Системи адаптивної оптики
1. Адаптивні телескопи
Розвиток техніки астрофізичних дослідженьйде по шляху створення нових телескопів оптичного діапазону із збільшеноюкорисною апертурою. Це диктується в основному двома міркуваннями: підвищеннямвирішальної сили і збільшенням світлозбираючій здатності інструменту. Яквипливає із законів хвилевої оптики, зображення точкового об'єкту у фокальнійплощині ідеальної лінзи або дзеркала є картиною Эйрі.Центральний освітлений кружок (диск Эйрі) має радіус
/>
Де /> — довжина хвилі використовуваногосвітла, /> —фокусна відстань дзеркала, /> — його діаметр. Відповідно кутовароздільна здатність буде
/>
Виходячи з цих співвідношень, зрозумілопрагнення збільшити діаметр головного дзеркала телескопа. Для п'ятиметровогодзеркала одержимо, або 0,02". На практиці, проте,такий дозвіл реалізувати не вдається. Видимий кутовий діаметр зірок,спостережуваний в великих телескопах, складає звичайно величину близько2". Атмосферні флуктуації суттєво обмежують спроможності наземнихспостережень. Застосування адаптивної техніки переслідує ціль ослабити ціобмеження.
Основне наближення геометричної оптики – це наближеннякоротких довжин хвиль. Це означає, що довжини хвиль вважаються нехтує малими впорівнянні з розмірами неоднорідностей електромагнітного поляі середовища. Тому геометрична оптика не застосовна там, де необхіднодосліджувати тонку структуру неоднорідностей, порівнянних здовжиною хвилі.
Оскільки характерний розмір атмосферних неоднорідностей достатньо великий, можна користуватисяпредставленнями геометричної оптики і вважати, що кожен промінь, що потрапляєвід зірки на дзеркало, одержить збурення фази />. Тому хвилевий фронт, падаючий на дзеркало, не буде плоским. Якщо миуміємо деформувати дзеркало контрольованим чином, то можна сподіватисякомпенсувати збурення, надавши дзеркалу належний профіль.Відмітимо, що при цьому умови спостереження інших об'єктів можуть погіршати:збурення хвилевого фронту від іншої зірки матимуть іншу форму і некомпенсуватимуться.
Обговоримо на першому етапі можливістькомпенсації спотворень у разі єдиного об'єкту. Для оцінок необхідно знатистатистичні властивості випадкової функції /> — фази хвилі, щопройшла через турбулентну атмосферу.
Неважко бачити, що для формуваннязображення несуттєві зрушення фази одночасно по всій апертурі; важливі лишерізниці (між її різними точками
/>/>–/>
Дисперсія цієї різниці фаз залежить відвідстані між точками спостереження і є найважливішою характеристикоюспотвореного хвилевого профілю. Її називають структурною функцією фази:
/>, />
Кутові дужки означають статистичнеусереднювання. У колмогорівської моделі турбулентності для функції /> справедливо вираження.
телескоп адаптація коректорфокусування
/>, />
де />— характернийпросторовий масштаб флуктуації фази (радіус кореляції).
Флуктуації різниці фаз швидко убувають, якщо відстань /> стаємалою />.Для апертур, малих /> атмосферні флуктуації не суттєві.Тому розмір апертури необхідно вибирати рівний радіусу кореляції.
Для типових умов спостереження /> складаєодиниці сантиметрів, і для досягнення дифракційної якості за допомогою«поршневого» коректора довелося б розбити дзеркало на велике число елементів.При додатковій корекції нахилу кожної субапертури спільне число елементів можебути суттєво зменшено.
При малих апертурах хвилевий фронт добреапроксімируеться лінійною залежністю що відповідає нахилу фронту і не виникаєнеобхідності компенсації нахилів хвилевого фронту
2. Поле зору телескопа і розташуваннякоректора
Якщо вважати атмосферу еквівалентноюплоскому фазовому екрану, розташованому на стоянні L від вхідної апертури (малюнок 1), кутова величина /> поля зору приладу, в якому досягається корекція атмосфернихобурень|збурень| залежить від відстані до фазових неоднорідностей:
/>
Для типових значень параметрів /> і /> одержимо />. Такий малийрозмір поля зору являється серйозним недоліком адаптивних телескопів і викликаєприродне прагнення поліпшити цей параметр.
Насправді неоднорідності розподіленірівномірно в шарі завтовшки 15—20 км, що помітно ускладнює вибіррозташування коректора.
