Ottica adattiva: come vedere le stelle nel cielo? Ottica adattiva - storia del laser Implementazione dell'ottica adattiva

Sezione preparata da Nikolay Nosyrev e Oleg Vilkov

Ottica adattiva(AO) - una branca dell'ottica che si occupa dello sviluppo di sistemi ottici con controllo dinamico della forma del fronte d'onda per compensare i disturbi casuali e aumentare il limite di risoluzione degli strumenti di osservazione, il grado di concentrazione della radiazione nel ricevitore o bersaglio.

Il problema principale che può essere risolto da un sistema di ottica adattiva è eliminare i disturbi del fronte d'onda causati da influenze casuali incontrollate. I sistemi più famosi di questo tipo includono:

· telescopi terrestri, a causa dell'eterogeneità dell'atmosfera terrestre, la risoluzione di questi sistemi è ridotta

sistemi per formare e focalizzare la radiazione laser

sistemi di misurazione laser operanti nell'atmosfera

· sistemi ottici di laser ad alta potenza.

L'implementazione dei sistemi ottici adattivi è determinata dalla gamma specifica di problemi che risolve. Tuttavia, i principi generali per la costruzione di tali sistemi sono gli stessi.

Esistono sistemi con onda uscente, in cui viene corretto il fronte d'onda della sorgente luminosa, e sistemi con onda ricevuta, in cui viene corretto il campo luminoso proveniente dall'oggetto osservato. A loro volta, entrambi possono essere implementati secondo i principi della coniugazione di fase e del rilevamento dell'apertura.

In un sistema a coniugazione di fase, un fascio di luce viene riflesso da una piccola area di un oggetto (bersaglio), formando un'onda sferica che ripercorre il percorso della luce e subisce le stesse distorsioni dell'onda emessa. L'onda riflessa in entrata entra nel sensore del fronte d'onda, dove vengono rilevate le distorsioni sul percorso. Il dispositivo di elaborazione dati calcola la necessaria correzione del fronte d'onda, che viene eseguita dal dispositivo di influenza del fronte d'onda.

Il principio dell'aperture sensing si basa sulla possibilità di introdurre disturbi di test nel fronte d'onda, che vengono trasformati in disturbi di ampiezza del segnale. Analizzando i cambiamenti nell'intensità della luce riflessa dal bersaglio, si giunge ad una conclusione sul segno del cambiamento di fase e il fronte d'onda viene deformato fino a ottimizzare la messa a fuoco dell'oggetto.

I sistemi di onde ricevute funzionano in modo simile. Nei sistemi ad accoppiamento di fase, una porzione della luce ricevuta con un fronte d'onda distorto viene diretta ad un sensore del fronte d'onda. Le informazioni ottenute vengono utilizzate per creare un effetto di compensazione sul fronte d'onda ricevuto. Di conseguenza, sul ricevitore si forma idealmente un'immagine limitata solo dalla diffrazione.

Nei sistemi di rilevamento dell'apertura, i disturbi di prova vengono introdotti nel fronte d'onda ricevuto e la loro influenza viene valutata utilizzando un ricevitore posizionato nel piano dell'immagine.

dispositivi di osservazione, concentrazione di radiazioni ottiche sul ricevitore o bersaglio, ecc.

L'ottica adattiva viene utilizzata nella progettazione di telescopi astronomici terrestri, nei sistemi di comunicazione ottica, nella tecnologia laser industriale, in oftalmologia, ecc., dove consente, rispettivamente, di compensare le distorsioni atmosferiche e le aberrazioni dei sistemi ottici, compresi i sistemi ottici elementi dell'occhio umano.

Sistema ottico adattivo

Strutturalmente, un sistema ottico adattivo è solitamente costituito da un sensore che misura la distorsione (sensore del fronte d'onda), un correttore del fronte d'onda e un sistema di controllo che comunica tra il sensore e il correttore.

Sensori del fronte d'onda

Esistono diversi metodi che consentono sia la valutazione qualitativa che la misurazione quantitativa del profilo del fronte d'onda. I sensori più popolari attualmente sono il tipo ad interferenza e il tipo Shack-Hartmann.

Il funzionamento dei sensori di interferenza si basa sulla somma coerente di due onde luminose e sulla formazione di una figura di interferenza con un'intensità dipendente dal fronte d'onda misurato. In questo caso, un'onda ottenuta dalla radiazione in esame mediante filtraggio spaziale può essere utilizzata come seconda onda luminosa (di riferimento).

