Adaptieve optica: hoe zie je de sterren aan de hemel? Adaptieve optica - geschiedenis van de laser Implementatie van adaptieve optica

Sectie voorbereid door Nikolay Nosyrev en Oleg Vilkov

Adaptieve optica(AO) - een tak van de optica die zich bezighoudt met de ontwikkeling van optische systemen met dynamische controle van de vorm van het golffront om willekeurige verstoringen te compenseren en de resolutielimiet van observatie-instrumenten te verhogen, de mate van stralingsconcentratie bij de ontvanger of het doel.

Het belangrijkste probleem dat kan worden opgelost door een adaptief optisch systeem is het elimineren van golffrontverstoringen veroorzaakt door ongecontroleerde willekeurige invloeden. De bekendste systemen van dit type zijn onder meer:

· telescopen op de grond: vanwege de heterogeniteit van de atmosfeer van de aarde wordt de resolutie van deze systemen verlaagd

systemen voor het vormen en focusseren van laserstraling

lasermeetsystemen die in de atmosfeer werken

· optische systemen van lasers met hoog vermogen.

Er zijn systemen met een uitgaande golf, waarbij het golffront van de lichtbron wordt gecorrigeerd, en systemen met een ontvangen golf, waarbij het lichtveld afkomstig van het waargenomen object wordt gecorrigeerd. Beide kunnen op hun beurt worden geïmplementeerd volgens de principes van faseconjugatie en diafragmadetectie.

In een faseconjugatiesysteem wordt een lichtstraal gereflecteerd door een klein gebied van een object (doel), waardoor een bolvormige golf ontstaat die terugreist langs het lichtpad en dezelfde vervormingen ondergaat als de uitgezonden golf. De binnenkomende gereflecteerde golf komt de golffrontsensor binnen, waar vervormingen op het pad worden gedetecteerd. Het gegevensverwerkingsapparaat berekent de noodzakelijke golffrontcorrectie, die wordt uitgevoerd door het golffrontbeïnvloedingsapparaat.

Het principe van apertuurdetectie is gebaseerd op de mogelijkheid om testverstoringen in het golffront te introduceren, die worden omgezet in amplitudeverstoringen van het signaal. Door veranderingen in de intensiteit van het door het doel gereflecteerde licht te analyseren, wordt een conclusie getrokken over het teken van de faseverandering en wordt het golffront vervormd totdat de scherpstelling op het object is geoptimaliseerd.

Ontvangen golfsystemen werken op een vergelijkbare manier. Bij fasekoppelingssystemen wordt een deel van het ontvangen licht met een vervormd golffront naar een golffrontsensor geleid. De verkregen informatie wordt gebruikt om een compenserend effect op het ontvangen golffront te creëren. Als gevolg hiervan wordt bij de ontvanger idealiter een beeld gevormd dat alleen wordt beperkt door diffractie.

Bij apertuurdetectiesystemen worden teststoringen in het ontvangen golffront geïntroduceerd en wordt hun invloed beoordeeld met behulp van een ontvanger die in het beeldvlak is geplaatst.

observatieapparatuur, concentratie van optische straling bij de ontvanger of het doel, enz.

Adaptieve optica wordt gebruikt bij het ontwerp van astronomische telescopen op de grond, in optische communicatiesystemen, in industriële lasertechnologie, in de oogheelkunde, enz., waar het respectievelijk de atmosferische vervormingen en aberraties van optische systemen, inclusief de optische systemen, kan compenseren. elementen van het menselijk oog.

Adaptief optisch systeem

Structureel gezien bestaat een adaptief optisch systeem meestal uit een sensor die vervorming meet (golffrontsensor), een golffrontcorrector en een regelsysteem dat communiceert tussen de sensor en de corrector.

Golffront-sensoren

Er zijn verschillende methoden die zowel kwalitatieve beoordeling als kwantitatieve meting van het golffrontprofiel mogelijk maken. De meest populaire sensoren op dit moment zijn het interferentietype en het Shack-Hartmann-type.

De werking van interferentiesensoren is gebaseerd op de coherente optelling van twee lichtgolven en de vorming van een interferentiepatroon met een intensiteit afhankelijk van het gemeten golffront. In dit geval kan een golf die door ruimtelijke filtering uit de onderzochte straling wordt verkregen, worden gebruikt als een tweede (referentie)lichtgolf.

Een sensor van het Shack-Hartmann-type bestaat uit een reeks microlenzen en een fotodetector die zich in hun brandpuntsvlak bevindt. Elke lens meet doorgaans 1 mm of minder. De sensorlenzen verdelen het bestudeerde golffront in subopeningen (de opening van één microlens) en vormen een reeks brandpunten in het brandpuntsvlak. De positie van elke vlek hangt af van de lokale helling van het golffront van de straal die bij de sensoringang aankomt. Door de transversale verplaatsingen van de brandpunten te meten, is het mogelijk de gemiddelde hellingshoeken van het golffront binnen elk van de subopeningen te berekenen. Uit deze waarden wordt het golffrontprofiel berekend over de gehele sensoropening.

