Адаптивная оптика

Адаптивная оптика – раздел оптики, занимающийся разработкой оптических систем с динамичным управлением фомой волного фронта для компенсации случайных возмущений и повышения т.о предела разрешения наблюдательных приборов, степени конценттрации излучения на приёмнике или мишени и.т.п. А.О. начала интенсивно развиваться в 1950 – е в свези с задачейкомпенсации искателей фронта, вызванных атм.Турболётностью и накладывающих основное огарничение на разрешающую способность наземных телескопов. Позднее к этому добавилисьпрблемы создания орбитальных телескопов и мощных лазерных излучателей, подвержанных другим видам помех. Нужны деньги на новый телевизор: lcd телевизоры. Купить телевизор.
Адаптивные оптические системы классифицируются по порядку волновых аббераций к – рые они способны компенсировать (т.е.по степени полинома, в виде к – рого представляется распределения фазовой проверк по сечению пучка). Простейшие системы 1 – ого и 2 – ого порядков – изменяют общий накллон волнового фронта и его кривезну простым перемещением отдельных оптических элементов фиксированной формы. Для систем более высокого порядка в каче­стве корректирующих элементов в начале чаще всего использова­лись зеркала, разбитые на соответствующее число самостоятельно перемещаемых сегментов. Постепенно они вытесняются лёгкими (мембранными) зеркалами, формой поверхнос­ти к – рых управляют либо созданием изгибающих моментов внутри самого зеркала, либо действием со стороны несу­щей конструкции. Часто используются небольшие дефорируемые зеркала с пьезо электрическими прово­дами, устанавливаемые на участках оптической системы с умерен­ными размерами сечения све­того пучка (не подалеку от фокальной плоскости объектива телескопа и. т. п.) Информацию о необходимом воздействии на волновой ффронт получают методом пробных возмущений либо непосредственно из­менением формы фронта. Оба эти способа применяются при созда­нии как приёмных, таки излучающих систем. Метод пробных возмущений (или апертурного зондирования) за­ключается в измерении реакции на небольшие, преднамеренно вно­симые фазовые искожения. Контролируемым параметром при этом обычно является интенсивность излучения в сфокусированном пятне либо интенсивность света, расеянного мишенью. Эффекты, за которые ответственны разные виды фазовыых искажений, разде­ляют либо по частоте (т.н. многовибраторный метод), либо по вре­мени (т.н. многоступенчатый или последовательный метод). В пер­вом случае возбуждаются малые гармонические колебания раз­лич­ных участков зеркала (либо колебательный модификаций зеркала в це­лом ) с различными частотами; спектральный анализ результи­рую­щего сигнала позволяет установить величену и направление необхо­димых для оптимизации системы изменений формы фронта. Во вто­ром случае возбуждение колебаний отдельных участков или модификаций зеркала осуществляется последовательно во времени. Для пробных возбужлений и итоговой корректировки фазового рааспределения обычно используются разные зеркала – одно обес­печивает малые изменения фазы с высокими временными часто­тами, второе имеет значительно больший диапозон изменения формы и может быть более инерционным. Связанное с этим услож­нение оптического тракта в определённой степени компенсируется применением лишь одного некогерентного приёмника излучения. ПРЯМЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛНОВОГО ФРОНТА. Для него разработаны самые разнобразные и прой весьма ориги­нальные способы (главным образом интерферометрические), обычно применяемые в сочетании с методом компенсации волно­вого фронта (для приёмнях систем) и методом фазового сопряжения (для излучателей).