Un sensore di tipo Shack-Hartmann è costituito da una serie di microlenti e un fotorilevatore situato nel loro piano focale. Ciascuna lente misura in genere 1 mm o meno. Le lenti del sensore dividono il fronte d'onda studiato in sottoaperture (l'apertura di una microlente), formando un insieme di punti focali sul piano focale. La posizione di ciascuno spot dipende dall'inclinazione locale del fronte d'onda del fascio che arriva all'ingresso del sensore. Misurando gli spostamenti trasversali delle macchie focali, è possibile calcolare gli angoli medi di inclinazione del fronte d'onda all'interno di ciascuna sottoapertura. Da questi valori viene calcolato il profilo del fronte d'onda sull'intera apertura del sensore.

Correttori del fronte d'onda

Specchio adattivo (deformabile) ( Inglese) è lo strumento più popolare per il controllo del fronte d'onda e la correzione dell'aberrazione ottica. L'idea della correzione del fronte d'onda con uno specchio composito fu proposta da V.P. Linnik nel 1957. La possibilità di creare un tale sistema è apparsa dalla metà degli anni '90 in relazione allo sviluppo della tecnologia e alla possibilità di un controllo e monitoraggio computerizzato preciso.

In particolare si sono diffusi gli specchi unimorfi (semi-passivi-bimorfi). Tale specchio è costituito da una piastra sottile di materiale piezoelettrico, sulla quale sono disposti in modo speciale gli elettrodi. La piastra è fissata ad un substrato, sulla cui superficie frontale è formata una superficie ottica. Quando viene applicata tensione agli elettrodi, la piastra piezoelettrica si contrae (o si espande), provocando la curvatura della superficie ottica dello specchio. La speciale disposizione spaziale degli elettrodi consente la formazione di rilievi superficiali complessi.

La velocità di controllo della forma dello specchio adattivo ne consente l'utilizzo per compensare le aberrazioni dinamiche in tempo reale.

Nelle applicazioni astronomiche, i sistemi di ottica adattiva richiedono una sorgente di riferimento che serva da standard di luminosità per correggere le distorsioni create dalla turbolenza atmosferica e che dovrebbe essere posizionata a una distanza angolare sufficientemente vicina dalla regione del cielo oggetto di studio. Alcuni sistemi utilizzano come sorgente una "stella artificiale", creata eccitando atomi di sodio ad un'altitudine di 90 km sopra la superficie terrestre con un laser terrestre.

Guarda anche

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Appunti

Letteratura

Vorontsov M. A., Shmalgauzen V. I. Principi di ottica adattiva. - M.: Nauka, 1985.
Vorontsov M. A., Koryabin A. V., Shmalgauzen V. I. Sistemi ottici controllati. - M.: Scienza, 1988.