Wavefront-correctors

Adaptieve (vervormbare) spiegel ( Engels) is het populairste hulpmiddel voor golffrontcontrole en optische aberratiecorrectie. Het idee van golffrontcorrectie met een composietspiegel werd in 1957 voorgesteld door V.P. Linnik. De mogelijkheid om een dergelijk systeem te creëren is sinds het midden van de jaren negentig ontstaan in verband met de ontwikkeling van de technologie en de mogelijkheid van nauwkeurige computerbesturing en -monitoring.

Met name unimorfe (semi-passieve-bimorfe) spiegels zijn wijdverspreid geworden. Zo'n spiegel bestaat uit een dunne plaat van piëzo-elektrisch materiaal, waarop op een speciale manier elektroden zijn aangebracht. De plaat is bevestigd aan een substraat, op het vooroppervlak waarvan een optisch oppervlak is gevormd. Wanneer er spanning op de elektroden wordt gezet, trekt de piëzo-elektrische plaat samen (of zet uit), waardoor het optische oppervlak van de spiegel buigt. De speciale ruimtelijke opstelling van de elektroden maakt de vorming van complexe oppervlaktereliëfs mogelijk.

Dankzij de snelheid waarmee de vorm van de adaptieve spiegel wordt geregeld, kan deze worden gebruikt om dynamische aberraties in realtime te compenseren.

In astronomische toepassingen vereisen adaptieve optische systemen een referentiebron die zou kunnen dienen als helderheidsstandaard om vervormingen veroorzaakt door atmosferische turbulentie te corrigeren, en deze zou zich op een voldoende korte hoekafstand van het te bestuderen hemelgebied moeten bevinden. Sommige systemen gebruiken als zodanig een ‘kunstmatige ster’, gecreëerd door natriumatomen op een hoogte van 90 km boven het aardoppervlak op te wekken met een laser op de grond.

zie ook

Schrijf een recensie over het artikel "Adaptieve optica"

Opmerkingen

Literatuur

Vorontsov M.A., Shmalgauzen V.I. Principes van adaptieve optica. - M.: Wetenschap, 1985.
Vorontsov M.A., Koryabin A.V., Shmalgauzen V.I. Gecontroleerde optische systemen. - M.: Nauka, 1988.

