大尺寸主动光学镜面波前像差补偿技术的研究

本项目拟研究的大尺寸主动光学镜面波前像差补偿技术属于光学工程学科的国际前沿技术领域-主动光学领域。在工业、军事、空间观察和科学研究中，空间大气的动态干扰和热不稳定性、光学系统的加工与装配误差、光学元件的热透镜效应等，都会造成精密光学系统产生波前畸变。由于畸变无确定规律，随机性强，畸变量微小，因此，必须采用主动光学技术，消除光学波前畸变。针对主动光学系统的广泛应用需求，本项目拟重点研究大尺寸主动光学镜面波前像差补偿技术，通过对大尺寸主动光学镜面波前像差特性及相应补偿技术的理论分析，深入探索研究各相关关键技术，包括：泽尼克像差拟合与位相残差补偿技术，大尺寸主动光学镜面支撑矩阵性能及影响函数理论，大尺寸主动光学镜面的应力与面形分布关联性研究等等。

大尺寸主动光学技术是现代精密光电装备系统中的核心技术，通过自适应光学对光学波前畸变进行校正，决定了现代光电系统能否具有高精度、高光束质量等重要特性。随着现代光学的不断发展，大尺寸自适应光学将在激光等光电系统中发挥越来越重要的作用。.本项目的主要研究内容：系统的研究大尺寸主动光学镜面波前像差补偿技术体系，通过对大尺寸主动光学镜面波前像差特性及相应补偿技术的理论分析，深入探索研究各相关关键技术。.本项目的主要研究成果包括：.针对大尺寸主动光学镜面在面形质量、校正能力和空间分辨率方面存在的问题，提出并研究了基于温度响应的大尺寸主动光学镜面高精度面形控制技术与方法，大尺寸主动光学镜面能够利用连续的温度场控制镜面产生连续平滑的面形，有效解决了大尺寸主动光学镜面面形质量和校正能力方面存在的固有问题，并在一定程度上提高了大尺寸主动光学镜面的空间分辨率。.基于大尺寸主动光学镜面支撑矩阵和影响函数理论，提出双向掠入射式变形镜方案。对于相位分布具有明显方向性的像差，在其相位变化方向上的单次掠入射即可以获得理想的校正效果。从前30阶Zernike像差的校正结果来看，在双向掠入射校正方式下，校正后的拟合因子能够控制在0.05以内，达到理想的校正效果。该方法能够在驱动器间距一定的情况下，提高对中小口径光束的波前校正能力，在对含高阶像差的波前相位校正中，其校正能力的提高更加明显，为解决高功率激光应用中驱动器密度不足的问题开辟了一个新的思路。.通过对空间频率域中的理论分析，考虑空间频率响应函数、模式和空间频率分布，以及欠校正模式的幅值等控制向量误差的影响因素，对大尺寸主动光学镜面波前像差补偿技术进行深入分析。数值仿真表明，当采用频率响应更为一致的面形控制算法时，能够实现更优的校正性能。其中，入射波前中的高阶谐波分量，以及DM的致动器数目对校正性能影响最大。因此，通过优化变形镜面形控制算法，能够保证稳定的、优化的校正性能，充分发挥大尺寸变形镜的校正能力。.通过本项目的研究，对大尺寸主动光学镜面技术进行了充分的完善，解决了系列关键技术，为最终形成完善的大尺寸主动光学系统技术的理论系统打下坚实的基础。.基于本项目的研究成果，能够进一步提高大尺寸主动光学系统的关键技术性能，从而促进大尺寸自适应光学在空间成像、天文望远镜、人眼医疗、高功率固体激光装置和高功率激光器的广泛应用。