Метод компенсации заключается в востановлении у волнового фронта излучения, прошедшнго от находящегося в поле зрения точечного объекта, идеальной сферической формы (утрачен­ной им в следствии влияния турболётности атмосферы и абберации объективателескопа). В методе фазового сопряжения волновому фронту излучения, придаётся форма, сопряжения по фазе с фронтом опорного излучения, рассеяного мишенью и пришедшем к источ­нику. Схема фазового сопряжения. Толстая линия – волнового фронта исходной волны; тонкая – волновой фронт опорного излучения; стрелками показано направление распространения волновых фронтов. Для предварительного освещения мишени с целью получения опорного излучения может использоваться как основной, так и вспомогательный источник. Т.о., на излучаемую волну заранее накладываются такие искажения, что последующие искажения на пути её распространения оказываются скомпенсированными; этим достигается максимальная концинтрация излучения на мишени. Нередко к А.О. относят также область лазерной техники, связанную с применеиием фазовосопряженных волн для автокомпенсаций искажений волнового фронта в мощных лазерных усилителях. В нек – рых случаях удаётся непосредственное преобразование опорной волны в сопряжённую с помощью методов нелинейной оптики и голографии. ВОЛНОВОЙ ФРОНТ Волновой фронт – поверхность на всех точках к – рой волна имеет в данный момент времени одинаковую фазу. Распространение волны происходит в направлении нормали к В.Ф. и может рассматриваться как движение В.Ф. В трехмерном случае волновое поле, создаваемое точечным источником (монополем, диполем и.т.д.) в изотропной среде имеет сферическое В.Ф., в двухмерных системах (направленные волны на поверхности водоёмов) – цилиндрические или круговые, в одномерных системах (линии передачи, волноводы) - плоские В.Ф. ОБРАЩЁННЫЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ *****НГПНГПГНППИНОРМПНОРПЫГАЫЩШ** Если направление распространения двухволн прямопроти­во­полож­ны, а пространственное распределение фаз и амплитуд этих волн идентичны, то их волновые фронты называются обращённым по отношению друг к другу. Направленный волновой фронт сфери­чес­кой волны, расходящиеся от источника, является обращённым по отношению к фронту сферической волны, сходящейся к тому же источнику. В более общем случае О.В.Ф. по отношению к фронту исходной волны: 1. ei(x,y,z) = A (x,y,z) = cos [wt + j (x,y,z)]. где x,y,z – пространственнык координаты, t – время, А (x,y,z) – амплитуда фаза, имеет волна: e2(x,y,z) = BA(x,y,z)*cos[wt--j(x,y,z) + j0]. 2. Здесь В и j0 - произвольные константы (рис. 1). В комплексном представлении e1 = Re[E (x,y,z) eiwt ] e2 = Re[E cosE*(x,y,z)eiwt]. 3. Где Е и Е* - комплексно сопряжённые функции. Поэтому волны e1 и e2 называют также сопряжёнными фазовыми – сопряжёнными. Волна с В.О.Ф. распростроняясь сквозь прозрачную среду щет в обратном направлении в точности по пути исходной волны, каким бы трудным он не был. Это свойство волны создаёт уникальные возможности для решениа ряда практически важных задач: компенсации аббераций оптических систем, создание мощных лазерных систем, создания мощных лазерных устройств с предельно высокой направленностью излучения, передачи световой энергии на расстояние, оптической обработки информации, самонаведения, излучение на мишене и др. Амплитудно – фазовое распределение исходной и обращённой волн: Тонкая линия – В.Ф. исходной волны; толстая – фронт обращённой волны; ориентация показывает направление распростронения.