Koppelingen

Een fragment dat Adaptive Optics kenmerkt

Sonya, Natasha, Petya, Anna Mikhailovna, Vera, de oude graaf, omhelsden hem; en mensen en dienstmeisjes, die de kamers vulden, mompelden en snakten naar adem.
Petya hing aan zijn benen. - En dan ik! - hij schreeuwde. Natasha, nadat ze hem naar zich toe had gebogen en zijn hele gezicht had gekust, sprong van hem weg en hield de zoom van zijn Hongaarse jasje vast, sprong als een geit op één plek en gilde schel.
Aan alle kanten waren er ogen die glinsterden van tranen van vreugde, liefdevolle ogen, aan alle kanten waren er lippen die een kus zochten.
Sonya, rood als rood, hield ook zijn hand vast en straalde helemaal in de gelukzalige blik op zijn ogen, waar ze op wachtte. Sonya was al 16 jaar oud en ze was erg mooi, vooral op dit moment van vrolijke, enthousiaste animatie. Ze keek hem aan zonder haar ogen af te wenden, glimlachend en haar adem inhoudend. Hij keek haar dankbaar aan; maar wachtte nog steeds en zocht iemand. De oude gravin was nog niet naar buiten gekomen. En toen klonken er stappen bij de deur. De stappen zijn zo snel dat ze niet van zijn moeder kunnen zijn.
Maar zij was het in een nieuwe jurk, die hem nog steeds onbekend was, zonder hem genaaid. Iedereen verliet hem en hij rende naar haar toe. Toen ze bij elkaar kwamen, viel ze snikkend op zijn borst. Ze kon haar gezicht niet opheffen en drukte het alleen tegen de koude snaren van zijn Hongaar. Denisov kwam, onopgemerkt door iemand, de kamer binnen, bleef daar staan en keek naar hen en wreef in zijn ogen.
'Vasily Denisov, een vriend van je zoon,' zei hij, terwijl hij zich voorstelde aan de graaf, die hem vragend aankeek.
- Welkom. Ik weet het, ik weet het,' zei de graaf, terwijl hij Denisov kuste en omhelsde. - Nikolushka schreef... Natasha, Vera, hier is hij Denisov.
Dezelfde blije, enthousiaste gezichten wendden zich tot de ruige figuur van Denisov en omringden hem.
- Lieveling, Denisov! - Natasha gilde, zonder zich van vreugde aan zichzelf te herinneren, sprong naar hem toe, omhelsde en kuste hem. Iedereen schaamde zich voor de actie van Natasha. Denisov bloosde ook, maar glimlachte en pakte Natasha's hand en kuste die.
Denisov werd naar de kamer gebracht die voor hem was voorbereid, en de Rostovs verzamelden zich allemaal op de bank naast Nikolushka.
De oude gravin ging naast hem zitten, zonder zijn hand los te laten, die ze elke minuut kuste; de rest, die zich om hen heen verdrongen, ving al zijn bewegingen, woorden en blikken op en wendden hun meeslepend liefhebbende ogen niet van hem af. De broer en zussen maakten ruzie en pakten elkaars plaatsen dichter bij hem, en vochten over wie hem thee, een sjaal en een pijp moest brengen.
Rostov was erg blij met de liefde die hem werd getoond; maar de eerste minuut van zijn ontmoeting was zo gelukzalig dat zijn huidige geluk hem niet genoeg leek, en hij bleef wachten op iets anders, en meer, en meer.
De volgende ochtend sliepen de bezoekers tot 10 uur vanaf de weg.
In de vorige kamer lagen verspreide sabels, tassen, tanks, open koffers en vuile laarzen. De schoongemaakte twee koppels met sporen waren zojuist tegen de muur geplaatst. Bedienden brachten wastafels, heet water om te scheren en maakten jurken schoon. Het rook naar tabak en mannen.
- Hé, G'ishka, t'ubku! – De hese stem van Vaska Denisov schreeuwde. - Rostov, sta op!
Rostov wreef over zijn hangende ogen en tilde zijn verwarde hoofd op van het hete kussen.
- Waarom is het laat? "Het is laat, het is 10 uur", antwoordde Natasha's stem, en in de kamer ernaast klonk het geritsel van gesteven jurken, het gefluister en gelach van meisjesstemmen, en er flitste iets blauws door, linten, zwart haar en vrolijke gezichten de iets openstaande deur. Het was Natasha met Sonya en Petya, die kwamen kijken of hij wakker was.
- Nikolenka, sta op! – Natasha’s stem werd opnieuw gehoord aan de deur.
- Nu!
Op dat moment zag en pakte Petya in de eerste kamer de sabels, en ervoer de vreugde die jongens ervaren bij het zien van een oorlogszuchtige oudere broer, en vergetend dat het onfatsoenlijk was voor zusters om ongeklede mannen te zien, opende de deur.
- Is dit je sabel? - hij schreeuwde. De meisjes sprongen achteruit. Denisov verborg met bange ogen zijn harige benen in een deken en keek om hulp naar zijn kameraad. De deur liet Petya door en ging weer dicht. Achter de deur klonk gelach.
'Nikolenka, kom naar buiten in je kamerjas,' zei Natasha's stem.
- Is dit je sabel? - vroeg Petya, - of is het van jou? - Hij sprak de besnorde, zwarte Denisov met onderdanig respect aan.
Rostov trok haastig zijn schoenen aan, trok zijn gewaad aan en ging naar buiten. Natasha trok met een spoor de ene laars aan en klom in de andere. Sonya draaide zich om en stond op het punt haar jurk op te blazen en te gaan zitten toen hij naar buiten kwam. Beiden droegen dezelfde gloednieuwe blauwe jurken: fris, roze, vrolijk. Sonya rende weg en Natasha nam haar broer bij de arm, leidde hem naar de bank en ze begonnen te praten. Ze hadden geen tijd om elkaar vragen te stellen en vragen te beantwoorden over duizenden kleine dingen die hen alleen alleen konden interesseren. Natasha lachte om elk woord dat hij zei en dat zij zei, niet omdat wat ze zeiden grappig was, maar omdat ze plezier had en haar vreugde, die tot uiting kwam in het lachen, niet kon bedwingen.
- Oh, wat goed, geweldig! – ze veroordeelde alles. Rostov voelde hoe, onder invloed van de hete stralen van liefde, voor het eerst in anderhalf jaar die kinderlijke glimlach opbloeide op zijn ziel en gezicht, die hij nooit meer had geglimlacht sinds hij het huis verliet.
‘Nee, luister,’ zei ze, ‘ben je nu helemaal een man?’ Ik ben ontzettend blij dat jij mijn broer bent. 'Ze raakte zijn snor aan. - Ik wil weten wat voor soort mannen jullie zijn? Zijn ze zoals wij? Nee?
- Waarom is Sonya weggelopen? - vroeg Rostov.
- Ja. Dat is nog een heel verhaal! Hoe ga je met Sonya praten? Jij of jij?