Розташовуючи коректор в площині зв'язаноїз фазовим екраном, компенсують всі фазові спотворення. Якщо неоднорідностірозподілені не рівномірно, то коректор розташовують в площині зв'язаної зсерединою обуреної області
Ширина поля зору адаптивного телескопаможе бути збільшена вживанням декількох коректорів, що розташовуються в різнихплоскості. Проте складність управління такою системою є серйозною перешкодою доїї здійснення.
На Північному Кавказі в спеціальнійастрофізичній обсерваторії Академії наук СРСР проводили спостереження слабкихзірок на 6-метровому телескопі. Із застосуванням адаптивної системи ефективністьзбільшилася в 6 разів і розмір зображення був близький до дифракційної межі.
Обговоримо обмеження, які мають місце вастрономічній адаптивній оптиці. Головною особливістю адаптивної оптики вастрономії є те, що тут, як правило, мають справу зі слабким джерелом світла.
Бажано, збільшити час накопиченняфотоелектронів у фотоприймачі, проте, це обмежено характерним часом зміни неоднорідностей «замороженностіатмосфери».
Ще однією особливістю застосуванняадаптивної оптики в астрономії являється немонохроматичність випромінюваннянебесних тіл. Тому доводиться використовувати датчики хвилевого фронту, якіможуть працювати в білому світі, наприклад датчики локальних нахилів типудатчика Гартмана.
У Гарводськой обсерваторії була розробленаі випробувана система компенсацій атмосферних спотворень по опорній зірці – RTAС. Апертура телескопа 30 см коректор був виконаний на базі монолітно-п'єзоелектричного дзеркала з 21 каналомуправління. Крім того, була можливість коректувати загальний нахил хвилевогофронту шляхом нахилу коректора в цілому. Коректор хвилевого фронтурозташовується в плоскості зображення атмосферних збурень.
Плоскість другого зображення спотвореньпісля корекції використовувалася як датчик хвилевого фронту, що вимірю залишковупомилку. Як датчик був використаний сдвиговий інтерферометр. Сигнал з датчика хвилевого фронту поступає нааналоговий обчислювальний пристрій, що виробляє сигнали управління коректором.Постійна часу ланцюгів управління складала приблизно 1 мс.
Штриховим контуром обведений сдвиговий інтерферометр, куди відгалужується частинаскоректованого світлового пучка. Інша частина пучка використовується дляутворення скоректованого зображення джерела.
Для створення крупного адаптивноготелескопа, може бути використана схема з двома коректорами хвилевого фронту івідповідні системи управління (мал. 3). Одна система приводів, що впливаютьбезпосередньо на головне дзеркало, призначена для компенсації дефектів йогоформи і усунення великомасштабних, та порівняно повільних збурень. Другийкоректор розташований таким чином, що зображення головного дзеркала поєднуєтьсяз його поверхнею. Таке розташування спрощує управління двома системамиприводів. Другий коректор має порівняно малі розміри, невелику постійну часу івисокий дозвіл по фронту. Цей коректор призначений в основному для компенсаціїшвидких, та невеликих по амплітуді варіацій фази. Поділ функцій дозволяєпом'якшити ряд обмежень, що накладаються на конструкцію кожного коректора.
3. Інтерферометри з адаптацією
Серед когерентних адаптивних оптичнихсистем інтерферометри знаходять менше застосування, ніж системи формуваннялазерних пучків або корекції зображення. Проте, інтерферометр, на відміну відбільшості інших оптичних приладів, реагує безпосередньо на розподіл фазивхідного випромінювання. Вплив на інтерференційну картину фазових спотвореньреєстрованого поля і фазової корекції, що вноситься керованим елементом,описується простішими виразами, чим наприклад, вплив аберації телескопа наякість одержуваного зображення.
У класичному варіанті зоряногоінтерферометра Майкельсона (приладу високої роздільної здатності для вимірукутових розмірів небесних тіл) на апертуру телескопа накладена маска з двомащілинами.
При цьому у фокальній плоскостіспостерігається зображення, зірки, пересічене інтерференційними смугами (розмірзображення визначається дифракцією на кожній щілині, а період смуг — відстаннюі між ними). Збільшення розміру джерела наводить до розмиття інтерференційноїкартини.
Що вирішує здібність інтерферометраМайкельсона по куту рівна (розмір джерела при тому, що граничному розноситься /> щілин,при якому ще спостерігаються смуги).
