大尺寸主動光學鏡面波前像差補償技術的研究

《大尺寸主動光學鏡面波前像差補償技術的研究》是依託清華大學，由黃磊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大尺寸主動光學鏡面波前像差補償技術的研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：黃磊
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目擬研究的大尺寸主動光學鏡面波前像差補償技術屬於光學工程學科的國際前沿技術領域-主動光學領域。在工業、軍事、空間觀察和科學研究中，空間大氣的動態干擾和熱不穩定性、光學系統的加工與裝配誤差、光學元件的熱透鏡效應等，都會造成精密光學系統產生波前畸變。由於畸變無確定規律，隨機性強，畸變數微小，因此，必須採用主動光學技術，消除光學波前畸變。針對主動光學系統的廣泛套用需求，本項目擬重點研究大尺寸主動光學鏡面波前像差補償技術，通過對大尺寸主動光學鏡面波前像差特性及相應補償技術的理論分析，深入探索研究各相關關鍵技術，包括：澤尼克像差擬合與位相殘差補償技術，大尺寸主動光學鏡面支撐矩陣性能及影響函式理論，大尺寸主動光學鏡面的應力與面形分布關聯性研究等等。

結題摘要

大尺寸主動光學技術是現代精密光電裝備系統中的核心技術，通過自適應光學對光學波前畸變進行校正，決定了現代光電系統能否具有高精度、高光束質量等重要特性。隨著現代光學的不斷發展，大尺寸自適應光學將在雷射等光電系統中發揮越來越重要的作用。 本項目的主要研究內容：系統的研究大尺寸主動光學鏡面波前像差補償技術體系，通過對大尺寸主動光學鏡面波前像差特性及相應補償技術的理論分析，深入探索研究各相關關鍵技術。 本項目的主要研究成果包括： 針對大尺寸主動光學鏡面在面形質量、校正能力和空間解析度方面存在的問題，提出並研究了基於溫度回響的大尺寸主動光學鏡面高精度面形控制技術與方法，大尺寸主動光學鏡面能夠利用連續的溫度場控制鏡面產生連續平滑的面形，有效解決了大尺寸主動光學鏡面面形質量和校正能力方面存在的固有問題，並在一定程度上提高了大尺寸主動光學鏡面的空間解析度。 基於大尺寸主動光學鏡面支撐矩陣和影響函式理論，提出雙向掠入射式變形鏡方案。對於相位分布具有明顯方向性的像差，在其相位變化方向上的單次掠入射即可以獲得理想的校正效果。從前30階Zernike像差的校正結果來看，在雙向掠入射校正方式下，校正後的擬合因子能夠控制在0.05以內，達到理想的校正效果。該方法能夠在驅動器間距一定的情況下，提高對中小口徑光束的波前校正能力，在對含高階像差的波前相位校正中，其校正能力的提高更加明顯，為解決高功率雷射套用中驅動器密度不足的問題開闢了一個新的思路。 通過對空間頻率域中的理論分析，考慮空間頻率回響函式、模式和空間頻率分布，以及欠校正模式的幅值等控制向量誤差的影響因素，對大尺寸主動光學鏡面波前像差補償技術進行深入分析。數值仿真表明，當採用頻率回響更為一致的面形控制算法時，能夠實現更優的校正性能。其中，入射波前中的高階諧波分量，以及DM的致動器數目對校正性能影響最大。因此，通過最佳化變形鏡面形控制算法，能夠保證穩定的、最佳化的校正性能，充分發揮大尺寸變形鏡的校正能力。 通過本項目的研究，對大尺寸主動光學鏡面技術進行了充分的完善，解決了系列關鍵技術，為最終形成完善的大尺寸主動光學系統技術的理論系統打下堅實的基礎。 基於本項目的研究成果，能夠進一步提高大尺寸主動光學系統的關鍵技術性能，從而促進大尺寸自適應光學在空間成像、天文望遠鏡、人眼醫療、高功率固體雷射裝置和高功率雷射器的廣泛套用。