Collegamenti

Un estratto che caratterizza l'ottica adattiva

Sonya, Natasha, Petya, Anna Mikhailovna, Vera, il vecchio conte, lo abbracciarono; e la gente e le cameriere, riempiendo le stanze, borbottavano e sussultavano.
Petya si appese alle gambe. - E poi io! - egli gridò. Nataša, dopo averlo piegato a sé e averlo baciato per tutto il viso, si allontanò da lui con un salto e, aggrappandosi all'orlo della sua giacca ungherese, saltò tutta insieme come una capra e strillò stridulamente.
Da ogni parte c'erano occhi lucenti di lacrime di gioia, occhi amorevoli, da ogni parte c'erano labbra che cercavano un bacio.
Anche Sonya, rossa come rossa, gli teneva la mano ed era tutta raggiante nello sguardo beato fisso nei suoi occhi, che stava aspettando. Sonya aveva già 16 anni ed era molto bella, soprattutto in quel momento di animazione felice ed entusiasta. Lo guardò senza staccare gli occhi, sorridendo e trattenendo il respiro. La guardò con gratitudine; ma aspettavo e cercavo ancora qualcuno. La vecchia contessa non era ancora uscita. E poi si sentirono dei passi alla porta. I passi sono così veloci che non potrebbero essere quelli di sua madre.
Ma era lei con un vestito nuovo, ancora sconosciuto a lui, cucito senza di lui. Tutti lo lasciarono e lui corse da lei. Quando si incontrarono, lei cadde sul suo petto, singhiozzando. Non poteva alzare il viso e lo premeva solo sulle corde fredde del suo ungherese. Denisov, inosservato da nessuno, entrò nella stanza, rimase proprio lì e, guardandoli, si strofinò gli occhi.
"Vasily Denisov, un amico di tuo figlio", disse presentandosi al conte, che lo guardò con aria interrogativa.
- Benvenuto. Lo so, lo so", disse il conte, baciando e abbracciando Denissov. - Nikolushka ha scritto... Natasha, Vera, eccolo Denisov.
Gli stessi volti felici ed entusiasti si voltarono verso la figura irsuta di Denisov e lo circondarono.
- Caro, Denisov! - Natasha strillò, non ricordandosi di se stessa con gioia, gli saltò incontro, lo abbracciò e lo baciò. Tutti erano imbarazzati dall'azione di Natasha. Anche Denissov arrossì, ma sorrise, prese la mano di Natascia e la baciò.
Denisov fu portato nella stanza preparata per lui, e i Rostov si radunarono tutti sul divano vicino a Nikolushka.
La vecchia contessa, senza lasciargli la mano, che baciava ogni minuto, si sedette accanto a lui; gli altri, affollandosi intorno a loro, colsero ogni suo movimento, parola, sguardo e non staccarono da lui i loro occhi estasiati e amorevoli. Fratello e sorelle litigavano, si prendevano il posto più vicino a lui e litigavano su chi dovesse portargli il tè, la sciarpa o la pipa.
Rostov era molto contento dell'amore che gli era stato mostrato; ma il primo minuto del suo incontro fu così felice che la sua felicità attuale non gli sembrò sufficiente, e continuò ad aspettare qualcos'altro, e altro ancora.
La mattina successiva i visitatori dormirono dalla strada fino alle 10.
Nella stanza precedente c'erano sparpagliate sciabole, borse, carri armati, valigie aperte e stivali sporchi. Le due paia pulite con speroni erano appena state appoggiate al muro. I servi portavano lavandini, acqua calda per radersi e pulivano gli abiti. Odorava di tabacco e di uomini.
- Ehi, G "ishka, t" ubku! – gridò la voce rauca di Vaska Denisov. - Rostov, alzati!
Rostov, stropicciandosi gli occhi abbassati, sollevò la testa confusa dal cuscino caldo.
- Perché è tardi? "È tardi, sono le 10 in punto", rispose la voce di Natasha, e nella stanza accanto si udì il fruscio di vestiti inamidati, il sussurro e le risate delle voci delle ragazze, e qualcosa di blu, nastri, capelli neri e volti allegri balenò attraverso la porta leggermente aperta. Era Natasha con Sonya e Petya, che è venuta a vedere se era sveglio.
- Nikolenka, alzati! – Si udì di nuovo la voce di Natasha alla porta.
- Ora!
In quel momento, Petya, nella prima stanza, vide e afferrò le sciabole e, provando la gioia che provano i ragazzi alla vista di un fratello maggiore bellicoso, e dimenticando che era indecente per le sorelle vedere uomini spogliati, aprì la porta.
- E' questa la tua sciabola? - egli gridò. Le ragazze fecero un salto indietro. Denisov, con gli occhi spaventati, nascose le sue gambe pelose in una coperta, guardando il suo compagno per chiedere aiuto. La porta lasciò passare Petya e si richiuse. Si udì una risata da dietro la porta.
"Nikolenka, vieni fuori in vestaglia", disse la voce di Natasha.
- E' questa la tua sciabola? - chiese Petya, - o è tuo? - Si rivolse al baffuto e nero Denisov con ossequioso rispetto.
Rostov si mise in fretta le scarpe, indossò la vestaglia e uscì. Natasha indossò uno stivale con uno sperone e si arrampicò sull'altro. Sonya stava girando e stava per gonfiare il vestito e sedersi quando lui uscì. Entrambi indossavano gli stessi nuovissimi abiti blu: freschi, rosei, allegri. Sonya scappò e Natasha, prendendo suo fratello per un braccio, lo condusse sul divano e iniziarono a parlare. Non hanno avuto il tempo di interrogarsi e rispondere a domande su migliaia di piccole cose che potevano interessare solo loro. Natasha rideva ad ogni parola che lui diceva e che lei diceva, non perché quello che dicevano fosse divertente, ma perché si stava divertendo e non riusciva a trattenere la sua gioia, che si esprimeva con le risate.
- Oh, che bello, fantastico! – ha condannato tutto. Rostov sentì come, sotto l'influenza dei caldi raggi dell'amore, per la prima volta in un anno e mezzo, sulla sua anima e sul suo viso sbocciò quel sorriso infantile, che non aveva mai sorriso da quando era uscito di casa.
"No, ascolta", disse, "sei completamente un uomo adesso?" Sono terribilmente felice che tu sia mio fratello. “Gli ha toccato i baffi. - Voglio sapere che tipo di uomini siete? Sono come noi? NO?
- Perché Sonya è scappata? - chiese Rostov.
- SÌ. Questa è tutta un'altra storia! Come parlerai con Sonya? Tu o tu?