St. Petersburg Nationale Onderzoeksuniversiteit voor Informatietechnologie, Mechanica en Optica

Faculteit Fotonica en Opto-informatica

Afdeling Computerfotonica en Video-informatica

in de discipline Systeemtheorie en Systeemanalyse

« ANALYTISCH ONDERZOEK VAN KENMERKEN VAN MODERNE COMPONENTEN VAN ADAPTIEVE OPTISCHE SYSTEMEN»

Student: Romanov I.E.

Groep: 4352

Docent: Gurov I.P.

Sint Petersburg

Inleiding…………………………………………………….………………….2

Adaptief optisch systeem.............................................................................3

Golffrontsensoren……………………………………..………..5

Golffrontcorrectoren…………………………………….………..9

1) Gesegmenteerde spiegels .............................................. .............. ..............10

2) Spiegels met een stevig oppervlak.............................11

2.1) Bimorfe spiegels.............................12

2.2) Membraanspiegels……………………..………………….14

3) MOEMS (siliciumtechnologie)…………..…………...14

Conclusie……………………………………………………..…………...15

Referenties……………………………………………...16

Aanvullende informatiebronnen……………………………..17

Invoering

Adaptieve optica (AO) is een tak van de optica die zich bezighoudt met de ontwikkeling van optische systemen met dynamische controle van de vorm van het golffront om willekeurige verstoringen te compenseren en de resolutielimiet van observatie-instrumenten, de mate van stralingsconcentratie bij de ontvanger of het doel, te verhogen. Adaptieve optica begon zich in de jaren vijftig intensief te ontwikkelen. in verband met de taak om frontvervormingen veroorzaakt door atmosferische turbulentie te compenseren en de belangrijkste beperking op te leggen aan de resolutie van telescopen op de grond. Later werden hieraan de problemen toegevoegd van het creëren van orbitale telescopen en krachtige laserzenders, onderhevig aan andere soorten interferentie.

Adaptieve optica vindt toepassing op verschillende gebieden van wetenschap en technologie. Bijvoorbeeld bij het ontwerp van astronomische telescopen op de grond, in optische communicatiesystemen, in industriële lasertechnologie, in de geneeskunde, enz., waar het respectievelijk mogelijk maakt om atmosferische vervormingen en aberraties van optische systemen, inclusief de optische elementen, te compenseren. van het menselijk oog.

Het doel van dit werk is om adaptieve optische systemen te bestuderen en een analytische beoordeling uit te voeren van de kenmerken van hun componenten.

Adaptief optisch systeem

De mogelijkheid om atmosferische beeldvervormingen te corrigeren met behulp van een vervormbare spiegel werd voor het eerst opgemerkt in 1953 door de Amerikaanse astronoom Horace H.W. Babcock. Hij stelde de creatie voor van een instrument dat dynamische atmosferische vervormingen in realtime zou meten en deze zou corrigeren met behulp van snel afstembare, vormveranderende optische elementen. Vanwege de beperkte technologie was het destijds echter niet mogelijk zijn ideeën te implementeren.

Op de grond gebaseerde telescopen worden vanwege de heterogeniteit van de atmosfeer van de aarde de resolutie van deze systemen verlaagd.

Systemen voor het vormen en focusseren van laserstraling.

Lasermeetsystemen die in de atmosfeer werken.

Optische systemen van krachtige lasers.

De implementatie van adaptieve optische systemen wordt bepaald door de specifieke reeks problemen die ermee worden opgelost. De algemene principes voor het construeren van dergelijke systemen zijn echter hetzelfde. Structureel gezien bestaat een adaptief optisch systeem meestal uit een sensor die vervorming meet (golffrontsensor), een golffrontcorrector en een regelsysteem dat communiceert tussen de sensor en de corrector. Het algemene diagram van het adaptieve optische ontwerp wordt getoond in Fig. 1. .

Rijst. 1. Algemeen diagram van een adaptief optisch systeem

Golffront-sensoren

De golffrontsensor (WFS) is een van de elementen van het adaptieve systeem voor het corrigeren van laserstraling. Zijn taak is om de kromming van het golffront te meten en deze metingen naar het verwerkingsapparaat te verzenden (figuur 2).

Rijst. 2. Afbeelding van een vervormd golffront verkregen met behulp van een microlensmatrix.

De belangrijkste redenen voor golffrontkromming zijn:

Atmosferische turbulentie.

Niet-ideale vormen van de optische elementen van het systeem.

Fouten bij het afstellen van het systeem etc.

Tegenwoordig is er een grote verscheidenheid aan DVF's. De meest voorkomende is echter gebaseerd op het Shack-Hartmann-schema (Fig. 3).