Фотографии световых пучков (поперечные сечения в фокальной плоскости) а – исходный слабый пучок; б – однократноусиленный пучок; в – об­ращённый, повторно усиленный пучок (масштаб всех фотографии одинаков). Направленность излучения ггенерируемого в мощных лазерных системах в основном ограничивается искажениями в оптических элементах: абберациями линз, неоднородностями оптических материалов, воздуха и др. неоднородностями в усиливающей (активной) среде лазеров. Величина неоднородностей, как правило, возростает по мере увеличения мощности лазеров. Использование О.В.Ф. позволяет получать в системах с оптически неоднородными
элементами пучки света с почти плоским волновым фронтом,т.е. с направленностью, ограниченное лишь дефракцией. Для этого слабую световую волну с плоским волновым фронтом (рис 2а) пропускают сквозь лазерный усилитель и затем подвергают обращению. По мере распространения исходной волны в усилителе её амплитцда растёт, но одновременно накапливаются искажения волнового фронта и соответственно ухудшается направленность (рис. 2б) обращённая волна, распространяясь сквозь усилитель в обратном направлении, также усиливается в обратном направлении, также усиливается, а её волновой фронт постепенно выправляется всюду повторяя форму фронта исходной волны. Врезультате все абберации компенсируются и на выходе системы фронт дважды усиленных пучка остановится практически плоским (рис 2в). В некоторых случаях необходимо концентрировать лазерное излучение на площади с малыми угловыми размерами, направленными на мишени, нагреваемым светом для получения высоко температурной плазмы (см. лазерная плазма). При этом полжение мишени пространтве может меняться неконтролируемым образом. О.В.Ф. обеспечивает автофокусировку (самоноведение) излучения на мишень. Мишень подсвечивается широким пучком слабого вспомогательного лазера (рис. 3). Усиленная волна поступает в устройство, осуществляющее обращение волнового фронта(инветор. Обращённая волна, распростроняясь в оьратном направлении, последовательно проходит усилитель и линзу, и конуентрируется точно на мишене. Самоноводящаяся система может быть многоканальной, и тогда на мишене не будет концентрироваться излучение от многих параллельноработающих усилителей. О.В.Ф. можно получить в результате отражения исходной волны от зеркала, поверхность к – рого совпадает с её Схема лазерной системы с самонаведением на мишень; стрелки указывают направление распростронения волн. О.В.Ф. в этом случае формируется за счет того, чтоповерхность зеркала в любой точке перпендикулярна направлению распростра­нения исходной волны,и отражение меняет его на противоположное, не изменяя амплитудного распределения. Известные и др. способы вращения: О.В.Ф. получают по средст­вам параметрического света (см. нелинейная оптика), методами го­ло­графии, при вынужденном рассеянии света и.т.д. Голографиче­с­кий способ получения волны с О.В.Ф. по отношению к предметной волне состсит в записи голограммы предметной волны с помощью нек – рого опорного пучка и считывании этой голографии пучком, обращённым по отношении к опорному. Для обращения не стационарных волн используют динамичные голограммы, в которых запись и воспроизведение осуществляется одновременно. Принципиально по иному происходит обращениее (точнее самобращение) волнового фронта при вынужденном Мандельштама – Бриллюэна рассеянии. Необходимым условием обращения в этомм случае является пространственная неоднородность исходной волны. В нелинейной среде под действием света с пространственнонеоднородной интенсивностью возникает пространственнонеоднородное распределение коэффициента усиления рассеяных световых волн. В спонтанно рассеяном свете присутствуют волны возможных конфигураций. Волна с О.В.Ф. обладает преимущественным усилением по сравнению с остальными т.к. только у неё максимумы интенсивности всюду в среде совпадают с максимумами интенсивности возбуждающего света. Этот фактор в сочетании с громадным общим усилением, характерном для вынужденного рассеяния света ( @ 1011), приводит к тому, что обращённая волна резко выделяется на волне остальных, и в ней концентрируется практически вся энергия. АББЕРАЦИЯ (оптических систем) А.