντρου Προσαρμοστικής Οπτικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz. — Σε μεγάλα τηλεσκόπια εγκαθίστανται συστήματα με δύο και τρία παραμορφώσιμα κάτοπτρα. Υπήρχαν νέοι αισθητήρες μετώπου κύματος και πιο ισχυρά προγράμματα υπολογιστών. Έχουν δημιουργηθεί κάτοπτρα με μικροηλεκτρομηχανικούς ενεργοποιητές, που καθιστούν δυνατή την καλύτερη και ταχύτερη αλλαγή του σχήματος της ανακλώσας επιφάνειας από τους πιεζοηλεκτρικούς ενεργοποιητές. Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί και δοκιμαστεί πειραματικά συστήματα προσαρμοστικής οπτικής πολλαπλών αντικειμένων (MOAO), τα οποία μπορούν ταυτόχρονα να παρακολουθούν έως και δέκα ή περισσότερες πηγές σε οπτικό πεδίο με διάμετρο 5–10 λεπτών τόξου. Θα εγκατασταθούν σε μια νέα γενιά τηλεσκοπίων που θα αρχίσει να λειτουργεί την επόμενη δεκαετία».

καθοδηγητικά αστέρια

Φανταστείτε μια συσκευή που αναλύει τα κύματα φωτός που περνούν από το τηλεσκόπιο εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο για να ανιχνεύσει ίχνη ατμοσφαιρικών στροβίλων και, σύμφωνα με αυτά τα δεδομένα, αλλάζει το σχήμα ενός παραμορφώσιμου καθρέφτη τοποθετημένου στο επίκεντρο του τηλεσκοπίου για να εξουδετερώσει τις ατμοσφαιρικές παρεμβολές και ιδανικά κάντε την εικόνα του αντικειμένου «κενό». Στην περίπτωση αυτή, η ανάλυση του τηλεσκοπίου περιορίζεται αποκλειστικά από το όριο περίθλασης.

Ωστόσο, υπάρχει μια λεπτότητα. Συνήθως, το φως από μακρινά αστέρια και γαλαξίες είναι πολύ αδύναμο για να ανακατασκευάσει αξιόπιστα το μέτωπο κύματος. Ένα άλλο πράγμα είναι εάν υπάρχει μια φωτεινή πηγή κοντά στο παρατηρούμενο αντικείμενο, οι ακτίνες από την οποία πηγαίνουν στο τηλεσκόπιο κατά μήκος σχεδόν της ίδιας διαδρομής και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάγνωση του ατμοσφαιρικού θορύβου. Ήταν αυτό το σχήμα (σε κάπως περικομμένη μορφή) που δοκίμασαν οι Γάλλοι αστρονόμοι το 1989. Επέλεξαν μερικά φωτεινά αστέρια (Deneb, Capella και άλλα) και, με τη βοήθεια προσαρμοστικής οπτικής, βελτίωσαν πραγματικά την ποιότητα των υπέρυθρων εικόνων τους. Σύντομα, τέτοια συστήματα, χρησιμοποιώντας αστέρια-οδηγούς του ουρανού της γης, άρχισαν να χρησιμοποιούνται σε μεγάλα τηλεσκόπια για πραγματικές παρατηρήσεις.

Αλλά υπάρχουν λίγα φωτεινά αστέρια στον ουρανό της γης, επομένως αυτή η τεχνική είναι κατάλληλη για την παρατήρηση μόνο του 10% της ουράνιας σφαίρας. Αλλά εάν η φύση δεν έχει δημιουργήσει ένα κατάλληλο φωτιστικό στη σωστή θέση, μπορείτε να δημιουργήσετε ένα τεχνητό αστέρι - χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ για να προκαλέσει ατμοσφαιρική λάμψη σε μεγάλο υψόμετρο, το οποίο θα γίνει η πηγή φωτός αναφοράς για το σύστημα αντιστάθμισης.