Università nazionale di ricerca sulle tecnologie dell'informazione, meccanica e ottica di San Pietroburgo

Facoltà di Fotonica e Optoinformatica

Dipartimento di Fotonica Informatica e Videoinformatica

nella disciplina della Teoria dei Sistemi e dell'Analisi dei Sistemi

« REVISIONE ANALITICA DELLE CARATTERISTICHE DEI COMPONENTI MODERNI DEI SISTEMI OTTICI ADATTIVI»

Studente: Romanov I.E.

Gruppo: 4352

Insegnante: Gurov I.P.

San Pietroburgo

Introduzione…………………………….……….2

Sistema ottico adattivo………………………3

Sensori del fronte d’onda……………..………..5

Correttori del fronte d'onda……………….………..9

1) Specchi segmentati............................................ ..............................10

2) Specchi con superficie solida…………...11

2.1) Specchi bimorfi……………….....12

2.2) Specchi a membrana………………….14

3) MOEMS (tecnologia del silicio)………………..………………...14

Conclusione………………………………………..………………...15

Riferimenti………………………………………...16

Ulteriori fonti di informazione………..17

introduzione

L'ottica adattiva (AO) è una branca dell'ottica che si occupa dello sviluppo di sistemi ottici con controllo dinamico della forma del fronte d'onda per compensare disturbi casuali e aumentare il limite di risoluzione degli strumenti di osservazione, il grado di concentrazione della radiazione nel ricevitore o bersaglio. L'ottica adattiva iniziò a svilupparsi intensamente negli anni '50. in connessione con il compito di compensare le distorsioni frontali causate dalla turbolenza atmosferica e di imporre la principale limitazione alla risoluzione dei telescopi terrestri. Successivamente si aggiunsero i problemi della realizzazione di telescopi orbitali e potenti emettitori laser, soggetti ad altri tipi di interferenze.

L'ottica adattiva trova applicazione in vari campi della scienza e della tecnologia. Ad esempio, nella progettazione di telescopi astronomici terrestri, nei sistemi di comunicazione ottica, nella tecnologia laser industriale, in medicina, ecc., dove consente, rispettivamente, di compensare le distorsioni atmosferiche e le aberrazioni dei sistemi ottici, compresi gli elementi ottici dell'occhio umano.

Lo scopo di questo lavoro è studiare i sistemi ottici adattivi, nonché condurre una revisione analitica delle caratteristiche dei loro componenti.

Sistema ottico adattivo

La possibilità di correggere le distorsioni dell'immagine atmosferica utilizzando uno specchio deformabile fu segnalata per la prima volta nel 1953 dall'astronomo americano Horace H.W Babcock. Ha proposto la creazione di uno strumento in grado di misurare le distorsioni atmosferiche dinamiche in tempo reale e di correggerle utilizzando elementi ottici che cambiano forma rapidamente sintonizzabili. Tuttavia, a quel tempo non era possibile realizzare le sue idee a causa della tecnologia limitata.

Il problema principale che può essere risolto da un sistema di ottica adattiva è quello di eliminare i disturbi del fronte d'onda causati da influenze casuali incontrollate. I sistemi più famosi di questo tipo includono:

Nei telescopi terrestri, a causa dell'eterogeneità dell'atmosfera terrestre, la risoluzione di questi sistemi è ridotta.

Sistemi per formare e focalizzare la radiazione laser.

Sistemi di misurazione laser operanti nell'atmosfera.

Sistemi ottici di laser ad alta potenza.

L'implementazione dei sistemi ottici adattivi è determinata dalla gamma specifica di problemi che risolve. Tuttavia, i principi generali per la costruzione di tali sistemi sono gli stessi. Strutturalmente, un sistema ottico adattivo è solitamente costituito da un sensore che misura la distorsione (sensore del fronte d'onda), un correttore del fronte d'onda e un sistema di controllo che comunica tra il sensore e il correttore. Lo schema generale del progetto ottico adattivo è mostrato in Fig. 1. .

Riso. 1. Schema generale di un sistema ottico adattivo

Sensori del fronte d'onda

Il sensore del fronte d'onda (WFS) è uno degli elementi del sistema adattivo per la correzione della radiazione laser. Il suo compito è misurare la curvatura del fronte d'onda e trasmettere queste misurazioni al dispositivo di elaborazione (Fig. 2).

Riso. 2. Immagine di un fronte d'onda distorto ottenuto utilizzando una serie di microlenti.

Le ragioni principali della curvatura del fronte d’onda sono:

Turbolenza atmosferica.

Forme non ideali degli elementi ottici del sistema.

Errori durante la regolazione del sistema, ecc.