О.С. - искажения, погрешности изображений, формируемые оптическими системами. А.О.С. проявляется в том, что оптические изображения не вполне отчётливы, не точно соответствуют объектам или оказываются искажёнными. Наиболее распространены след. видны А.О.С.: сферическая абберация – недостаток изображения, при к - ром испущенное одной точкой объекта световые лучи, прошедшие через остальные от оси части системы, не собираются в одну точку: кома – абберация, возникающая при косом прхождении световых лучей через оптическую системы, сферическая световая волна деформируется так, что пучки объекта не пересекаются в одной точке, а распологаются в двух взаимно перпендикулярных отрезках на некотором расстоянии друг от друга, то такие пучки наз. Астигматическими, а сама эта абберация – астигматизмом. Абберация называемая дисторсией, приводит к нарушению геометрического подобия между объектом и его изображением. Оптические системы могут обладать одновременно несколькими видами аббераций: их устранение производят в соответствии с назначением системы; часто оно представляет собой трудную задачу. Пепечисленные А.О.С. называют геометрической. Существует ещё хроматическая абберация, связанная с зависимостью показателя преломления оптической среды от длины волны света. В следствии волновой природы света, несовершенства изображений в оптических системах возникают также в результате дефракции света на диафрагмах оправах линз и т.п. Они принципиально неустранимы (хотя и могут быть уменьшены), но обычно влияют на кач – во изображения геометрической и хроматической А.О.С. ГОЛОГРАФИЯ. Новые возможности получения оптической образов без применения фокусирующих систем даёт голография, основанная на однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распростроняющихся от него (рассеяных им) световых волн. Для регистрации поля с учётом распределения фаз волн и голографии изображения на рассеяное телом излучения накладывают дополнительное когерентное поле и фиксирует (направленное на фоточувствительном слое) возникающую при этом инерференциальную картину. При расматривании полученной т.о. плоской голограммы в когернтном (монохроматическом) свете или объёмной голограммы в балом свете получается объёмное изображение предмета. Развитие гологафии связано с появлением лазеров, позволяющих получать интенсивные когерентные световые поля. Она находит применение при решение многих научных и технических проблем (изучение св – в плазмы, исследование сдвигов и нвпряжений в телвх и т.д). НЕ ЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА. В классической волновой О.параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно оптические прцессы описываются линейными дифферинциальными ур – ниями. Однако во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предложение не справедливо и показатель преломления оказывается зависящем от напряжённости электрического поля световой волны (нелинейная поляризуемость в – ва), Это приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков (самофокусировка света и его самодефукусировка), к изменению состава света, проходящую через нелинеейную среду, а в среде выделенных направлений преимущественного взаимодействия световых волн и т.д. Эти явления рассматриваются не линейной оптикой, получившей большое развитие в связи с созданием лазеров.
ФОКАЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ (фокус). В оптике, точка, к – рая после прохождения параллельным пучком лучей оптической системы пересекаются лучи пучка (или их продолжения, если система превращает параллельный пучок в расходящейся). Если лучи проходят параллельно оптической оси системы. Фокус находится на этой оси; его называют главным фокусом. В идеальной оптической системе все Ф. Расположены на пл – ти, перпендикулярной оси сис – мы и называется фокальной плоскостью. В реальной системе Ф. Могут распологаться на нек – рой иной фокальной поверхности.