Αυτή η μέθοδος προτάθηκε το 1985 από τους Γάλλους αστρονόμους Renaud Foix και Antoine Labeyrie. Την ίδια περίπου περίοδο, οι συνάδελφοί τους από τις ΗΠΑ, Edward Kibblewhite και Laird Thomson, κατέληξαν σε παρόμοια συμπεράσματα. Στα μέσα της δεκαετίας του 1990, εκπομποί λέιζερ σε συνδυασμό με εξοπλισμό AO εμφανίστηκαν σε μεσαίου μεγέθους τηλεσκόπια στο Παρατηρητήριο Lick στις Ηνωμένες Πολιτείες και στο Παρατηρητήριο Calar Alto στην Ισπανία. Ωστόσο, χρειάστηκαν περίπου δέκα χρόνια για να βρει εφαρμογή αυτή η τεχνική σε τηλεσκόπια 8-10 μέτρων.

Το στοιχείο ενεργοποίησης του συστήματος προσαρμοστικής οπτικής είναι ένα παραμορφώσιμο κάτοπτρο που κάμπτεται με τη βοήθεια πιεζοηλεκτρικών ή ηλεκτρομηχανικών μηχανισμών κίνησης (ενεργοποιητές) σύμφωνα με τις εντολές του συστήματος ελέγχου, το οποίο λαμβάνει και αναλύει δεδομένα παραμόρφωσης από αισθητήρες μετώπου κύματος.

Στρατιωτικό συμφέρον

Η ιστορία της προσαρμοστικής οπτικής δεν έχει μόνο μια προφανή, αλλά και μια κρυφή πλευρά. Τον Ιανουάριο του 1958, το Πεντάγωνο ίδρυσε μια νέα δομή, την Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων Άμυνας, ARPA (τώρα DARPA), υπεύθυνη για την ανάπτυξη τεχνολογιών για νέες γενιές όπλων. Αυτό το τμήμα διαδραμάτισε πρωταρχικό ρόλο στη δημιουργία προσαρμοστικής οπτικής: για την παρατήρηση σοβιετικών τροχιακών, απαιτήθηκαν τηλεσκόπια μη ευαίσθητα στην ατμοσφαιρική παρεμβολή με την υψηλότερη δυνατή ανάλυση και στο μέλλον εξετάστηκε το έργο της δημιουργίας όπλων λέιζερ για την καταστροφή βαλλιστικών πυραύλων.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1960, υπό τον έλεγχο της ARPA, ξεκίνησε ένα πρόγραμμα μελέτης των ατμοσφαιρικών διαταραχών και της αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας λέιζερ με τον αέρα. Αυτό έγινε στο ερευνητικό κέντρο RADC (Rome Air Development Center) που βρίσκεται στην αεροπορική βάση Griffis στην Πολιτεία της Νέας Υόρκης. Ισχυροί προβολείς τοποθετημένοι σε βομβαρδιστικά που πετούσαν πάνω από την εμβέλεια χρησιμοποιήθηκαν ως πηγή φωτός αναφοράς και ήταν τόσο εντυπωσιακό που φοβισμένοι κάτοικοι μερικές φορές απευθύνονταν στην αστυνομία!

Την άνοιξη του 1973, η ARPA και η RADC συνήψαν συμβόλαιο με την ιδιωτική εταιρεία Itec Optical Systems για να συμμετάσχουν στην ανάπτυξη συσκευών που αντισταθμίζουν τη σκέδαση του φωτός υπό την επίδραση ατμοσφαιρικών διαταραχών, ως μέρος του προγράμματος RTAC (Real-Time Atmospheric Compensation). . Οι υπάλληλοι της Itec δημιούργησαν και τα τρία κύρια στοιχεία του AO - ένα συμβολόμετρο για την ανάλυση ελαφρών μπροστινών διαταραχών, έναν παραμορφώσιμο καθρέφτη για τη διόρθωσή τους και ένα σύστημα ελέγχου. Ο πρώτος τους καθρέφτης διαμέτρου δύο ιντσών ήταν κατασκευασμένος από γυαλί επικαλυμμένο με ανακλαστική μεμβράνη αλουμινίου. Πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές (21 τεμάχια) ενσωματώθηκαν στην πλάκα βάσης, ικανοί να συστέλλονται και να επιμηκύνονται κατά 10 μm υπό τη δράση ηλεκτρικών παλμών. Ήδη οι πρώτες εργαστηριακές δοκιμές, που πραγματοποιήθηκαν την ίδια χρονιά, μαρτυρούσαν επιτυχία. Και το επόμενο καλοκαίρι, μια νέα σειρά δοκιμών απέδειξε ότι ο πειραματικός εξοπλισμός μπορούσε να διορθώσει μια ακτίνα λέιζερ ήδη σε αποστάσεις αρκετών εκατοντάδων μέτρων.