Oggi esiste un'ampia varietà di DVF. Tuttavia, il più comune si basa sullo schema Shack-Hartmann (Fig. 3.).

Riso. 3. Tipico circuito del sensore Hartmann

La storia di un tale sensore risale al 1900, quando il fisico e astronomo tedesco Johannes Franz Hartmann decise di utilizzare molte piccole aperture per tracciare il percorso dei singoli raggi luminosi attraverso un grande telescopio, permettendogli di controllare la qualità dell'immagine. Successivamente, negli anni '60, Roland Schuck e Ben Platt modificarono questa tecnologia sostituendo le aperture con lenti multiple (lens raster).

Tale sensore viene spesso utilizzato nei sistemi di correzione del fronte d'onda per i suoi vantaggi. Uno dei principali vantaggi del sensore Shack-Hartmann è la sua capacità di misurare un'ampia gamma di pendenze del fronte d'onda quando la distorsione non può essere misurata con altri metodi (ad esempio, l'interferenza). Un tale sensore può essere utilizzato per determinare le aberrazioni nel profilo di un raggio laser non collimato. Inoltre, ha una bassa sensibilità alle vibrazioni meccaniche e può funzionare con impulsi ad alta potenza e durate di femtosecondi.

Riso. 4. Principio di funzionamento del sensore del fronte d'onda

Quando il fronte d'onda in ingresso è piatto, tutte le immagini sono disposte in una griglia regolare determinata dalla geometria del sistema di lenti. Una volta che il fronte d'onda viene distorto, le immagini vengono spostate dalle loro posizioni nominali. Gli spostamenti dei centroidi dell'immagine in due direzioni ortogonali sono proporzionali alle pendenze medie del fronte d'onda in queste direzioni lungo le sotto-aperture. Pertanto, lo Shack-Hartmann WF (Sh-H WF) misura le pendenze del fronte d'onda. Il fronte d'onda stesso viene ricostruito (ripristinato) da una serie di pendenze misurate precise rispetto a una costante, che non ha alcun ruolo per l'immagine.

Caratteristiche del DWF Shack-Harman:

L'ampiezza delle aberrazioni misurate arriva fino a 15 micron.

Precisione di misurazione - λ/100 (RMS).

Il diametro della radiazione in ingresso è 8...100 mm.

Tuttavia, i WEF Shack-Hartmann presentano uno svantaggio significativo: la diafonia sulle matrici CCD. Si presentano quando un fronte d'onda sufficientemente distorto cade sulla matrice, poiché con forti deviazioni può andare oltre i limiti del suo sottoarray e finire su una matrice vicina. Questo crea un falso punto.

Ma oggi gli errori dovuti alla diafonia vengono eliminati utilizzando algoritmi complessi. Ti consentono di tracciare e visualizzare con precisione la vera posizione dello spot. Lo sviluppo moderno di algoritmi e la precisione di produzione consentono di ampliare il campo di applicazione di questi sensori. Oggi hanno trovato applicazione in vari sistemi di verifica delle immagini.

Correttori del fronte d'onda

Uno specchio adattivo è un elemento attivo esecutivo di un sistema ottico adattivo che presenta una superficie riflettente con profilo deformabile. Gli specchi deformabili sono lo strumento più conveniente per il controllo del fronte d'onda e la correzione delle aberrazioni ottiche.

Principali caratteristiche degli specchi adattivi:

Gamma di movimenti (caratterizzata dalla sensibilità dell'azionamento come parte dello specchio (solitamente la sensibilità è espressa in movimenti superficiali in micrometri quando la tensione di controllo aumenta di 1 V)).

Area di deformazione locale (riflette il numero di gradi di libertà dello specchio (può essere specificata dalla larghezza effettiva della deformazione di un'ampiezza unitaria causata dall'azione di un azionamento; la funzione che descrive questa deformazione è chiamata funzione di risposta) ).

Larghezza di banda di frequenza (determinata dalla velocità dell'azionamento utilizzato (limitata sopra dalle risonanze meccaniche del design dello specchio stesso)).

Strutturalmente, gli specchi adattivi possono essere divisi in due grandi gruppi:

1) Specchi segmentati.

2) Specchi con superficie solida.

Negli specchi segmentati, ogni singola sezione permette di essere spostata e inclinata (o semplicemente spostata). Uno specchio solido subisce deformazioni complesse sotto l'influenza di azionamenti speciali.

La scelta di un design o di un altro è determinata dalle specificità del sistema in cui verrà utilizzato. I principali fattori presi in considerazione in questo caso includono le dimensioni complessive, il peso e la qualità della superficie dello specchio.