РАССЕЯНИЕ МАНДЕЛЬШТАМА – БРИЛЛЮЭНА. Рассеяние оптического излуччения конденсированными средствами (твёрдыми телами и жидкостями) в результате его взаимодействия с собственными упругими колебаниями этих сред М. - Б.Р. сопровождается изменением частот (длин волн), характерезующих излучение. Например М. – Б.Р монохроматического света в кристаллах приводит к появлению шести частотных компонентов рассеяного света, в жидкостях – трёх (одна из них – является неизменной частотой). Сравнительно сильное взаимодействие между частицами конденсированных сред (в кристаллах оно связывает их в упорядоченную прстранственную решётку) приводит к тому, что по всевозможным направлением в среде распространяются упругие волны различных частот. Наложение таких волн друг на друга вызывают появвление флуктуацией плотности среды, на к – рых и рассеивается свет. М. – Б.Р. показывает, что световые волны взаимодействуют не только с флуктуациями плотности, но и непосредственно с упругими волнами, обычно не наблюдаемыми по отдельности. Особенно наглядна физическая картина явления в кристаллах. В них упругие волны одинаковой частоты, бегущие навстречу друг другу, образуют стоячие волны той же частоты, т.е. создают периодическую решётку на к – рой происходит дифракция света; это явление аналогично дифракции на ультрозвуке. Рассеяние света стоячими волнами происходит по всем направлениям, но, вследствии интерференции света, за рассеяние в данном направлении ответственна упругая волна одной определённой частоты. Пусть на плоском фронте такой волны (рис.) рассеивается изменяя своё направление на угол Q, лучи падающего света частоты n (длины волны l; l = с*/n, где с* - скорость света в кристалле). Для того чтобы рассеяные лучи интерферируя давали максимум интенсивности в данном направлении, необходимо чтобы оптическая разность хода СВ + ВD соседних падающих (1 и 2) и рассеяных (1¢ и 2¢) лучей была равна l: 1. 2nÑ * sin (Q/2) = l , где Ñ = АВ – длина рассеивающей упругой волны. Рассеяние световой волны на упругой эквивалентно модуляци света падающего пучка с частотой к выражению для относительногоизменения частоты рассеяного света : 2. Dn/n = -+ 2u/с* sin(Q/2) (u - скорость упругих волн). Смещение частоты света при М. – Б.Р. относительно невелико, т.к. uс*= 2*1010 см/с и при рассеянии под ÐQ =90° Dn/n = 0.003%. Однако такие величины надёжно измеряются интерферометрическими методами. Из представления о стоячих волнах модулирующих световую волну исходил Л.И. Мандельштам, теоритически предсказавший это рассеяние. Независимо от него те же результаты получил француский физик Л. Бриллюэн, рассматривая рассеяние света на юегущих на встречу друг другу упругих волнах в среде. Причиной «расщепления» монохроматических линий в этом случае оказывается эффект Доплера. Эксперементально М. – Б.Р впервые наблюдалось Мандельштамом и Г.С Ландсбергом (1930 г.). Детально его исследовал Е.Ф. Гросс. В частности он обнаружил (1938 г.), что М. – Б.Р. в кристаллах расщепляет монохроматическую линию на шесть компонентов, это объясняется тем, что скорость звука u кристалле различна для разных направлений, вследствии чего в общем случае в нем существуют три – одна подольная и две поперечные упругие волны одной и той же частоты, каждая из к – рых распростроняется со своей u скоростью. Он же изучил М. – Б.Р. в жидкостях и аморфных твёрдых телах (1930 – 32 гг.) при к – ром наряду с двумя смещёнными наблюдается и несмещённая компонента исходной частоты n. Теоритические объяснения этого явления принадлежит Л.Д. Ландау и чешскому физику Г. Плачеку (1934 г.), показавший, что кроме флуктуации пл – ти необходимо учитывать и флуктуации тем – ры среды. Создание лазеров не только улучшило возможности наблюдения М. – Б.Р., но и привело к открытию т.н вынужденного М. – Б.Р. Оно обусловлено нелинейным взаимодействием интенсивной возбуждающей световой волны (первоночально слабой рассеяной волны) упругой тепловой волны. Основой такого вз – вия является эффект электрострикции, заключающийся в том, что диэлектрик в электрическом поле напряжённостью Е меняет свой объём и т.о. возникает электрострикционное давление (а следовательно обращается упругая волна). Электрострикционное давление пропорционально Е2. В гигантском импульсе лазера напряжённость электрического поля световой волны может достигать значений 104 и 108 В/см и тогда электрострикционное давление может составить сотни тыс. атмосфер и возникает весьма интенсивный гиперзвук. Интенсивность звуковой волны возникающий при вынужденном М. – Б.Р. невелика. Исследования М. – Б.Р. в сочетании с др. методами позволяют получить ценную информацию о св – вах рассеивающей среды. Вынужденные М. – Б.Р. используется для генерации мощных гиперзвуковых волн в кристаллах.