当前课程知识点：光电仪器设计 > 第3章 光电仪器设计原则 > 3.4 光学自适应原则 > 3.4 光学自适应原则
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
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