Rijst. 3. Typisch Hartmann-sensorcircuit

De geschiedenis van een dergelijke sensor gaat terug tot de twintigste eeuw, toen de Duitse natuurkundige en astronoom Johannes Franz Hartmann besloot veel kleine openingen te gebruiken om het pad van individuele lichtstralen door een grote telescoop te volgen, waardoor hij de kwaliteit van het beeld kon controleren. Later, in de jaren zestig, hebben Roland Schuck en Ben Platt deze technologie aangepast door de openingen te vervangen door meerdere lenzen (lensraster).

Een dergelijke sensor wordt vanwege zijn voordelen het vaakst gebruikt in golffrontcorrectiesystemen. Een van de belangrijkste voordelen van de Shack-Hartmann-sensor is het vermogen om een breed scala aan golffronthellingen te meten wanneer vervorming niet met andere methoden kan worden gemeten (bijvoorbeeld interferentie). Met een dergelijke sensor kunnen afwijkingen in het profiel van een niet-gecollimeerde laserbundel worden vastgesteld. Bovendien heeft het een lage gevoeligheid voor mechanische trillingen en kan het werken met krachtige pulsen en femtosecondenduur.

Rijst. 4. Werkingsprincipe van de golffrontsensor

Wanneer het binnenkomende golffront vlak is, worden alle beelden gerangschikt in een regelmatig raster dat wordt bepaald door de geometrie van de lenzenreeks. Zodra het golffront is vervormd, worden de beelden uit hun nominale posities verplaatst. De verplaatsingen van de beeldzwaartepunten in twee orthogonale richtingen zijn evenredig met de gemiddelde golffronthellingen in deze richtingen langs de subopeningen. Zo meet de Shack-Hartmann WF (Sh-H WF) de hellingen van het golffront. Het golffront zelf wordt gereconstrueerd (hersteld) uit een reeks gemeten hellingen die nauwkeurig zijn tot op een constante, wat geen rol speelt voor het beeld.

Kenmerken van de Shack-Harman DWF:

De amplitude van gemeten aberraties bedraagt maximaal 15 micron.

Meetnauwkeurigheid - λ/100 (RMS).

De diameter van de ingangsstraling is 8...100 mm.

Shack-Hartmann WEF's hebben echter één belangrijk nadeel: overspraak op CCD-matrices. Ze ontstaan wanneer een voldoende vervormd golffront op de matrix valt, omdat het bij sterke afwijkingen de grenzen van zijn subarray kan overschrijden en op een aangrenzende matrix terecht kan komen. Hierdoor ontstaat een valse plek.

Maar tegenwoordig worden fouten als gevolg van overspraak geëlimineerd met behulp van complexe algoritmen. Hiermee kunt u de ware locatie van de plek nauwkeurig volgen en weergeven. Moderne ontwikkeling van algoritmen en productieprecisie maken het mogelijk om het toepassingsgebied van deze sensoren uit te breiden. Tegenwoordig hebben ze toepassing gevonden in verschillende beeldverificatiesystemen.

Wavefront-correctoren

Een adaptieve spiegel is een uitvoerend actief element van een adaptief optisch systeem dat een reflecterend oppervlak heeft met een vervormbaar profiel. Vervormbare spiegels zijn het handigste hulpmiddel voor golffrontcontrole en correctie van optische aberraties.

Belangrijkste kenmerken van adaptieve spiegels:

Bewegingsbereik (gekenmerkt door de gevoeligheid van de aandrijving als onderdeel van de spiegel (meestal wordt de gevoeligheid uitgedrukt in oppervlaktebewegingen in micrometers wanneer de stuurspanning met 1 V toeneemt)).

Gebied van lokale vervorming (weerspiegelt het aantal vrijheidsgraden van de spiegel (kan worden gespecificeerd door de effectieve vervormingsbreedte van een eenheidsamplitude veroorzaakt door de actie van één aandrijving; de functie die deze vervorming beschrijft, wordt de responsfunctie genoemd) ).

Frequentiebandbreedte (bepaald door de snelheid van de gebruikte schijf (hierboven beperkt door mechanische resonanties van het spiegelontwerp zelf)).

Structureel kunnen adaptieve spiegels in twee grote groepen worden verdeeld:

1) Gesegmenteerde spiegels.

2) Spiegels met een stevig oppervlak.

Bij gesegmenteerde spiegels kan elk afzonderlijk deel worden verplaatst en gekanteld (of gewoon worden verplaatst). Een massieve spiegel ondergaat complexe vervormingen onder invloed van speciale aandrijvingen.

De keuze voor het ene of het andere ontwerp wordt bepaald door de specifieke kenmerken van het systeem waarin het zal worden gebruikt. De belangrijkste factoren waarmee in dit geval rekening wordt gehouden, zijn de totale grootte, het gewicht en de kwaliteit van het spiegeloppervlak.