/>
Відмінність у вирішуючій силіінтерферометра і телескопа таких же розмірів невелика. Проте база /> вінтерферометрі легко може бути збільшена за допомогою додаткових дзеркал.Сучасний інтерферометр складається з двох невеликих телескопів, світлові пучкияких поєднуються за допомогою спеціальної оптичної схеми(мал.5). База таких приладів може складати декілька десятків метрів. Приспостереженні слабких об'єктів необхідно або компенсувати випадковий набіг фази(що виникає при тривалому спостереженні), або збільшити апертури компонентприладу. Методи адаптивної оптики дозволяють у принципі використовувати обидвашляхи. Проте, із-за обмеженого часу заморіженности атмосфери перший спосіб не перспективний.Другий метод перспективніший. У інтерферометрах з великою базою (більше 100 м) адаптивна компенсація різниці ходу необхідна у зв'язку з обмеженою довжиною когерентностіреєстрованого випромінювання.
Окрім астрономічних приладівінтерферометри широко застосовуються і в інших областях, наприклад, длядистанційної реєстрації малих зміщень або періодичних коливань об'єкту,спостережуваного через турбулентне середовище (мал.1). У таких інтерферометрахяк джерело когерентного випромінювання, використовують лазер. Задача адаптивноїсистеми в цьому випадку зводиться до компенсації різниці довжин плечей вінтерферометрі.
При створенні систем стабілізації різниціфаз існує принципова трудність: пристрій управління повинен якось відрізняти«корисний» зміщення об'єкту, який ми хочемо виміряти, від «шкідливих» збурень,які повинні бути усунені адаптивною системою. Найчастіше така дискримінаціяоснова, на відмінності характерних постійних часу. При реєстрації коливаньзвичайно вважається, що рух, що підлягає вимірюванню, є швидким в порівнянні ззбуреннями.
Типовими причинами дрейфу різниці плечей єтеплове розширення елементів вимірювального пристрою і повільний зміщенняоб'єкту, що викликається неконтрольованими причинами. Ці збурення мають,звичайно, значну постійну часу близько десятків і сотень секунд) і амплітуду,що значно перевищує довжину світлової хвилі. Збурення атмосферного походженнямають характерні частоти нижче 100 Гц; їх амплітуда сильно залежить від довжиниі характеру траси у вимірювальному плечі.
Системи стабілізації різниці довжин плечей входять якскладова частина і в складніші вимірювальні системи. У інтерферометрі завтоматичною компенсацією кутів нахилу об'єкту для підстроювання середньої фазивикористаний метод апертурного зондування. Опорному дзеркалу повідомлялисяколивання з невеликою амплітудою на частоті, що становитьприблизно 10 кГц. При відхиленні різниці довжинплечей від оптимальної в спектрі фотоструму детекторів з'являлася другагармоніка пробного сигналу, яка виділялася фільтром і синхронним детектором.Сигнал з виходу синхронного детектора поступав на вхід підсилювача, що формувавсигнал управління приводом опорного дзеркала. Такий метод управління дозволяєлегко розділити сигнали, що управляють, в різних каналах і забезпечити стійкупідтримку необхідної різниці ходу. Система нечутлива до змін інтенсивностіпучків, що інтерферують, і не вимагає ускладненої оптичної частини приладу.Посилення сигналу розузгодження на частоті /> дозволяє легше подавити перешкодиі здійснити активне регулювання посилення. Ці особливості є суттєвимиперевагами системи стабілізації з пробним збуренням.
4. Системи фокусування випромінювання
Сучасні лазерні системи у принципі здатніпередавати світлову енергію на великі відстані (на космічний корабель дляорганізації, наприклад, оптичного зв'язку з ним) або фокусувати пучок вмікронну область при лазерній зварюванні або різке металу.
Практичні результати використання такихсистем виявилися не настільки вражаючими, як теоретичні оцінки, дифракційніобмеження, що враховують лише. Головним злом з'явилася атмосфера з їїсхильністю до непередбачуваних змін не тільки погоди, але і показниказаломлення на трасі світлового пучка. Свій внесок вносять вібрація системи,теплові деформації дзеркал, недосконалість оптики і т.д. В результаті цілідосягає лише мала частка тієї, що випромінює енергій, а із-за розпливання пучкалокальна щільність потужності виявляється неприпустимо малою. Найпростіший шляхполіпшити ситуацію — підвищити потужність лазера. До недавнього часу так іпоступали, вважаючи, що мета виправдовує засоби, витрачені при цьому нанеминуче переважне нагрівання атмосфери. Проте і тут є межа. Нагріте в каналіпучка повітря формує дефокусіруючу лінзу, внаслідок чого потужність на мішені падає.
Інший шлях зв'язаний з використаннямадаптивних систем фокусування. Що стосується економії енергії, то виграш можевиявитися не таким великим. 69-канальна адаптивна система споживає потужністьблизько 40 кВт, так що повітря як і раніше нагрівається, правда вже не вканалі пучка, а в лабораторії (і в цьому є свої переваги).