Specchi segmentati

Gli specchi segmentati sono costituiti da segmenti singoli e indipendenti di specchi piani. Ciascun segmento può essere spostato per una breve distanza e indietro per regolare il valore medio del fronte d'onda.

Gli specchi adattivi sezionati con movimento traslatorio delle sezioni (Fig. 5, a) consentono di modificare solo le relazioni di fase temporanee tra i segnali delle singole sezioni (la lunghezza del percorso ottico) e gli specchi con movimento e inclinazione delle sezioni (Fig. 5 , b) consentire anche la fase spaziale .

Riso. 5. Specchi adattivi sezionati: a) con movimento traslatorio delle sezioni, b) con movimento e inclinazione delle sezioni

Svantaggi significativi degli specchi sezionati sono la necessità di controllare la posizione di una sezione separata e lo stato della sua superficie, nonché la complessità dell'implementazione di un sistema di stabilizzazione termica per tali specchi.

1) Numero di attuatori - 100 – 1500.

2) Gli spazi tra gli attuatori sono 2-10 mm.

3) La forma degli elettrodi è rettangolare o esagonale.

5) L'ampiezza del movimento è di diversi micron.

6) Frequenza di risonanza: diversi kilohertz.

7) Costo: alto.

Specchi a superficie solida

Gli specchi con azionamenti discreti (Fig. 6.) sono formati sulla superficie anteriore di una sottile membrana deformabile. La forma della piastra è controllata da una serie di attuatori separati fissati alla sua parete posteriore. La forma dello specchio dipende da una combinazione di forze che agiscono sul pannello frontale, dalle condizioni al contorno (come la piastra è fissata allo specchio) e dalla geometria e dal materiale della piastra.

Questi specchi consentono una regolazione fluida del fronte d'onda con un numero molto elevato (fino a diverse migliaia) di gradi di libertà.

Riso. 6. Schema di uno specchio con unità discrete.

Specchi bimorfi

Uno specchio bimorfo (Fig. 7.) è costituito da due piastre piezoelettriche fissate insieme e polarizzate in direzioni opposte (parallele agli assi). Tra queste piastre c'è una serie di elettrodi. Le superfici anteriore e posteriore sono messe a terra. Il lato anteriore dello specchio viene utilizzato come superficie riflettente.

Fig.7. Schema di uno specchio bimorfo.

Nel momento in cui viene applicata la tensione all'elettrodo, una delle piastre viene compressa e quella opposta viene allungata, il che porta alla curvatura locale. La curvatura locale dello specchio è proporzionale alla tensione applicata, quindi questi specchi deformabili sono anche chiamati specchi di curvatura.

Parametri tipici degli specchi deformabili segmentati:

1) Numero di attuatori – 18 - 35

2) Gli spazi tra gli attuatori sono 30-200 mm.

3) La forma degli elettrodi è radiale.

5) Frequenza di risonanza – più di 500 Hz.

6) Costo: moderato.

Specchi a membrana.

La deformazione della membrana di questi specchi è ottenuta grazie all'azione di un campo magnetico. Una serie di magneti è fissata alla membrana direttamente di fronte ai solenoidi. Quando la corrente scorre attraverso i solenoidi, si creano le forze di Laplace che deformano la membrana.

MOEMS (tecnologia del silicio)

MOEMS (Fig. 8.) - sistemi micro-opto-elettro-meccanici. Tali specchi adattivi sono realizzati utilizzando la microlitografia, come i chip elettronici, la deflessione di piccoli elementi dello specchio viene effettuata da forze elettrostatiche. Gli svantaggi del MOEMS sono i movimenti insufficienti e le dimensioni ridotte degli elementi dello specchio.

Fig.8. Principio di funzionamento dello specchio MOEMS

Un altro metodo per controllare la fase della luce è l'uso di cristalli liquidi, come nei monitor, che hanno fino a un milione di elementi controllabili. Fino a poco tempo fa i cristalli liquidi erano molto lenti, ma oggi questa limitazione è stata superata. Anche se lo sfasamento introdotto dai cristalli liquidi rimane molto piccolo e, inoltre, non bisogna dimenticare che dipende dalla lunghezza d'onda.

Conclusione

Dopo aver studiato nel corso di questo lavoro la struttura e le caratteristiche dei componenti dei sistemi ottici adattivi, possiamo concludere che lo sviluppo di nuovi tipi di componenti AOS non si ferma. Nuovi sviluppi nella fotonica e nei materiali ottici stanno rendendo possibile la creazione di componenti di sistemi adattivi più avanzati con prestazioni migliori rispetto ai loro predecessori.