Gesegmenteerde spiegels

Gesegmenteerde spiegels bestaan uit individuele, onafhankelijke segmenten van platte spiegels. Elk segment kan over een korte afstand heen en weer worden verplaatst om de gemiddelde golffrontwaarde aan te passen.

Met gesegmenteerde adaptieve spiegels met translatiebeweging van secties (Fig. 5, a) kunt u alleen de tijdelijke faserelaties tussen signalen van individuele secties (de lengte van het optische pad) veranderen, en spiegels met beweging en kanteling van secties (Fig. 5). , b) laat ook de ruimtelijke fase toe.

Rijst. 5. Gesegmenteerde adaptieve spiegels: a) met translatiebeweging van secties, b) met beweging en kanteling van secties

Aanzienlijke nadelen van in secties verdeelde spiegels zijn de noodzaak om de positie van een afzonderlijke sectie en de toestand van het oppervlak ervan te controleren, evenals de complexiteit van het implementeren van een thermisch stabilisatiesysteem voor dergelijke spiegels.

1) Aantal aandrijvingen - 100 – 1500.

2) De openingen tussen de actuatoren bedragen 2-10 mm.

3) De vorm van de elektroden is rechthoekig of zeshoekig.

5) De bewegingsamplitude bedraagt enkele microns.

6) Resonantiefrequentie - enkele kilohertz.

7) Kosten - hoog.

Spiegels met massief oppervlak

Spiegels met discrete aandrijvingen (Fig. 6.) worden gevormd op het vooroppervlak van een dun vervormbaar membraan. De vorm van de plaat wordt bepaald door een reeks afzonderlijke actuatoren die aan de achterwand zijn bevestigd. De vorm van de spiegel hangt af van een combinatie van krachten die op het voorpaneel inwerken, randvoorwaarden (hoe de plaat aan de spiegel is bevestigd) en de geometrie en het materiaal van de plaat.

Deze spiegels maken een soepele aanpassing van het golffront mogelijk met een zeer groot aantal (tot enkele duizenden) vrijheidsgraden.

Rijst. 6. Diagram van een spiegel met discrete aandrijvingen.

Bimorfe spiegels

Een bimorfe spiegel (Fig. 7.) bestaat uit twee piëzo-elektrische platen, die aan elkaar zijn bevestigd en in tegengestelde richtingen zijn gepolariseerd (parallel aan de assen). Tussen deze platen bevindt zich een reeks elektroden. De voor- en achterkant zijn geaard. De voorkant van de spiegel wordt gebruikt als reflecterend oppervlak.

Afb.7. Schematische weergave van een bimorfe spiegel.

Op het moment dat er spanning op de elektrode wordt gezet, wordt een van de platen samengedrukt en de tegenovergestelde uitgerekt, wat tot lokale kromming leidt. De lokale kromming van de spiegel is evenredig met de aangelegde spanning, daarom worden deze vervormbare spiegels ook wel krommingsspiegels genoemd.

Typische parameters van gesegmenteerde vervormbare spiegels:

1) Aantal aandrijvingen – 18 - 35

2) De openingen tussen de aandrijvingen bedragen 30-200 mm.

3) De vorm van de elektroden is radiaal.

5) Resonantiefrequentie – meer dan 500 Hz.

6) Kosten - gematigd.

Membraan spiegels.

De vervorming van het membraan van deze spiegels wordt bereikt door de werking van een magnetisch veld. Direct tegenover de elektromagneten is een set magneten aan het membraan bevestigd. Wanneer er stroom door de solenoïden vloeit, ontstaan er Laplace-krachten, die het membraan vervormen.

MOEMS (siliciumtechnologie)

MOEMS (Fig. 8.) - micro-opto-elektromechanische systemen. Dergelijke adaptieve spiegels worden gemaakt met behulp van microlithografie, zoals elektronische chips, de afbuiging van kleine spiegelelementen wordt uitgevoerd door elektrostatische krachten. De nadelen van MOEMS zijn onvoldoende bewegingen en kleine afmetingen van de spiegelelementen.

Afb.8. Werkingsprincipe van MOEMS-spiegel

Een andere methode om de lichtfase te controleren is het gebruik van vloeibare kristallen, zoals in monitoren, die tot een miljoen bestuurbare elementen bevatten. Tot voor kort waren vloeibare kristallen erg langzaam, maar deze beperking is nu overwonnen. Al blijft de door vloeibare kristallen geïntroduceerde faseverschuiving erg klein en mogen we bovendien niet vergeten dat deze afhankelijk is van de golflengte.

Conclusie

Na in de loop van dit werk de structuur en kenmerken van de componenten van adaptieve optische systemen te hebben bestudeerd, kunnen we concluderen dat de ontwikkeling van nieuwe typen AOS-componenten niet stilstaat. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van fotonica en optische materialen maken het mogelijk geavanceerdere adaptieve systeemcomponenten te creëren met betere prestaties dan hun voorgangers.

