采用H-S波前传感器探测虚共焦非稳腔输出光束波前像差

在腔内失调理论分析基础上,实验研究了无源虚共焦非稳腔失调前、后输出光束波前像差特性。结果表明,用Hartmann-Shack波前传感器进行探测,并用模式法进行波前重构可以较好反映输出光束波前像差,虚共焦腔耦合输出调腔光的波前Zernike像差主要集中在前15阶,其中比较显著的像差有离焦Z3、低阶像散Z4和Z5、以及球差Z10。且腔内倾斜扰动对光束强度分布有显著的影响,可能引起某些Zernike高阶像差如离焦、慧差和像散的增加,但首先带来的是Zernike倾斜像差的增大。因此在作腔内像差补偿时,应首先考虑腔内倾斜像差的补偿。     

全息光学元件的光线追迹

推导了适合于光学设计／评价程序编程的复杂全息光学元件的光线追迹公式和算法，复杂全息光学元件指记录波前为非球面和面形亦为非球面。     

穿越流场激光像差特性的动态测量——H-S波前传感器方法

用H-S(Hartmann-Shack)波前传感器可以精确测量穿过超声速流场的激光动态波面及其变化过程,进一步计算还可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。讨论了利用H-S波前传感器测量穿过超声速流场激光波面的原理,并采用模式法进行波前重构,得到了在几种流场条件下的激光波面像差特性如PV和RMS、各阶Zernike像差系数,环围能量分布和Strehl比等。结果表明,采用H-S传感器进行测量、并用模式法进行波前重构可以较好反映流场建立、稳定和结束过程中各阶Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场,激光穿越后产生的最明显变化为离焦A3和低阶像散A5的增大。     

Hartmann-Shack波前传感器的自适应质心探测方法

在分析影响Hartmann-Shack(H-S)传感器质心探测精度因素的基础上,提出结合自平方算法、大津算法、光斑位置区域自适应标定、回归局部阈值法等方法,给出一套适合波前像差测量的质心自适应探测方法,该方法具有准确、自适应性强的特点.经验证,与传统的质心探测方法相比,该方法能准确识别并保留更多的有效光斑信息,提高质心探测的精度,扩大H-S传感器的适用范围.     

全息光学元件在光学读出头中的应用

分析了全息光栅在光学读出头中的作用。给出了用于光头中的全息光栅的设计原理,推出了记录和再现公式,并计算在共轭参考光再现全息光栅时再现实像的象差。     

非相干数字全息自适应光学波前校正特性研究

非相干数字全息自适应光学是一种新型的自适应波前探测和校正的技术。它利用全息图可以完整记录光波场的特性进行波前探测,结合适当的数值再现算法对光波前像差进行校正。基于菲涅耳非相干相关数字全息术(FINCH),从理论上阐明了非相干数字全息自适应的基本原理,并给出了数值仿真结果。采用改进的迈克耳孙干涉仪光路配置,分别记录待观测物体与引导星的全息图,利用引导星全息图的复共轭对待测物光波进行波前校正,从实验上定量地研究了引导星尺寸、选取位置对波前校正效果的影响,在系统各光学元件给定的情形下,明确了引导星选择的空间和系统等晕区范围,实现了良好的波前校正效果。     

基于H-S波前传感器的正支共焦腔准直技术研究

采用H-S波前传感器对非稳腔进行了实验调腔技术研究,指出了正支共焦腔调腔的原则,以输出光束近场强度和相位分布这一双重依据作为谐振腔是否调好的标准.进行非稳腔调腔时,首先应当保证整个光路共光轴使输出强度分布均匀,但此时光束中可能还包含离焦等高阶像差,因此在腔外用Hartmann-Shack波前传感器进行光束相位测量,得到了35阶像差Zemike系数、波面PV和RMS值,进一步计算得到环围能量曲线等,从而可以全面了解输出光束质量并能有针对性地对光腔进行调整,达到较理想的光腔共轴状态.     

对Zernike模式法重构19单元哈特曼测量波前的研究

通过对19单元哈特曼测量和模式法重构波前的过程进行数值模拟,研究了Zern ike模式法重构波前时耦合和混淆出现的原因、条件、程度和数学算法的表现。确定了在综合考虑最高可识别模式和计算稳定性同计算工具关系的情况下,选择最佳重构阶数的基本原则。同时对19单元哈特曼复原精度进行了评价,得出模式耦合是影响精度的主要因素,得到了模式法波前测量的适用条件,为利用哈特曼进行光束质量诊断提供了依据。     

一种基于Shack-Hartmann传感器的自适应波前重建算法

波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点,自动确定探测窗口、计算实际质心、参考质心、选择重建区域和获取入射波前的Zernike模式系数,讨论了参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1 λ以下,获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。     

哈特曼波前传感器的应用

夏克—哈特曼（S－H）波前传感器可以用很高的采样频率同时测量出光场的相位分布和强度分布。它不仅作为波前传感器广泛地应用于自适应光学系统之中，而且还用于光学元件和光学系统的检测、激光光束质量诊断和大气扰动测量之中。我们研制了一系列S－H波前传感器。本文总结了这些传感器在不同领域的测量结果。     