Bibliografia:

Wirth A., Gonsirovsky T. Ottica adattiva: abbinamento alla turbolenza atmosferica // Fotnika, 2007, numero 6, pp. 10 – 15.

Berchenko E.A., Kalinin Yu.A., Kiselev V.Yu., Polynkin M.A. Sensori del fronte d'onda // Sistemi e tecnologie laser-ottici, 2009, pp. 64–69.

A.G. Aleksandrov, V.E. Zavalova, A.V. Kudryashov, A.L. Rukosuev, P.N. Romanov, V.V. Samarkin, Yu.V. Sheldakova, "Shack - Sensore del fronte d'onda Hartmann per la misurazione dei parametri dei laser a stato solido pulsati ad alta potenza", ELETTRONE QUANTISTICO, 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., Specchi deformabili per sistemi laser di potenza e informazione //Laser-ottico sistemi e tecnologie, FSUE "ASTROFISICA NPO", M., 2009, pp. 54–58

Vorontsov M.A., Shmalgauzen V.I., Principi di ottica adattiva, //Mosca, Scienza, (1985), pp. 336.

Vorontsov M.A., Koryabin A.V., Shmalgauzen V.I., Sistemi ottici controllati. //Mosca, Scienza, (1988), p.

Krasheninnikov V. R. Stima dei parametri di trasformazione geometrica delle immagini mediante il metodo del punto fisso / V. R. Krasheninnikov, M. A. Potapov // Riconoscimento di pattern e analisi delle immagini. – 2012. –Vol. 22, n. 2. – P. 303 –317.

Ulteriori fonti di informazione:

Portale laser: http://www.laserportal.ru//

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

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

OTTICA ADATTIVA, branca dell'ottica che si occupa dello sviluppo di metodi e mezzi per controllare la forma del fronte d'onda (WF) al fine di eliminare le distorsioni (aberrazioni) che si verificano quando un fascio luminoso si propaga in un mezzo otticamente disomogeneo (ad esempio , un'atmosfera turbolenta) o a causa di imperfezioni negli elementi del sistema ottico.

Lo scopo della correzione adattativa è aumentare la risoluzione degli strumenti ottici, aumentare la concentrazione della radiazione nel ricevitore, ottenere la focalizzazione più acuta del raggio luminoso sul bersaglio o ottenere una determinata distribuzione dell'intensità della radiazione. La possibilità di utilizzare metodi attivi in ottica cominciò a essere discussa dall'inizio degli anni '50 in connessione con il problema di aumentare la risoluzione dei telescopi terrestri, ma lo sviluppo intensivo dell'ottica adattiva iniziò dopo la creazione di correttori sufficientemente efficaci (specchi controllati) e misuratori WF (sensori). Il sistema adattivo più semplice contiene uno specchio piatto, la cui inclinazione può essere modificata, eliminando così il “jitter” dell'immagine durante l'osservazione in un'atmosfera turbolenta. I sistemi più complessi utilizzano correttori con un gran numero di gradi di libertà per compensare le aberrazioni di ordine superiore. Uno schema tipico per organizzare il controllo in un sistema adattivo (figura) si basa sul principio del feedback. Dopo il correttore, parte del flusso luminoso si dirama e va al sensore WF, dove vengono misurate le aberrazioni residue. Queste informazioni vengono utilizzate per generare segnali nell'unità di controllo che influenzano il correttore e riducono le aberrazioni residue. Diventano minimi e la qualità dell'immagine migliora.

Esistono sistemi che non richiedono l'uso di sensori VF. In questo caso, la minimizzazione delle distorsioni viene effettuata introducendo deliberatamente disturbi di prova nel WF (metodo di sondaggio dell'apertura). Successivamente nell'unità di controllo viene analizzata l'influenza dei disturbi di prova sulla qualità del funzionamento del sistema, dopodiché vengono generati segnali di controllo che ottimizzano la WF. I sistemi di rilevamento dell'apertura richiedono molto tempo per impostare il correttore, poiché il processo viene ripetuto più volte per ridurre notevolmente la distorsione.