Bibliografie:

Wirth A., Gonsirovsky T. Adaptieve optica: bijpassende atmosferische turbulentie // Fotnika, 2007, nummer 6, pp. 10 – 15.

Berchenko EA, Kalinin Yu.A., Kiselev V.Yu., Polynkin MA Golffrontsensoren // Laseroptische systemen en technologieën, 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 - Hartmann golffrontsensor voor het meten van de parameters van krachtige gepulseerde vastestoflasers", QUANTUM-ELEKTRON, 2010, 40 (4), 321–326.

Alikhanov AN, Berchenko EA, Kiselev V.Yu., Kuleshov VN, Kurchanov M.S., Narusbek EA, Otsechkin AG, Prilepsky B.V., Son V.G., Filatov A.S., Vervormbare spiegels voor kracht- en informatielasersystemen //Laser-optisch systemen en technologieën, FSUE "NPO ASTROPHYSICS", M., 2009, pp. 54-58

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

Vorontsov MA, Koryabin AV, Shmalgauzen VI, gecontroleerde optische systemen. //Moskou, Science, (1988), blz. 275.

Krasheninnikov VR Schatting van parameters van geometrische transformatie van afbeeldingen met behulp van een vaste-puntmethode / V. R. Krasheninnikov, M. A. Potapov // Patroonherkenning en beeldanalyse. – 2012. – Vol. 22, nr. 2. – Blz. 303 –317.

Aanvullende informatiebronnen:

Laserportaal: 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

ADAPTIVE OPTICS, een tak van de optica die zich bezighoudt met de ontwikkeling van methoden en middelen voor het controleren van de vorm van het golffront (WF) om vervormingen (aberraties) te elimineren die optreden wanneer een lichtstraal zich voortplant in een optisch inhomogeen medium (bijvoorbeeld een turbulente atmosfeer) of als gevolg van onvolkomenheden in de elementen van het optische systeem.

Het doel van adaptieve correctie is het vergroten van de resolutie van optische instrumenten, het verhogen van de stralingsconcentratie bij de ontvanger, het bereiken van de meest acute focussering van de lichtbundel op het doel, of het verkrijgen van een bepaalde verdeling van de stralingsintensiteit. De mogelijkheid om actieve methoden in de optica te gebruiken werd sinds het begin van de jaren vijftig besproken in verband met het probleem van het verhogen van de resolutie van telescopen op de grond, maar de intensieve ontwikkeling van adaptieve optica begon na de creatie van redelijk effectieve correctoren (gecontroleerde spiegels). en WF-meters (sensoren). Het eenvoudigste adaptieve systeem bevat één vlakke spiegel waarvan de kanteling kan worden gewijzigd, waardoor de “jitter” van het beeld wordt geëlimineerd bij observatie door een turbulente atmosfeer. Complexere systemen gebruiken correctoren met een groot aantal vrijheidsgraden om afwijkingen van hogere orde te compenseren. Een typisch schema voor het organiseren van controle in een adaptief systeem (figuur) is gebaseerd op het principe van feedback. Na de corrector vertakt een deel van de lichtstroom zich en gaat naar de WF-sensor, waar resterende aberraties worden gemeten. Deze informatie wordt gebruikt om signalen in de besturingseenheid te genereren die de corrector beïnvloeden en restafwijkingen verminderen. Ze worden minimaal en de beeldkwaliteit verbetert.

Er zijn systemen waarvoor geen VF-sensoren nodig zijn. In dit geval wordt de minimalisatie van vervormingen uitgevoerd door opzettelijk testverstoringen in de WF te introduceren (aperture probing-methode). Vervolgens wordt in de besturingseenheid de invloed van teststoringen op de kwaliteit van de systeemwerking geanalyseerd, waarna besturingssignalen worden gegenereerd die de WF optimaliseren. Diafragmadetectiesystemen hebben veel tijd nodig om de corrector in te stellen, omdat het proces verschillende keren wordt herhaald om vervorming merkbaar te verminderen.

De effectiviteit van een adaptief optisch systeem wordt grotendeels bepaald door de perfectie van de gebruikte corrector. In eerste instantie werd vooral gebruik gemaakt van composiet (gesegmenteerde) spiegels, bestaande uit meerdere segmenten die met behulp van piëzo-actuatoren of op een andere manier ten opzichte van elkaar konden worden verschoven. Vervolgens werden flexibele (“membraan”) spiegels met een continu vervormbaar oppervlak wijdverspreid. Aan het begin van de 21e eeuw was de techniek voor het corrigeren van VF aanzienlijk verbeterd. Naast gestuurde spiegels van verschillende typen worden fasemodulatoren met vloeibare kristallen gebruikt, die zowel voor reflectie (zoals spiegels) als voor transmissie kunnen werken. Een aantal ontwerpen maken miniaturisatie ervan mogelijk en de creatie van apparaten die in één enkele eenheid met besturingselektronica zijn geïntegreerd, wat het mogelijk maakt compacte en relatief goedkope adaptieve systemen te creëren. Ondanks de ontwikkeling van een nieuwe generatie fasecorrectors behouden traditionele flexibele spiegels hun belang vanwege de lage verliezen aan lichtstroom en het relatief eenvoudige ontwerp. Niet-lineaire optische vervormingscorrectiemethoden gebaseerd op het fenomeen van golffrontomkering worden ook gebruikt in lasersystemen. Deze benadering wordt soms niet-lineaire adaptieve optica genoemd.