Αυτά τα αμιγώς επιστημονικά πειράματα δεν είχαν ακόμη ταξινομηθεί. Ωστόσο, το 1975 εγκρίθηκε το κλειστό πρόγραμμα CIS (Compensating Imaging System) για την ανάπτυξη του AO προς το συμφέρον του Πενταγώνου. Σύμφωνα με αυτό, δημιουργήθηκαν πιο προηγμένοι αισθητήρες μετώπου κύματος και παραμορφώσιμα κάτοπτρα με εκατοντάδες ενεργοποιητές. Αυτός ο εξοπλισμός εγκαταστάθηκε σε ένα τηλεσκόπιο 1,6 μέτρων που βρίσκεται στην κορυφή του όρους Haleakala στο νησί Maui της Χαβάης. Τον Ιούνιο του 1982, με τη βοήθειά του, για πρώτη φορά, κατέστη δυνατή η λήψη φωτογραφιών ενός τεχνητού δορυφόρου της Γης αποδεκτής ποιότητας.

Με όραση λέιζερ

Παρόλο που τα πειράματα στο Maui συνεχίστηκαν για αρκετά ακόμη χρόνια, το κέντρο ανάπτυξης μετακόμισε σε μια ειδική ζώνη της αεροπορικής βάσης Kirtland στο Νέο Μεξικό, στο μυστικό Sandia Optical Range (SOR), όπου εργάζονταν από καιρό σε όπλα λέιζερ. Το 1983, μια ομάδα με επικεφαλής τον Robert Fugate ξεκίνησε πειράματα στα οποία επρόκειτο να μελετήσει τη σάρωση με λέιζερ των ατμοσφαιρικών ανωμαλιών. Αυτή η ιδέα προτάθηκε από τον Αμερικανό φυσικό Julius Feinleib το 1981 και τώρα έπρεπε να δοκιμαστεί στην πράξη. Ο Feinleib πρότεινε τη χρήση ελαστικής (Rayleigh) σκέδασης κβάντα φωτός από ατμοσφαιρικές ανομοιογένειες σε συστήματα AO. Μερικά από τα διάσπαρτα φωτόνια επιστρέφουν στο σημείο από το οποίο έφυγαν και στο αντίστοιχο τμήμα του ουρανού εμφανίζεται μια χαρακτηριστική λάμψη μιας σχεδόν σημειακής πηγής - ένα τεχνητό αστέρι. Ο Fugate και οι συνεργάτες του κατέγραψαν παραμορφώσεις μετώπου κύματος της ανακλώμενης ακτινοβολίας στο δρόμο τους προς τη Γη και τις συνέκριναν με παρόμοιες διαταραχές του αστρικού φωτός που προέρχονταν από το ίδιο μέρος του ουρανού. Οι διαταραχές αποδείχθηκαν σχεδόν πανομοιότυπες, γεγονός που επιβεβαίωσε τη δυνατότητα χρήσης λέιζερ για την επίλυση προβλημάτων AO.

