3.4 光学自适应原则在线视频

大家好

这节课我们来介绍

光学系统中的光学自适应原则

先说一下什么是自适应光学

那么我们再问这么一个问题

为什么我们看到的星星是一闪一闪的呢

对了 是因为空气扰动

那么天文学家观测星星的时候

他们不希望星星一闪一闪的

该怎么办呢

显然我们不能让空气不扰动

但是我们能做的是补偿空气的扰动

怎么补偿呢

下面我们来看一下自适应光学系统

这个实际上是在天体观察中

用得很多的系统

它是一个自动的反馈系统

比如说星体发出的光经过望远镜以后

被这个图像传感器所接收

那么这里面有很多的分光镜

还有什么倾斜矫正镜 变形镜

我们先不去管它

我们只知道这是一个测量系统

那么如果要是有大气扰动了呢

我们可以把一个本来很好的平面波

加上这个大气扰动以后

给它分解成一个波前倾斜

和一个波面畸变这两项

那么如果我们测量了波前倾斜

我们再去修正它

那这个波前倾斜的量就可以没有了

从分光镜引出一束光到倾斜传感器

倾斜传感器是什么样呢

它其实很简单

它就是一个透镜

如果要是波前不倾斜

那么这个光就入射到焦点上

如果波前倾斜了

那么这个焦点就发生了位移

根据焦点的位移我们就可以知道

波前倾斜了多少

然后我们通过控制电路

来控制这个反射镜来矫正波前倾斜

那么除了波前倾斜还有波面畸变呢

波面畸变的测量我们是这样的

通过这个分光镜引入一束光到波前传感器

那么波前传感器是什么样呢

它其实跟波前倾斜很类似

它只不过是由很多个小的透镜组成

也就是说我们可以把整个这个波前

分成很多个小区间

那么可以认为是每一个小区间

都有波前倾斜

那么用这些微透镜阵列

就可以测到波面畸变了

测到了波面畸变以后

然后我们就可以控制变形镜

来调整波面

变形镜实际上是有很多个压电陶瓷

它在后面推这个反射镜

改变由反射镜反射的波面

也就是说这下面这套系统

实际上是一个补偿系统

使用了这套补偿系统

我们看到的星星就不再一闪一闪的了

刚才说的是自适应光学

由此引申的是光学自适应原则

光学自适应原则实际上是说

在干涉的时候

测量臂跟参考臂最好是共路的

我们来看这样一个干涉显微镜

比如说一束光打到参考镜上

反射到探测器里

另一束光打到被测面上也反射到探测器里

形成干涉

显然这里面参考臂和测量臂并不是共路的

那么这里头如果要是有空气扰动呢

就会产生测量误差

我们来看一下它的改进方案

在它的改进方案里

有一个双折射透镜

这双折射透镜设计得很巧妙

它是将p偏振的光

有一点点会聚

所以这个p偏振的光入射到待测面上

是一个很大的面积

然后再反射到探测器里

而另一个偏振-s偏振的光

刚好很好地聚焦在被测面上

聚焦到被测面上是一个小光点

那么如果这个待测面是一个粗糙的表面

那么我们想测量它的粗糙度的时候

那么这个大面积的参考面

实际上是很多粗糙度信息的平均

而这个小光点正好是我们想要测量的起伏

那么通过扫描这个待测面

就可以得到它的微观信息了

在这里头我们可以看到

测量臂和参考臂是共路的

也就是说它符合光学自适应原则

下面我们再举一个例子

这个例子是用双波长测量空气折射率

在看光路之前我们先看一下公式

我们知道在用干涉的方法测量位移的时候

光程D等于2倍的n乘以L

n是空气折射率

那么如果我们想测量被测物体的位移L

我们需要知道空气折射率

一般空气折射率是怎么知道呢

是通过测量温度和气压

然后通过这个Edlen公式

也就是通过这个经验公式

来计算得到空气折射率

还有一种办法 如果我们使用两个波长

那么这两个波长的空气折射率

实际上是有一定的分散性的

也就是说我们如果用了两个波长

也许我们就可以不测量温度和气压

直接跳过空气折射率这一关

那么我们从上面的式子可以得到

A是恒等于(n2-1)除以(n2-n1)的

这里面n2是一个波长的空气折射率

n1是另一个波长的空气折射率

而n20和n10是它们在另一个

温度气压环境下的空气折射率

从这个式子可以看出

无论压力和温度怎么变化

那么它们的比值是恒定的

从这个比值我们还可以进一步延伸出

要测量的距离2L是等于

D1减去A(D1-D2)