5. Фазова система спряження
Ідея методу фазового спряження була реалізована івипробувана в адаптивній системі Хеймса. У поставлених експериментахвикористовувався 40-ваттовий одномодовий генератор на вуглекислому газі,промінь якого за допомогою світлодільників розділяється на сім променів,промені проходили через фазовращателі на бреговских осередках з германію іпрямували на нерухомі дзеркала, що формують діаграму спрямованості випромінювання.Бреговські осередки є акустооптичними модуляторами, які проводять зсув фазиоптичного випромінювання, що проходить через них, при зміні миттєвої частотиакустичної хвилі. Фазообертателі працювали на акустичнихчастотах близько 18 Мгц. При цьому зсув фази може досягати дуже великихзначень (/>) (мал.7).
Зсунуті по фазі пучки після розширенняпрямували на систему дзеркал, що формує випромінюючу хвилю. Взаємнерозташування пучків могло мінятися, що дозволяло створювати різні конфігурації.
Хвиля, відбита від точкової мішені,проходила той же оптичний шлях, що і що випромінює. Для запобігання взаємнимперешкодам при прийомі і передачі використовувалася селекція хвиль пополяризації. Фаза відбитої хвилі в кожному каналі вимірювалася за допомогоюгетеродинної схеми
Після двократного проходження пучків черезприймально-передавальний і гетродиннийтракти, зсунуті по частоті на 4,5 Мгц, хвилі інтерферують між собою вплощині детектора. На фазовий детектор надходить також електричний сигнал,опорного каналу. Фазове розузгодження з опорним сигнал служить для управліннягенератором сигналів, пов'язаним з брегівськім осередком. Такимчином, в промінь, що йде, вноситься зсув фази, або, іншими словами,здійснюється оптичне фазове узгодження з опорним каналом.
Описана схема випробувана на атмосфернихтрасах 1,6-9,5 км. Як імітатор цілі використовувався кутовий відбивачрозміром близько 1 см. Спостерігалася стійка адаптація, що супроводжуєтьсязначним підвищенням потужності сигналу на імітаторі цілі. У смузі частот до2 кГц спостерігалася практично повна компенсаціяфлуктуації інтенсивності на цілі.
6. Системи апертурного зондування
Для фокусування випромінювання лазерасистеми апертурного зондування набули широкого поширення. Особливістю цьогокласу систем являється наявність малих пробних рухів окремих субапертуркоректора. Ці пробні рухи викликають малі зміни реєстрованого сигналу (критеріюфокусування). Як правило, реєструється інтенсивність поля, розсіяного точковимоб'єктом. Збільшення цієї інтенсивності свідчить про зростання рівняосвітленості точкового об'єкту, т. е. про фокусування випромінювання.
Випромінювання генератора на аргоні задопомогою світлодільника розподіляється між відбивними елементами матриці, якіявляються і модуляторами, і коректорами фази для кожного з променів. У системівикористовується сінус/косінусная модуляція, що дозволяє скоротити в два разичисло необхідних частот сканування і, отже, звузити необхідну смугу частот.Потім всі промені зводяться в єдиний пучок і прямують до цілі.
Система показує порівняно широкіможливості методу апертурного зондування. Фокусування може проводитися поблискучій цілі, з інвертуванням робочого сигналу (по чорній точці), поосвітленому краю, з рухомою метою. Характерний час адаптації системи складає1,2..5мс. Діаметр вихідної апертури складає 1,4 см, а розмір субапертури,порядку 0,3см.
Подальший розвиток адаптивної технікипішов по шляху використання в лазерних системах фокусування випромінюваннядзеркал, що безперервно деформуються, оскільки при заданому числі приводівдзеркало, що деформується, забезпечує кращу апроксимацію хвилевого фронту, чим поршневе.
У 18-канальній системі апертурногозондування з багатоканальною фазовою модуляцією використовувалося берилієведзеркало, що деформується, з 37 приводами. Кожен привід викликав зміщенняповерхні дзеркала на 0,488 мкм при подачі напруги±400 В. Дзеркало одночасно виконувало дві функції: модуляцію і корекціюфази. Розмір вихідної апертури пучка складав 2,4 см. Система працювала нагоризонтальній атмосферній трасі завдовжки 150 м. Як показали експерименти, середня інтенсивність випромінювання на мішені при замиканнізворотного зв'язку в системі зростала в три рази. Залежно від початкових умовчас адаптації в системі змінювався в інтервалі 1,5—5 мс.