关于自适应光学技术的研究分析

摘要：自适应光学技术的应用不仅高效解决了动态光学波前误差的问题, 实现了实时性的校正和控制, 还在医学、精密跟踪及激光加工等行业的得到了普及, 有效避免了外界因素对探测结果的影响, 提升了自适应光学系统的性能。本文主要阐述了自适应光学技术在激光核聚变装置波前校正、人眼视网膜成像、天文目标观测及光学波前误差校正等方面的应用现状及发挥着重要的作用, 以期更好的促进自适应光学技术的发展, 实现普遍应用, 为相关研究提供参考意见。
 


    光学系统具有一定的弊端, 在动静态方面误差较大, 自适应光学技术的研制和应用有效的解决了这一问题, 大大优化了系统工作性能。在科学技术不断发展的过程中, 单元技术及光学技术日益完善, 应用微光学技术和微电子研制的单元器件得到了广泛的应用, 大大降低了成本投入, 节省了空间, 对自适应光学技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
   
    一、自适应光学提高对天体目标成像分辨力的研究
   
    在天文目标观测领域中, 自适应光学技术最早的应用为1.2m望远镜自适应光学系统, 在天文台观测方面能够以高分辨率来观测星体目标, 在大口径上用于实时性的校正和调整大气湍流动态波前误差, 提高了观测的准确程度。成像、精密跟踪、自适应光学和望远镜共同构成了61单元望远镜自适应光学系统, 而波前处理机、哈特曼传感器、变形反射镜等原件又是自适应光系统的基本构成元件。
   
    自适应光学系统探测器的关键部分为电荷耦合器件, 其具有高帧频、噪音小和量子效率高的优势, 内部的哈特曼传感器共包括六十个子孔径, 利用专门的数字信号处理器, 借助控制、波前复原和哈特曼算法等多种计算方式, 能够得到精确的天体目标测量结果。应用自适应光学系统的条件下, 天体目标成像分辨力大大提高, 波前倾斜问题得到了缓解。
   
    二、自适应光学下的自动校正光学波前误差技术分析
   
    作为一种自动控制系统, 自适应光学系统的重点检测目标即为光学波前, 通过校正、控制及测量等方式对光学波前进行处理, 从而提高系统的整体性能, 增强对外界环境的适应性。波前校正器、控制器和探测器是构成自适应光学系统的基本元件, 其中校正器的主要功能就是将控制信号 (由控制器传输) 进行波前相位的转化, 对波前畸变情况进行校正处理, 以此来实现波前相位的高效转变, 校正器可以归属为能动光学器件;而探测器能够提供光学波前误差数据信息;控制器的作用则为波前畸变信息向波前校正器控制信号的转变, 发挥闭环控制的功能。
   
    在利用自适应光学系统获取波前相位误差的过程中, 通常采用对波前曲率、斜率进行测量, 运用得出波前相位的方法进行计算。该控制系统为光学系统的控制工作提供了依据, 该光学系统具有其特殊的性质, 例如:控制通道数量不等、精度高达数十纳米、宽带单位为几百赫兹等, 最终的目标是提高光学质量, 在波前探测阶段均需要用光子计数的途径来实现。
   
    三、人眼视网膜成像自适应光学系统的细胞尺度观测研究
   
    由照明成像、人眼像差校正自适应光学系统共同构成的人眼高分辨率成像自适应光学系统, 主要作用就是对人眼波前误差进行测定。系统在工作状态下, 要求在人的眼睛底部必须构成相应的发光点, 将该发光点作为信标, 在该点的基础上, 测量的人眼成像误差就是经过人的瞳孔散发的光束波前误差。该系统信标可以由自适应光学系统的半导体激光器形成, 利用扩束镜、滤波器可以将输出后的激光转化为平行光线, 之后通过分光镜、反射镜的一系列作用, 进入到被观测的人眼中, 在人眼中聚焦, 从而出现信标。进行人眼视网膜成像细胞尺度观测的自适应光学系统能够实现多次迭代, 经过波前校正的方式, 大大降低了波前误差, 增强了系统校正的可靠性, 改善了系统功能。
   
    四、激光核聚变装置波前校正系统分析
   
    早在上世纪八十年代中期就已经成功研制出了激光核聚变装置, 该装置应用了自适应光学技术的优势, 遵循最优化的爬山法, 在“神光”装置发挥着关键性的作用, 也是国内最初基于自适应光学技术的激光核聚变装置的原形。由两路不同的固体激光器共同构成的“神光”激光核聚变装置, 在发出激光脉冲后, 在钕玻璃放大器氙灯泵浦的作用下, 可以不断进行放大处理, 最终形成激光的脉冲功率可达1012W, 口径为两分米, 最后在真空靶室使激光进行聚焦, 完成核聚变。
   
    激光核聚变装置波前校正系统部件非常多, 是一个相当庞大的系统, 光学表面多达100个, 还包括长为几十米的光路, 光学材料穿透厚度在三米以上。受光学材料质地不匀、表面处理误差及光路较长等因素的影响, 导致静态波前误差较大, 无法仅通过装调、光学加工及处理光学材料等方式来纠正。这就需要发挥自适应光学技术的优势, 在该技术的基础上研制激光波前校正系统, 降低靶面能量的集中程度, 有效的减少光学误差。
   
    结语
   
    经过多年的发展, 自适应光学技术已经在各个行业和领域占据着重要的地位, 为精密定位的实现提供了可靠的技术保障, 能够独立运用在调节光程、光束方向等方面, 可以使光场测量数据更加准确、全面。在这种发展形势下, 自适应光学技术的应用范围会更加广阔, 会逐渐成为科学工程和人们生活中必不可少的一项实用性技术。
   
    参考文献  
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