Zernike矩提高哈特曼波前传感器的鲁棒性

哈特曼波前传感器是自适应光学(AO)系统中常用的波前传感器件,噪声、器件装配误差常常影响其探测波前的能力和精度,进而影响整个系统对波前的实时校正。通过实验证明,引入数字图像处理中的矩技术,无需在硬件上对自适应光学系统进行修改,利用Zernike矩噪声不敏感、旋转不变等特性,对波前传感器CCD数据进行预处理,能够降低系统对噪声的敏感性,减小对器件装配精度的要求。     

夏克-哈特曼传感器任意形状孔径波前的模式重构及Zernike多项式描述

根据高等代数内积和欧氏空间的概念及线性无关向量正交化方法 ,提出了在任意形状区域上 ,利用Zernike多项式在给定区域的正交化方法 ,通过线性变换生成一组新的正交多项式 ,实现在任意区域哈特曼 夏克波前传感器的相位模式重构的方法 ,并通过线性反变换 ,实现任意区域的波前相位的Zernike多项式表示。     

利用光场传感器重建波前相位的仿真研究

利用软件仿真对光场传感器重建波前相位的能力进行了研究。研究采用FFT算法模拟波的传播和衍射效应,利用Zernike多项式模拟像差, 根据相应的光场映射及逆光场映射理论,进行波前重建。研究了前22项单阶像差的波前相位重建情况,选取其中初级像差和二级像差的 重建结果做了比较分析,并针对复合像差的波前重建做了多组仿真实验,比较了低阶复合像差和高阶复合像差的重建误差。结果表明: 无论是单阶像差还是复合像差,光场传感器都能够重建波前相位,并且对低阶像差的相位重建效果好于高阶像差。     

夏克—哈特曼波前传感器的探测误差

夏克—哈特曼（S－H）传感器的探测误差是自适应光学系统的一个主要误差源。本文主要分析了S-H传感器的系统误差和随机误差，其误差源包括：CCD相机的读出噪声和背景电平，探测的像素数以及光子噪声。通过在计算哈特曼传感器子光斑质心时设定一个阈值可以大大提高传感器的探测精度。本文同时列举了实验数据和理论分析结果。     

Wavefront curvature sensor with phase defocus grating

The proposed optimum phase defocus grating for wavefront curvature sensing features an equidistantly quantized two-phase-step and a phase step height of π. The optimum phase defocus grating suppresses the influence of zero-order diffraction. The high diffractive efficiencies of the ±1 diffraction orders are verified experimentally, showing average values of 38.08% and 40.36% respectively. The phase plate introduces the wavefront deformation, which are measured by wavefront curvature sensing and reconstructed via the Green's Function algorithm. The reconstructed wavefront is compared with the measurement result of a Veeco interferometer. It is verified that the measurement of the self-designed curvature sensor is correct. The error percent of peak-valley value (PV) is 10%, and the error percent of root mean square (RMS) is 2%.     

自适应光学系统中的波前曲率传感技术

本文阐述了波前曲率传感技术的基本原理,分析了传统实现方案的优缺点;重点介绍了近年发展起来的的基于衍射光栅的渡前曲率传感器及其工作原理;对比分析了波前曲率传感器的两种相位恢复算法;介绍了波前曲率传感器的最新应用情况以及国内对波前曲率传感器研究和应用的最新进展.     

提高哈特曼波前传感器质心探测精度的一种计算方法

分析了哈特曼(Hartmann)波前传感器传统阈值一阶矩质心算法的局限性,提出了一种改进算法,对质心探测窗口的大小先进行合理优化,再采用灰度积分图原理进行自动搜索,最后采用灰度平方加权质心算法进行质心计算。仿真分析验证了算法的可行性和优越性,有利于提高波前传感器质心探测精度。     

腔镜倾斜扰动对正支共焦腔输出光束模式的影响

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题,分析了正支共焦腔腔镜倾斜扰动对调腔光模式的影响,采用等效透镜波导法计算了凹、凸腔镜倾斜失调状态下的调腔光模式分布、泽尼克(Zernike)像差系数。同时采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器方法对此进行了实验定量研究,用模式法进行了波前重构。得到了扰动量与泽尼克像差的定量关系。结果表明,凹镜倾斜扰动对腔模的影响大于凸镜,对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与腔外泽尼克倾斜系数具有良好的线性关系,若对凹、凸腔镜分别施加等量倾斜扰动,带来的腔外泽尼克倾斜系数比率约为光腔放大倍率。且腔模倾斜像差增加的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大,因此作腔内相位补偿或校正时,应使补偿或校正平面尽可能靠近凹面镜;最后对实际激光束与He-Ne调腔光束的异同作了简要比较。     

基于Zernike模式法的变形反射镜补偿面型求解方法

针对变形反射镜校正非垂直入射畸变波前时,补偿面型求解的复杂性,借助波前补偿原理,提出利用变形反射镜对系统Zernike波像差的响应矩阵求解变形镜补偿面型的方法。结合Zernike模式法复原波前,利用CODEV仿真分析变形镜补偿畸变波前过程。以某红外自适应光学系统为例,仿真验证补偿效果。此方法能够简化变形反射镜控制算法,加深对自适应光学原理的认识。