Способ фазовой коррекции светового излучения в линейной адаптивной оптической системе Советский патент 1992 года по МПК G02B26/06 

Изобретение относится к оптике, в частности к коррекции фазы пространственно- когерентного светового излучения и может быть использовано в астрономических Телескопах, системах лазерной адаптивной оптики и когерентных информационных оптических системах.

Известна адаптивная оптическая система (АОС), в которой коррекция фазы света производится путем максимизации количества света, прошедшего через точечную диафрагму, установленную в фокусе объектива.

Недостатками способа коррекции, реализованного в этой системе, являются возможность настройки АОС на боковой лепесток диаграммы направленности, а также низкое быстродействие, обусловленное тем, что для точного отыскания управляющих адаптивным зеркалом (A3) сигналов система должна отработать несколько циклов управления.

Известна также АОС фазового сопряжения.

Недостатки реализованного в этой системе способа коррекции - принципиальная . невозможность использования в качестве корректора волнового фронта A3 с непрерывной гибкой отражающей поверхностью и низкое качество коррекции, обусловленное тем, что форма волнового фронта приближается плоскими сегментами, управляемыми по смещениям и наклонам.

Наиболее близким к предлагаемому является способ коррекции фазы светового излучения, реализованный в АОС фазового сопряжения, заключающийся в измерении локальных наклонов волнового фронта при помощи интерферометра сдвига, расчете формы волнового фронта и выдаче сигналов управления на монолитное пьезоэлектрическое A3, особенностью которого является пренебрежимо малое взаимное влияние каналов управления.

СО

С

vi

(Я

со

4 N GJ

Однако известный способ не позволяет использовать в качестве корректора волнового фронта A3 с сильным взаимным влиянием каналов управления (модальный корректор), обеспечивающее в силу гладкости функций отклика значительно более высокое качество фазового сопряжения, так как для использования такого корректора необходимо введение в ДОС дополнитель ного мощного вычислительного блока для расчета управляющих корректором сигналов.

Малый динамический диапазон управления обусловлен тем, что максимальная деформация поверхности монолитного пьезоэлектрического A3 не превышает 1 мкм. Кроме того, необходима высокая точность юстировки оптической системы по наклонам, так как любой общий наклон волнового фронта, подаваемого на интерферометр сдвига, вызовет реакцию системы, которая выразится в попытке отработать этот наклон при помощи формирования на монолитном пьезоэлектрическом A3 соответствующей суперпозиции функций отклика, Однако динамический диапазон используемого A3 ограничивает допустимые для отработки наклоны очень малыми величинами.

Целью изобретения является повышение точности коррекции, снижение требований к юстировке оптической системы и упрощение процедуры выработки сигналов управления.

Достижение поставленной цели позволит значительно (по сравнению с прототипом) упростить и удешевить создание адаптивной оптической системы фазового сопряжения.

Поставленная цель достигается тем, что фазовая коррекция осуществляется корректором с N нелокальными, линейно независимыми, неортогональными функциями отклика, причем предварительно осуществляют операцию автонастройки адаптивной оптической системы, которая заключается в подаче эталонного светового излучения на корректор, поочередной подаче управляющих сигналов одинаковой амплитуды Uo в каждый из N каналов управления корректором, измерении N векторов отклика датчика волнового фронта в соответствии с номером канала управления, а сигналы управления Ui формируют в соответствии с выражением

i

Ui -Uo X aijbj, i 1

где a i - матрица коэффициентов, ортогона- лизующих множество измеренных векторов отклика датчика волнового фронта;

bj - скалярное произведение двух векторов, один из которых представляет собой сумму векторов отклика датчика волнового фронта, соответствующих световому излучению до коррекции и световому излучению с требуемой формой волнового фронта после коррекции, а другой - J-й из N ортонор- мированных векторов, каждый из которых является линейной комбинацией векторов

отклика датчика волнового фронта.

Управление волновым фронтом осуществляется при помощи гибкого адаптивного зеркала с отражающей поверхностью в виде тонкой пластины.

Измерение параметров волнового фронта производят линейным дискретным датчиком Гартмана.

