高低阶曲率自适应光学系统的探索研究

With the development of large astronomical telescopes and high energy lasers, the woofer-tweeter adaptive optics systems are required to give consideration to the large low-order aberrations and the high-order aberrations. According to the research progress of double-deformable-mirror adaptive optics systems in the world and our research foundation, the theoretical and experimental studies on optimization design of woofer-tweeter curvature adaptive optics systems and decoupling control algorithm are proposed. With the combination method of numerical simulation and frequency spectrum analysis, the propagation distance of curvature sensor is reasonably designed, giving consideration to dynamic range and high frequency coverage effect, to detect not only large low-order aberrations but high-order aberrations . Based on the no-coupling eigenfunctions of Laplacian algorithm for phase estimation, combining working characteristics of high-order wavefront correctors, the pattern control algorithm driving correctors is put forward. Considering the capabilities of low-order and high-order wavefront correctors, removing and selection approach of the eigenfunctions of Laplacian is studied. The decoupling control algorithm of low-order aberrations and the high-order aberrations with the combined use of zonal mean method and eigenfunctions of Laplacian algorithm is established. With optimized system design and the parameters of the decoupling algorithm, a experimental woofer-tweeter curvaure adaptive optics system is integrated to experimentally study the correction capabilities of system for low-order and high-order aberrations.

随着大型天文望远镜和高能激光传输的发展，需要采用双变形镜高低阶分级校正技术兼顾低阶大像差和高阶小像差。根据国内外在双变形镜自适应光学系统方面的研究进展和我们所具备的研究基础，提出高低阶曲率自适应光学系统优化设计、解耦控制等方面的理论与实验研究。采用数值模拟和频谱分析相结合的方法，合理设计曲率传感器的传输距离，兼顾动态范围和高频覆盖效果，使得波前曲率传感器既能较好地探测低阶大像差，又能探测高阶小像差。基于无耦合拉普拉斯算子本征函数恢复算法，结合高阶波前校正器的工作特点，提出用于驱动高阶波前校正器的模式控制算法。结合高低阶变形镜的实际校正能力，研究拉普拉斯算子本征模式的去除和选择方式，建立联合使用分区平均法和拉普拉斯算子本征模式法的高低阶解耦控制算法。优化系统设计和解耦算法参数选取，集成一套高低阶曲率自适应光学实验系统，实验研究系统对高低阶像差的校正能力。

设计完成了一套用于补偿低阶像差的反射式柱面光束整形系统。建立了该系统的矩阵光学模型，分析了其对低阶像差的补偿原理，给出了离焦、像散系数与补偿控制量的解析算法，并通过实验研究验证了反射式柱面光束整形系统中利用解析算法进行低阶像差补偿的可行性。构建了基于柱面变形镜的低阶像差闭环补偿实验系统，开展了对不同低阶像差的补偿实验。实验结果表明设计的柱面变形镜对低阶像差具有较好的补偿效果，补偿后的残差中低阶成分PV值小于0.05μm。光束传输因子提高到50%以上，可满足高能激光低阶像差的校正需求。.开展了四臂边缘驱动变形镜的制作与测试。形成了四臂边缘驱动变形镜的制作工艺流程，完成了四臂边缘变形镜驱动器的标定和影响函数的测量。使用ZYGO干涉仪对变形镜形变进行实测，研制的四臂边缘驱动变形镜在50mm有效口径内最大可生成PV=12.83λ的离焦，PV=11.89λ的90°像散，两种面形拟合残差分别为2.04λ与1.70λ。.搭建了双波前校正器的高低阶曲率自适应光学仿真和实验系统。数值仿真和实验结果表明，利用第二类边界条件广义格林函数波前恢复算法的像差探测和模式系数解算是有效的；基于曲率波前传感器的模式控制能够实现自适应光学像差校正和闭环控制；通过合理分配高低阶波前校正器的作用，基于曲率波前传感技术的双变形镜校正效果可同时实现大像差和高频像差的校正；比较分析了不同模式分配方式的校正效果，低阶变形镜校正离焦像散的高低阶曲率自适应光学系统校正效果有一定的优势。