главная   оптика   волоконная оптика   спектроскопия   лазеры   лазерные системы
 
   
Главная / Оптика / Оптические системы / Датчики волнового фронта
 
 
Оптика /
  Тысячелетняя история развития оптики
  Природа света. Свойства электромагнитного излучения
  Законы оптики и оптические эффекты
  Компоненты оптических схем
  Оптические материалы
  Оптические системы
  Адаптивная оптика
  Формирование 3D изображения. Основные принципы
  Характеристики оптических систем
  Интерферометры
  Датчики волнового фронта
  Оптика смартфона
  Оптическая связь
  Автокорреляторы
  Тепловизоры
  Коноскопия
  Фурье-оптика
  Осветительные приборы
  Проекционные оптические системы
  Медицинские оптические системы
  Оптические системы, расширяющие возможности зрения
  Авиационные оптические системы
  Объективы
  Свет и энергетика
  Зрение
Волоконная оптика
Спектроскопия
Лазеры
Лазерные системы
Телекоммуникации и связь
 
Выставки и конференции
Новости науки и лазерной техники
 
О проекте
Ссылки

 

Датчики волнового фронта

Материал подготовлен Натальей Моисейченко
 

Датчик волнового фронта (ДВФ) является одним из элементов адаптивной системы корректировки лазерного излучения. Его задача – измерять кривизну волнового фронта и передавать эти измерения на обрабатывающее устройство.
 

Изображение искаженного волнового фронта, получаемое с помощью массива микролинз Основными причинами кривизны волнового фронта являются:

  • ♦ турбулентность атмосферы;
  • ♦ неидеальность форм оптических элементов системы;
  • ♦ погрешности при юстировке системы и др.

Сегодня существует большое разнообразие ДВФ. Однако, наиболее распространенный ДВФ на основе схемы Шака-Гартмана.

Такой датчик наиболее часто используется в системах корректировки волнового фронта благодаря своим достоинствам. Одно из главных преимуществ датчика Шака-Гартмана – это его способность измерять большой диапазон наклонов волнового фронта, когда искажения другими методами (например, интерференционными) не измерить. Такой датчик может быть использован для определения аберраций в профиле неколлимированного лазерного пучка. Кроме того, у него малая чувствительность к механическим вибрациям, и он может работать с импульсами большой мощности и фемтосекундной длительностью.


Принцип работы ДВФ Шака-Гартмана состоит в том, что излучение проходит через линзовый растр – матрицу микролинз - и падает на фотоприемник. Линзовый растр состоит из идентичных линз, называемых субапертурой. Они разбивают падающий фронт на малые потоки и фокусируют их на приемнике, обычно ПЗС-матрице. Когда приходящий волновой фронт плоский, все сфокусированные изображения расположены в правильной сетке, обусловленной расположением линз. Если падающая волна имеет какие-либо искажения, то изображения смещаются со своих номинальных значений.

Датчик Шака-Гартмана Изображение фокальных пятен называется гартманограммой. По ее виду можно судить об искривленности волнового фронта. Более подробно принцип действия можно рассмотреть на рисунке:

Как уже говорилось выше, каждая из микролинз массива собирает свет, падающий на его диафрагму и создает одну точку на плоскости детектора. На рисунке подробно показано прохождение волнового фронта через одну микролинзу. Сфокусированные на детекторе световые точки будут располагаться на оси линз (показаны зеленым), только если фронт плоский. Для волнового фронта с сильными искажениями в области микролинз, место позиции сместятся в направлении X и Y (как показано красной точкой), так что каждое место находится далеко от оптической оси Z. Угол α - это угол между искаженным волновым фронтом и плоским волновым фронтом, как показано на рисунке.
 

Смещение центров изображений по двум ортогональным направлениям пропорционально средним наклонам волнового фронта в этих направлениях по субапертурам. Таким образом, ДВФ Шака-Гартмана измеряет наклоны волнового фронта, сам фронт восстанавливается из массива наклонов. Наклоны оцениваются из смещений центроидов изображений фокальных пятен:


 

 

где Iij – интенсивность в фокальном пятне;
хij - положение фокального пятна по оси х;
yij – положение фокального пятна по оси у.

У датчика Шака-Гартмана есть четыре параметра, которые влияют на его разрешающую способность. Это количество микролинз, которые охватывает активную область детектора, диапазон и чувствительность измерений, а также фокусное расстояние микролинз.
 

Количество микролинз показывает, какое максимальное количество коэффициентов Цернике необходимо рассчитать для алгоритма восстановления. Эти коэффициенты показывают величину тех или иных аберраций. При выборе количества линз нужно учесть степень искажения сигнала, т.е. сколько коэффициентов необходимо для эффективного представления истинной аберрации волнового фронта.

Чувствительность (αmin) – это функция минимального смещения пятна, которое может быть обнаружено, приближенно она описывается следующим уравнением:
 

αmin=δymin/f
f – фокусное расстояние микролинзы.
 

Динамический диапазон определяется максимальным смещением, которое можно измерить:
αmax=δymax/f=D/2f
D – диаметр микролинзы.


Эти уравнения были получены при использовании приближения малых углов. Минимальное перемещение δymin зависит от размера пикселя детектора, точности используемого алгоритма, а также от соотношения сигнал/шум датчика.
 

Еще одно достоинство ДВФ Шака-Гартмана – это его ахроматичность, т.е. наклоны волнового фронта не зависят от длины волны излучения.
В настоящее время для некоторых систем требуются компоненты с минимальными габаритами и простыми схемами исполнения. Для таких систем изготавливают ДВФ с клиновым растром, т.е. линзы заменяются оптическими клиньями. Углы при вершине определяются, исходя из заданной координаты центра зоны контроля на чувствительной площадке приемника. Необходимое количество клиньев меньше, чем количество микролинз. Такие датчики используются для выравнивания распределения света по поперечному сечению пучка. Также используют матрицы, состоящие из макролинз. Разрешающая способность таких датчиков гораздо хуже, но стоимость и габариты существенно уменьшаются.
 

История создания и совершенствования датчиков волнового фронта История создания и совершенствования датчиков волнового фронта

 
Кафедра Лазерной техники БГТУ 'Военмех'

Онлайн-конвертер

 
         
 
  разработка сайта NINSIS   190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
тел/факс: +7 (812) 316-49-09
www.laser-portal.ru