Αυτές οι μετρήσεις δεν απαιτούσαν πολύπλοκα οπτικά - ήταν αρκετά απλά συστήματα καθρέφτη. Ωστόσο, για πιο αξιόπιστα αποτελέσματα, έπρεπε να επαναληφθούν σε ένα καλό τηλεσκόπιο, το οποίο εγκαταστάθηκε στο SOR το 1987. Ο Fugate και οι βοηθοί του πραγματοποίησαν πειράματα σε αυτό, κατά τη διάρκεια των οποίων γεννήθηκε η προσαρμοστική οπτική με τεχνητά αστέρια. Τον Φεβρουάριο του 1992, ελήφθη η πρώτη σημαντικά βελτιωμένη εικόνα ενός ουράνιου σώματος, του Betelgeuse (το λαμπρότερο αστέρι στον αστερισμό του Ωρίωνα). Σύντομα, οι δυνατότητες της μεθόδου αποδείχθηκαν σε φωτογραφίες πολλών αστεριών, δακτυλίων του Κρόνου και άλλων αντικειμένων.

Η ομάδα του Fugate άναψε τεχνητά αστέρια με ισχυρά λέιζερ ατμού χαλκού που παρήγαγαν 5.000 παλμούς ανά δευτερόλεπτο. Μια τέτοια υψηλή συχνότητα φλας καθιστά δυνατή τη σάρωση ακόμη και των αναταράξεων με τη μικρότερη διάρκεια ζωής. Οι συμβολομετρικοί αισθητήρες μετώπου κύματος αντικαταστάθηκαν από έναν πιο προηγμένο αισθητήρα Shack-Hartman, που εφευρέθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 (παρεμπιπτόντως, επίσης παραγγελθείς από το Πεντάγωνο). Ένας καθρέφτης με 241 ενεργοποιητές που παρέχονται από την Itec θα μπορούσε να αλλάξει σχήμα 1664 φορές το δευτερόλεπτο.

Ανέβασε ψηλότερα

Η σκέδαση Rayleigh είναι μάλλον αδύναμη, επομένως, διεγείρεται στην περιοχή υψομέτρου 10–20 km. Οι ακτίνες από ένα τεχνητό αστέρι αναφοράς αποκλίνουν, ενώ οι ακτίνες από μια πολύ πιο μακρινή κοσμική πηγή είναι αυστηρά παράλληλες. Επομένως, τα μέτωπα των κυμάτων τους παραμορφώνονται σε ένα τυρβώδες στρώμα όχι εξίσου, γεγονός που επηρεάζει την ποιότητα της διορθωμένης εικόνας. Τα αστέρια Beacon φωτίζονται καλύτερα σε μεγαλύτερο υψόμετρο, αλλά ο μηχανισμός Rayleigh είναι ακατάλληλος εδώ.

Την άνοιξη του 1991, το Πεντάγωνο αποφάσισε να αποχαρακτηρίσει το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας για την προσαρμοστική οπτική. Τα αποχαρακτηρισμένα αποτελέσματα της δεκαετίας του 1980 περιήλθαν στην ιδιοκτησία των αστρονόμων.

Αυτό το πρόβλημα λύθηκε το 1982 από τον καθηγητή του Πανεπιστημίου Πρίνστον, Γουίλ Χάρπερ. Πρότεινε να εκμεταλλευτεί το γεγονός ότι στη μεσόσφαιρα σε ύψος περίπου 90 km υπάρχουν πολλά άτομα νατρίου συσσωρευμένα εκεί λόγω της καύσης μικρομετεωριτών. Ο Χάρπερ πρότεινε να διεγείρεται η συντονισμένη λάμψη αυτών των ατόμων χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ. Η ένταση μιας τέτοιας λάμψης με την ίδια ισχύ λέιζερ είναι τέσσερις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από την ένταση του φωτός στη σκέδαση Rayleigh. Ήταν μόνο μια θεωρία. Η πρακτική εφαρμογή του έγινε δυνατή χάρη στις προσπάθειες του προσωπικού του Εργαστηρίου Λίνκολν, που βρίσκεται στην αεροπορική βάση Hanscom στη Μασαχουσέτη. Το καλοκαίρι του 1988, έλαβαν τις πρώτες εικόνες αστεριών που τραβήχτηκαν με τη βοήθεια μεσοσφαιρικών φάρων. Ωστόσο, η ποιότητα των φωτογραφιών δεν ήταν υψηλή και η εφαρμογή της μεθόδου του Harper απαιτούσε πολλά χρόνια γυαλίσματος.