Lit.: Vorontsov M.A., Shmalgauzen V.I. Principes van adaptieve optica. M., 1985; Taranenko VG, Shanin OI Adaptieve optica. M., 1990; Lukin V.P., Fortes B.V. Adaptieve vorming van balken en beelden in de atmosfeer. Novosibirsk, 1999.

V. I. Shmalgauzen.

In een heterogene omgeving, met behulp van gecontroleerde optische elementen. De belangrijkste taken van adaptieve optica zijn het verhogen van de resolutielimiet van observatie-instrumenten, het concentreren van optische straling op de ontvanger of het doel, enz.

Encyclopedisch YouTube

1 / 5
Structureel gezien bestaat een adaptief optisch systeem meestal uit een sensor die vervorming meet (golffrontsensor), een golffrontcorrector en een regelsysteem dat communiceert tussen de sensor en de corrector.

Golffront-sensoren

Er zijn verschillende methoden die zowel kwalitatieve beoordeling als kwantitatieve meting van het golffrontprofiel mogelijk maken. De meest populaire sensoren op dit moment zijn het interferentietype en het Shack-Hartmann-type.
De werking van interferentiesensoren is gebaseerd op de coherente optelling van twee lichtgolven en de vorming van een interferentiepatroon met een intensiteit afhankelijk van het gemeten golffront. In dit geval kan een golf die door ruimtelijke filtering uit de onderzochte straling wordt verkregen, worden gebruikt als een tweede (referentie)lichtgolf.
Een sensor van het Shack-Hartmann-type bestaat uit een reeks microlenzen en een fotodetector die zich in hun brandpuntsvlak bevindt. Elke lens meet doorgaans 1 mm of minder. De sensorlenzen verdelen het bestudeerde golffront in subopeningen (de opening van één microlens) en vormen een reeks brandpunten in het brandpuntsvlak. De positie van elke vlek hangt af van de lokale helling van het golffront van de straal die bij de sensoringang aankomt. Door de transversale verplaatsingen van de brandpunten te meten, is het mogelijk de gemiddelde hellingshoeken van het golffront binnen elk van de subopeningen te berekenen. Uit deze waarden wordt het golffrontprofiel berekend over de gehele sensoropening.

Wavefront-correctors

Adaptieve (vervormbare) spiegel (Engels) is het populairste hulpmiddel voor golffrontcontrole en optische aberratiecorrectie. Het idee van golffrontcorrectie met een composietspiegel werd in 1957 voorgesteld door V.P. Linnik. De mogelijkheid om een dergelijk systeem te creëren is sinds het midden van de jaren negentig ontstaan in verband met de ontwikkeling van de technologie en de mogelijkheid van nauwkeurige computerbesturing en -monitoring.
Met name unimorfe (semi-passieve-bimorfe) spiegels zijn wijdverspreid geworden. Zo'n spiegel bestaat uit een dunne plaat van piëzo-elektrisch materiaal, waarop op een speciale manier elektroden zijn aangebracht. De plaat is bevestigd aan een substraat, op het vooroppervlak waarvan een optisch oppervlak is gevormd. Wanneer er spanning op de elektroden wordt gezet, trekt de piëzo-elektrische plaat samen (of zet uit), waardoor het optische oppervlak van de spiegel buigt. De speciale ruimtelijke opstelling van de elektroden maakt de vorming van complexe oppervlaktereliëfs mogelijk.
Dankzij de snelheid waarmee de vorm van de adaptieve spiegel wordt geregeld, kan deze worden gebruikt om dynamische aberraties in realtime te compenseren.
In astronomische toepassingen vereisen adaptieve optische systemen een referentiebron die zou kunnen dienen als helderheidsstandaard om vervormingen veroorzaakt door atmosferische turbulentie te corrigeren, en deze zou zich op een voldoende korte hoekafstand van het te bestuderen hemelgebied moeten bevinden. Sommige systemen gebruiken als zodanig een ‘kunstmatige ster’, gecreëerd door natriumatomen op een hoogte van 90 km boven het aardoppervlak op te wekken met een laser op de grond.