L'efficacia di un sistema ottico adattivo è in gran parte determinata dalla perfezione del correttore utilizzato. Inizialmente venivano utilizzati principalmente specchi compositi (segmentati), costituiti da diversi segmenti che potevano essere spostati l'uno rispetto all'altro utilizzando attuatori piezoelettrici o in altro modo. Successivamente si diffusero gli specchi flessibili (“a membrana”) con una superficie continuamente deformabile. All’inizio del 21° secolo, la tecnica per correggere la FV era notevolmente migliorata. Oltre a specchi controllati di vario tipo, vengono utilizzati modulatori di fase a cristalli liquidi, che possono funzionare sia in riflessione (come gli specchi) che in trasmissione. Numerosi progetti consentono la loro miniaturizzazione e la creazione di dispositivi integrati in un'unica unità con elettronica di controllo, il che consente di creare sistemi adattivi compatti e relativamente economici. Tuttavia, nonostante lo sviluppo di una nuova generazione di correttori di fase, gli specchi flessibili tradizionali mantengono la loro importanza grazie alle basse perdite di flusso luminoso e al design relativamente semplice. Nei sistemi laser vengono utilizzati anche metodi di correzione della distorsione ottica non lineare basati sul fenomeno dell'inversione del fronte d'onda. Questo approccio è talvolta chiamato ottica adattiva non lineare.

Lett.: Vorontsov M. A., Shmalgauzen V. I. Principi di ottica adattiva. M., 1985; Taranenko V. G., Shanin O. I. Ottica adattiva. M., 1990; Lukin V.P., Fortes B.V. Formazione adattiva di raggi e immagini nell'atmosfera. Novosibirsk, 1999.

V. I. Shmalgauzen.

In un ambiente eterogeneo, utilizzando elementi ottici controllati. I compiti principali dell'ottica adattiva sono l'aumento del limite di risoluzione degli strumenti di osservazione, la concentrazione della radiazione ottica sul ricevitore o bersaglio, ecc.

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Strutturalmente, un sistema ottico adattivo è solitamente costituito da un sensore che misura la distorsione (sensore del fronte d'onda), un correttore del fronte d'onda e un sistema di controllo che comunica tra il sensore e il correttore.

Sensori del fronte d'onda

Esistono diversi metodi che consentono sia la valutazione qualitativa che la misurazione quantitativa del profilo del fronte d'onda. I sensori più popolari attualmente sono il tipo ad interferenza e il tipo Shack-Hartmann.
Il funzionamento dei sensori di interferenza si basa sulla somma coerente di due onde luminose e sulla formazione di una figura di interferenza con un'intensità dipendente dal fronte d'onda misurato. In questo caso, un'onda ottenuta dalla radiazione in esame mediante filtraggio spaziale può essere utilizzata come seconda onda luminosa (di riferimento).
Un sensore di tipo Shack-Hartmann è costituito da una serie di microlenti e un fotorilevatore situato nel loro piano focale. Ciascuna lente misura in genere 1 mm o meno. Le lenti del sensore dividono il fronte d'onda studiato in sottoaperture (l'apertura di una microlente), formando un insieme di punti focali sul piano focale. La posizione di ciascuno spot dipende dall'inclinazione locale del fronte d'onda del fascio che arriva all'ingresso del sensore. Misurando gli spostamenti trasversali delle macchie focali, è possibile calcolare gli angoli medi di inclinazione del fronte d'onda all'interno di ciascuna sottoapertura. Da questi valori viene calcolato il profilo del fronte d'onda sull'intera apertura del sensore.

Correttori del fronte d'onda

Specchio adattivo (deformabile). (Inglese)è lo strumento più popolare per il controllo del fronte d'onda e la correzione dell'aberrazione ottica. L'idea della correzione del fronte d'onda con uno specchio composito fu proposta da V.P. Linnik nel 1957. La possibilità di creare un tale sistema è apparsa dalla metà degli anni '90 in relazione allo sviluppo della tecnologia e alla possibilità di un controllo e monitoraggio computerizzato preciso.
In particolare si sono diffusi gli specchi unimorfi (semi-passivi-bimorfi). Tale specchio è costituito da una piastra sottile di materiale piezoelettrico, sulla quale sono disposti in modo speciale gli elettrodi. La piastra è fissata ad un substrato, sulla cui superficie frontale è formata una superficie ottica. Quando viene applicata tensione agli elettrodi, la piastra piezoelettrica si contrae (o si espande), provocando la curvatura della superficie ottica dello specchio. La speciale disposizione spaziale degli elettrodi consente la formazione di rilievi superficiali complessi.
La velocità di controllo della forma dello specchio adattivo ne consente l'utilizzo per compensare le aberrazioni dinamiche in tempo reale.
Nelle applicazioni astronomiche, i sistemi di ottica adattiva richiedono una sorgente di riferimento che serva da standard di luminosità per correggere le distorsioni create dalla turbolenza atmosferica e che dovrebbe essere posizionata a una distanza angolare sufficientemente vicina dalla regione del cielo oggetto di studio. Alcuni sistemi utilizzano come sorgente una "stella artificiale", creata eccitando atomi di sodio ad un'altitudine di 90 km sopra la superficie terrestre con un laser terrestre.