衍射式棱锥波前传感器的技术研究

摘要

自适应光学系统实时测量并补偿大气湍流造成的畸变，有效提高光束在大气中的传播质量和光学系统的成像质量，从根本上改善传统光学技术对外界干扰无能为力的状况。波前传感器实现对波前畸变信号的实时探测并给校正器提供校正信号。波前传感器要同时具有高速、高精度和弱光探测能力。常用的夏克—哈特曼波前传感器(HSWFS)在弱光探测能力和空间采样率方面受到限制，四棱锥波前传感器(Pyramid wavefront sensor, PWFS)在上述两方面明显优于夏克—哈特曼波前传感器。目前大部分四棱锥波前传感器采用折射方式，国际上公认的四棱锥镜的加工标准为面形误差的均方根值小于波长的二十分之一，平台宽度小于艾里斑直径的十分之一。国内传统的光学抛光法和光刻电铸压膜法(LIGA)均难以制作出满足上述精度的四棱锥。棱锥的顶点不够尖和椎顶的平台会降低测量精度。
　　本文基于折射式棱锥波前传感器，结合二元光学原理和微细光学加工技术，设计一种衍射式棱锥波前传感器，对衍射式棱锥波前传感器的波前探测原理进行理论推导，并进行相应的数值仿真和实验探究。计算结果和实验结果均证明衍射式棱锥器件可以对波前像差进行有效探测，可用于小型，微型自适应光学系统的构建。
　　首先，基于折射式棱锥波前传感器，利用微细加工光学技术和二元光学基本原理，提出一种衍射型棱锥波前传感器(DPWFS)的设计方案。解决现有的折射式棱锥波前传感器在光学加工中的问题，为实现体积紧凑，易于加工和测量精度较高的四棱锥波前传感器提供一种可行的途径。
　　然后，针对衍射式棱锥波前传感器的波前测量原理进行详细的理论推导，并进行相应的数值仿真，仿真结果表明，衍射式棱锥波前传感器与常用的折射式棱锥波前传感器的波前探测能力接近，可以应用到实际的波前测量中。
　　其次，针对衍射式棱锥波前传感器的波前复原算法进行了深入分析并基于模式法得出衍射式棱锥波前传感器的复原结果，复原结果证实了复原算法的正确性。
　　最后，加工得到衍射式棱锥波前传感器实物，搭建一套基于液晶空间光调制器(LC-SLM)的衍射式棱锥波前传感器的波前测量实验系统，研究衍射式棱锥波前传感器对静态波前像差的探测能力，通过实验研究，验证衍射式棱锥波前传感器在自适应光学系统尤其是微型自适应光学系统中应用的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 自适应光学技术概述

1．1．1 自适应光学技术的基本原理

1．1．2 自适应光学系统的基本结构

1．1．3 自适应光学技术的发展历程

1．2 自适应光学波前探测技术

1．2．1 波前曲率传感器

1．2．2 干涉波前传感器

1．2．3 哈特曼-夏克波前传感器

1．2．4 四棱锥波前传感器

1．3 折射式四棱锥波前传感器

1．4 论文的主要工作

第二章 衍射式棱锥波前传感器的设计

2．1 二元光学概述

2．1．1 二元光学技术

2．1．2 二元光学元件的主要特征

2．2 二元光学的衍射理论

2．2．1 二元光学的角谱理论

2．2．2 衍射屏对角谱的影响

2．2．3 二元光学元件的衍射效率

2．3 衍射式棱锥波前传感器的设计

2．3．1 棱锥顶点的设计

2．3．2 棱锥底角的确定

2．3．3 每一个周期内台阶数目的设计

2．3．4 衍射式棱锥波前传感器的整体设计方案

2．4 本章小结

第三章 衍射式棱锥波前传感器的波前探测分析

3．1 衍射式棱锥波前传感器的理论基础

3．1．1 傅里叶光学原理

3．1．2 像面光场分布数值分析

3．1．3 衍射式棱锥波前传感器的波前探测原理

3．2 衍射式棱锥波前传感器的仿真研究

3．2．1 Zernike多项式

3．2．2 衍射式棱锥波前传感器的数值仿真条件

3．3 衍射式棱锥波前传感器的仿真结果

3．3．1 单项Zernike像差的仿真结果

3．3．2 随机Zernike像差的仿真结果

3．4 本章小结

第四章 衍射式棱锥波前传感器的波前复原

4．1 波前复原算法

4．1．1 模式法

4．1．2 区域法

4．1．3 直接斜率法

4．2 波前复原结果

4．2．1 单项Zernike像差的复原结果

4．2．2 随机Zernike像差的复原结果

4．3 本章小结

第五章 衍射式棱锥波前传感器的实验探究

5．1 液晶空间光调制器(LC-SLM)的标定

5．1．1 液晶空间光调制器(LC-SLM)相位调制原理

5．1．2 液晶空间光调制器(LC-SLM)的标定

5．2 实验方案

5．3 衍射式棱锥波前传感器的实验结果

5．3．1 波前探测的结果

5．3．2 波前复原的结果

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 后续工作展望

参考文献

致谢

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