Использование корректора с линейно независимыми, но неортогональными функциями отклика позволит при сохранении неизменного количества каналов управления значительно повысить точность управления фазой света, так как классические аберрации оптических систем, а также аберрации

с низшими пространственными частотами, с которыми приходится сталкиваться при решении задач астрономии и атмосферной оптики, аппроксимируются конечным набором таких функций отклика с минимальной

ошибкой. Режим автонастройки адаптивной системы по введенному световому пучку с эталонным распределением фазы необходим для определения линейных комбинаций функций отклика корректора,

обеспечивающих ортонормированность соответствующих им в,екторов отклика волнового фронта. Проведение автонастройки позволит найти набор таких комбинаций управляющих корректором сигналов, которые

вызывали бы в датчике волнового фронта набор взаимно ортогональных векторов отклика, что эквивалентно устранению взаимного влияния каналов управления корректором и переходу к системе с независимыми каналами управления применительно к рассматриваемой адаптивной системе. Такое разделение каналов управления позволяет значительно упростить коррекцию фазы света при использовании

модального корректора с линейно независимыми функциями отклика. Поскольку в режиме автонастройки используется световой пучок б эталонным распределением фазы, то и векторы отклика ДВФ в режиме автонастройки регистрируются по отношению к вектору отклика на эталонный волновой фронт. При этом автоматически учтется раэьюстировка датчика волнового фронта по отношению к эталонному пучку. В рабочем режиме эта раэъюстировка не влияет на

работу адаптивной оптической системы, что позволяет снизить требования к начальной юстировке ДОС,/

с.Предлагаемый способ выработки управляющих сигналов не требует восстанов- ления формы волнового фронта из векторов отклика датчика волнового фронта, что значительно упрощает коррекцию Если система работает в режиме формирования волнового фронта, то вектор, соответствую- щий подлежащей формированию форме волнового фронта, вводится с внешнего устройства. Формирование сигналов управления может осуществляться как аналоговым, так и цифровым вычислительным устройст- вом.

Использование в предлагаемом способе коррекции A3 с гибкой отражающей пластиной, управляемой дискретными приводами, позволяет значительно улучшить качество коррекции из-за лучшей аппроксимации характерных аберраций набором функций отклика такого корректора.

Использование линейного дискретного датчика Гартмана в виде экрана с отверсти- ями, за каждым из которых расположен по- зиционно-чувствительный фотоприемник, возможно при сниженных требованиях к юстировке датчика Гартмана, так как требования к нему ограничены линейностью и адекватностью отклика (линейно независимым аберрационным функциям должны соответствовать линейно независимые векторы отклика датчика). В частности, гораздо менее существенными становятся требования к геометрии расположения отверстий в экране, что связано с исключением операции восстановления формам волнового фронта, а также требования к юстировке датчика как целого по наклонам.

На чертеже приведена функциональная схема адаптивной оптической системой коррекции фазы светового излучения.

Система состоит из источника эталонного светового пучка, который образован высококачественным одномодовым яазе- ром 1 и телескопом 2, источника 3 подлежащего коррекции излучения, свето- делительного элемента 4, расширителя 5 пучка, управляемого гибкого зеркала 6, дифракционного ответвителя 7, линейного датчика Гартмана 8, многоканального блока аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9, ЭВМ Электроника-ДВК-ЗМ 10 и блока цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 11с усилителями управления адаптивным зеркалом.

Способ осуществляется следующим образом.

Проводят автонастройку адаптивной оптической системы, для чего выключают лазер 1, излучающий пучок с эталонным волновым фронтом, и при помощи ЭВМ 10 через блок ЦАП 11 по очереди подают .единичные сигналы управления Uo во все каналы управления зеркалом для осуществления пробных движений. После подачи каждого сигнала с датчика 8 через АЦП 9 в ЭВМ 10 поступает вектор отклика на поданный сигнал. После измерения векторов отклика, соответствующих всем функциям отклика зеркала, в ЭВМ вычисляется матрица ортогонал изующих коэффициентов aij. В рабочем режиме эталоннный источник 1 выключают, источник 3 включают, с датчика 8 через блока АЦГ 9 в ЭВМ 10 поступает вектор отклика датчика bj. Выработка управляющих сигналов в ЭВМ производится по формуле

Ui -Uo U aijbj, j i

а коррекция фазовых искажений осуществляется посредством подачи в каналы адаптивного зеркала выработанных управляющих сигналов.