那么这个D1也就是第一个波长的光程

D2是第二个波长的光程

这里面就没有了空气折射率

那么我们再来看一下光路

如果我们有一个激光器

它的波长是1064纳米

是一个YAG激光器

这个激光它通过一个倍频晶体

使它光频产生了倍频

变成了波长为532纳米的激光

也就是这个绿色所示

那么这个倍频晶体它的倍频效率

并不是百分之百

还有一部分光是透过了这个倍频晶体

没有被倍频的

如这个红色所示

那么第二个倍频晶体KTP2呢

它把没有倍频的这个1064的光

再进行一下倍频

那么这个时候穿过第二个倍频晶体的光

基频光又变成了一个倍频光

这时候我们在滤光片这儿

就得到了两个倍频光

一个倍频光是KTP1倍频的

另外一个倍频光是KTP2倍频的

当然第二个倍频晶体它的倍频效率

也不能把所有的基频光全变成倍频的

那么经过这个滤光片

我们在这儿可以看到干涉信号

这个干涉信号实际上

就是基频光和倍频光在干涉

说基频光和倍频光干涉有点觉得奇怪

因为它们波长不同没法进行干涉

那么实际上这里面的基频光

实际上是在第二个倍频晶体里

被倍频了以后

和第一个倍频晶体里倍频以后的光

产生的干涉

那么从这个式子和之前我们得到的A

恒等于(n2-1)除以(n2-n1)的这个式子

我们可以得到n2的这个公式

那么这里头就可以求出空气的折射率了

这里面实际上想说的是

这是一个非常共路的光学系统

它具有比较好的抗干扰性

光学自适应原则

不光是用在干涉中

也就是说它不光是指

干涉过程中测量臂和参考臂共路

实际上在几何光学中也经常会用到

这个是一个研究昆虫运动的例子

为什么要研究昆虫运动呢

因为大家想

通过研究昆虫的运动机理

来研究微型飞行器的设计

我们知道大飞机的制作是仿照鸟

但是把它缩小以后

流体力学有些原理就不适用了

那么通过对昆虫运动的研究

可以指导微型飞行器的制作

我们知道昆虫吃得很少

它的抗风干扰也挺强

那么这个

在目前微型飞行器的设计和制作中

是做不到的

现在的微型飞行器的短板

就是能源利用率和稳定性

因此如果我们好好地研究了

昆虫的运动机理

把它用到微型飞行器的制作中

那么就提高了微型飞行器的飞行效率

那如何研究昆虫运动呢

要研究昆虫的运动首先需要测量

比如说想测量昆虫扇翅时候产生的力

那怎么办呢

可以有这样一个办法

比如我们把昆虫固定在这个杆上

那么由于它扇翅会导致这个杆的变形

那么通过测量它的变形

就可以得到扇翅力了

但是这个杆应该做得比较硬

为什么呢

因为如果它做得比较软

那么杆的固有频率和昆虫的扇翅频率

就会比较接近

那么这时候就容易产生共振

容易产生误差

但是杆硬有杆硬的问题

杆硬了以后

那么它的变形就会很小

特别是在风洞里头

风再一吹 那这时候位移又小 干扰又大

那么就很难测出来了

这个问题该怎么解决呢

我们来看一下光路

激光器发出的光经过反射镜以后

入射到四分之一波片上

那么四分之一波片的反射光

经过偏振分光棱镜以后

被探测器2接收

这时候的这个偏振是水平偏振

而另一方面

透过四分之一波片的光

入射到被测量的杆上

那么因为有四分之一波片

它就把水平偏振变成了圆偏振

然后在杆上反射以后

又经过了一次四分之一波片

那么这时候偏振就变成了垂直偏振

垂直偏振的光如这个红色所示

它在偏振分光棱镜上反射

被探测器1接收

如果这个时候含有昆虫的杆发生了振动

那么这个时候我们可以知道

用红色测量出来的信号

它是含有信号和空气扰动的

而用这个黑色测量出来的信号

是只含有空气扰动的

那么假设我们给这个杆加一个方波

那么这时候我们就会得到

这样两个信号

因为有风

所以这个方波信号

完全被淹没在噪声中了

红色的信号含有被测信号和噪声

黑色的只含有噪声

这两个信号相减 进行一下处理

就可以把方波提取出来了

就如这个绿色的信号所示

下面我们小结一下这节课的内容

这节课我们介绍了光学自适应原则

首先介绍了自适应光学

它是利用测量与反馈控制

来补偿空气扰动的

而在此基础上光学自适应原则

是不需要反馈的

它能够通过光路设计实现抗干扰

在设计干涉仪的时候

测量臂和参考臂最好是共路的

这时候气流对参考臂和测量臂的干扰是一样的

因此就不会产生误差了

这样就有助于提高测量精度

更广义地说在光路设计的时候

如果能增加一路作为参比

参比路与测量路能尽量地共路

这样也可以进行误差的修正

这里头实际上是假设了参比路

它的空气扰动

和测量路中的空气扰动是一样的

这节课就讲到这儿 谢谢