Το 2013, δοκιμάστηκε με επιτυχία το μοναδικό όργανο Gemini Planet Imager για φωτογράφηση και φασματογραφία εξωπλανητών, σχεδιασμένο για τα οκτώ μέτρα τηλεσκόπια Gemini. Επιτρέπει τη χρήση του AO για την παρατήρηση πλανητών των οποίων η φαινομενική φωτεινότητα είναι εκατομμύρια φορές μικρότερη από τη φωτεινότητα των αστεριών γύρω από τα οποία περιστρέφονται.

Την άνοιξη του 1991, το Πεντάγωνο αποφάσισε να αποχαρακτηρίσει το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας για την προσαρμοστική οπτική. Οι πρώτες αναφορές για αυτό έγιναν τον Μάιο σε συνέδριο της Αμερικανικής Αστρονομικής Ένωσης στο Σιάτλ. Σύντομα ακολούθησαν δημοσιεύσεις περιοδικών. Αν και ο αμερικανικός στρατός συνέχισε να εργάζεται για προσαρμοστικά οπτικά, τα αποχαρακτηρισμένα αποτελέσματα της δεκαετίας του 1980 έγιναν ιδιοκτησία των αστρονόμων.

Μεγάλος ισοσταθμιστής

«Το AO επέτρεψε στα επίγεια τηλεσκόπια να συλλάβουν δεδομένα για τη δομή πολύ μακρινών γαλαξιών για πρώτη φορά», λέει η Claire Max, καθηγήτρια αστρονομίας και αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο της Santa Cruz. - Πριν από την έλευση της εποχής AO, μπορούσαν να παρατηρηθούν μόνο στην οπτική περιοχή από το διάστημα. Όλες οι επίγειες παρατηρήσεις της κίνησης των άστρων κοντά στην υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία πραγματοποιούνται επίσης με τη χρήση AO.

Ο ΑΟ έδωσε πολλά στη μελέτη του ηλιακού συστήματος. Με τη βοήθειά του, ελήφθησαν εκτενείς πληροφορίες σχετικά με τη ζώνη αστεροειδών, ειδικότερα, σχετικά με τα δυαδικά συστήματα αστεροειδών. Η AO έχει εμπλουτίσει τις γνώσεις για τις ατμόσφαιρες των πλανητών του ηλιακού συστήματος και των δορυφόρων τους. Χάρη σε αυτό, εδώ και δεκαπέντε χρόνια, γίνονται παρατηρήσεις του αέριου περιβλήματος του Τιτάνα, του μεγαλύτερου δορυφόρου του Κρόνου, που κατέστησε δυνατή την παρακολούθηση των καθημερινών και εποχιακών αλλαγών στην ατμόσφαιρά του. Έτσι, έχει ήδη συγκεντρωθεί μια εκτεταμένη σειρά δεδομένων για τις καιρικές συνθήκες στους εξωτερικούς πλανήτες και τους δορυφόρους τους.

Κατά μία έννοια, η προσαρμοστική οπτική έχει εξισώσει τις δυνατότητες της επίγειας και της διαστημικής αστρονομίας. Χάρη σε αυτήν την τεχνολογία, τα μεγαλύτερα σταθερά τηλεσκόπια με τους γιγάντιους καθρέφτες τους παρέχουν πολύ καλύτερη ανάλυση από το Hubble ή το τηλεσκόπιο υπερύθρων James Webb που δεν έχει ακόμη εκτοξευθεί. Επιπλέον, τα όργανα μέτρησης για τα επίγεια παρατηρητήρια δεν έχουν αυστηρούς περιορισμούς βάρους και μεγέθους, οι οποίοι υπόκεινται στον σχεδιασμό του διαστημικού εξοπλισμού. Δεν θα ήταν λοιπόν υπερβολή να πούμε», κατέληξε ο καθηγητής Μαξ, «ότι η προσαρμοστική οπτική έχει μεταμορφώσει ριζικά πολλούς κλάδους της σύγχρονης επιστήμης του σύμπαντος».