Покажем, что описанная последовательность операций приводит к компенсации искажений волнового фронта источника 3 лазерного излучения. Пусть гибкое зеркало б имеет набор линейно независимых функций отклика ул (l 1...N), где N-количество каналов управления. При автонастройке системы по эталонному волновому фронту источника 1 каждой такой функции отклика ставится в соответствие вектор отклика линейного датчика Гартмана 8 $ L ((pi), где L - линейный оператор преобразования, осуществляемый линейным датчиком волнового фронта и обладающий св ойствами

Lpi L(cV) CL(p),

где С - произвольная константа.

1

Линейное множество векторов можно ортогонализовать, пользуясь алгоритмом Грама-Шмидта:

81 2 aij $ 2 8ij{L (Ю)1

L

1

aij 1ft,

(1)

(ai.aj) 1, если I j; (ai, aj) 0, если I J.

Выражение (1)означает, что процесс ор- тогонализации векторов отклика линейного Датчика волнового фронта позволяет найти такие комбинации управляющих зеркалом б воздействий aij (I 1 N, j 1 . N), которые при подаче их на гибкое зеркало образуют в пространстве откликов датчика волнового фронта ортонормированный базис, состоящий из векторов ai (I 1 N).

Если на вход датчика волнового фронта поступает волна с аберрацией |, то на выходе датчика волнового фронта возникает вектор отклика / (Ј), который можно разложить по полученному на этапе автона- стройкй ортонормированному базису:

Д-S

J i где bjaj, bj(,/)(2)

Пользуясь линейностью оператора L, можно записать

та, отличающийся тем, что, с целью повышения точности коррекции, снижения требований к точности юстировки оптической системы, упрощения процедуры выработки сигналов управления, фазовую коррекцию осуществляют корректором с N нелокальными, линейно независимыми, неортогональными функциями отклика, причем предварительно осуществляют операцию автонастройки адаптивной оптической системы, которая заключается в подаче эталонного светового излучения на корректор, поочередной подаче управляющих сигналов одинаковой амплитуды Uo в

каждый из N каналов управления корректором, измерении N векторов отклика датчика волнового фронта в соответствии с номером канала управления, а сигналы управления Ui формируют в соответствии с

выражением

Использование: астрономические телескопы, системы лазерной адаптивной оптики, когерентные информационные оптические системы. Сущность изобретения: в адаптивной оптической системе, включающей корректор волнового фронта с нелокальными, линейно независимыми и неортогональными функциями отклика, производят предварительную эвтонастрой- ку путем подачи эталонного светового излучения на корректор и пробных управляющих воздействий, после чего формируют сигналы управления, используя для этого процедуру ортогонализации векторов отклика датчика волнового фронта. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

/ L

I bjf I (a,j0)l 1 L, 1J

(3)

Из (З) непосредственно следует выражение для управляющих воздействий, подаваемых в каналы адаптивного зеркала (при условии Uo 1)

Ui 2) aijbj J i

Формула изобретения 1. Способ фазовой коррекции светового излучения в линейной адаптивной оптической системе, включающий измерение фазовых параметров светового излучения датчиком волнового фронта перед коррекцией, формирование сигналов управления корректором волнового фронта с N каналами управления, осуществление фазовой коррекции светового излучения путем его отражения от корректора волнового фронUi -Do У aij bj. J t

где ац - матрица коэффициентов, ортогона- лизующих множество измеренных векторов отклика датчика волнового фронта;

bj - скалярное произведение двух векторов, один из которых представляет собой

сумму векторов отклика датчика волнового фронта, соответствующих световому излучению до коррекции и световому излучению с требуемой формой волнового фронта после коррекции, а другой - j-й из N ортоиормированных векторов, каждый из которых является линейной комбинацией векторов отклика датчика волнового фронта.

фронта производят линейным дискретным датчиком Гартмана.