Том 38, номер 12, статья № 2

Аннотация:

Данная работа посвящена поиску и экспериментальной проверке эффективных методов компенсации динамических атмосферных искажений лазерного пучка при его распространении через турбулентную среду. В работе представлены результаты лабораторного эксперимента по коррекции искажений волнового фронта лазерного излучения, прошедшего турбулентную павильонную трассу. Турбулентность моделировалась с помощью тепловентилятора, осуществляющего подачу теплого воздуха перпендикулярно распространению пучка. Компенсация искажений проводилась с помощью адаптивной оптической системы, включающей в себя корректор наклонов волнового фронта и биморфное деформируемое зеркало. Эффективность работы системы оценивалась путем анализа распределения интенсивности излучения в дальней зоне. Показано, что созданные турбулентные искажения по своему спектральному характеру близки к колмогоровской турбулентности с шириной полосы около 30 Гц. Установлено, что для эффективной компенсации аберраций волнового фронта частота работы адаптивной оптической системы должна в 20–30 раз превышать ширину полосы турбулентности. При частоте работы системы 1 кГц расходимость пучка была снижена до 1,4 от дифракционного предела, а при повышении частоты до 2 кГц с помощью программируемой пользователем вентильной матрицы может быть достигнута точность стабилизации положения пучка на уровне 5 мкрад. Результаты работы могут быть использованы при проектировании высокоэффективных систем, связанных с распространением лазерного излучения в турбулентной среде.

Ключевые слова:

адаптивная оптика, адаптивная оптическая система, программируемая пользователем вентильная матрица, турбулентность атмосферы

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Phipps C.R., Baker K.L., Libby S.B., Liedahl D.A., Olivier S.S., Pleasance Lyn D., Rubenchik A., Trebes J.E., George E.V., Marcovici B., Reilly J.P., Valley M.T. Removing orbital debris with lasers // Adv. Space Res. 2012. V. 49. P. 1283–1300. DOI: 10.1364/AO.54.001453.
2. Shen S., Jin X., Hao C. Cleaning space debris with a space-based laser system // Chin. J. Aeronaut. 2014. V. 27. P. 805–811. DOI: 10.1016/j.cja.2014.05.002.
3. Weyrauch T., Vorontsov M. Free-space laser communications with adaptive optics: Atmospheric compensation experiments // J. Opt. Commun. Rep. 2004. V. 1. P. 355–379. DOI: 10.1007/s10297-005-0033-5.
4. Huang Q., Liu D., Chen Y., Wang Y., Tan J., Chen W., Liu J., Zhu N. Secure free-space optical communication system based on data fragmentation multipath transmission technology // Opt. Express. 2018. V. 26. P. 13536–13542. DOI: 10.1364/OE.26.013536.
5. Wang R., Wang Y., Jin C., Yin X., Wang S., Yang C., Cao Z., Mu Q., Gao S., Xuan L. Demonstration of horizontal free-space laser communication with the effect of the bandwidth of adaptive optics system // Opt. Commun. 2018. V. 431. P. 167–173. DOI: 10.1016/j.optcom.2018.09.038.
6. Andrews L.C., Phillips R.L. Laser Beam Propagation Through Random Media. Bellingham, WA: SPIE Press, 2005. 820 p.
7. Liu D., Wang Z., Liu J., Tan J., Yu L., Mei H., Zhou Y., Zhu N. Performance analysis of 1-km free-space optical communication system over real atmospheric turbulence channels // Opt. Eng. 2017. V. 56. P. 106111. DOI: 10.1117/1.OE.56.10.106111.
8. Li M., Cvijetic M. Coherent free space optics communications over the maritime atmosphere with use of adaptive optics for beam wavefront correction // Appl. Opt. 2015. V. 54. P. 1453–1462. DOI: 10.1364/AO.54.001453.
9. Rui W., Yukun W., Chengbin J., Xianghui Y., Shaoxin W., Chengliang Y., Zhaoliang C., Quanquan M., Shijie G., Li X. Demonstration of horizontal free-space laser communication with the effect of the bandwidth of adaptive optics system // Opt. Commun. 2019. V. 431. P. 167–173. DOI: 10.1016/j.optcom.2018.09.038.
10. Rukosuev A.L., Nikitin A.N., Sheldakova Y.V., Kudryashov A.V., Belousov V.N., Bogachev V.A., Volkov M.V., Garanin S.G., Starikov F.A. Fast adaptive optical system for correcting the laser wavefront distorted by atmospheric turbulence // Quantum. Electron. 2020. V. 50. P. 707–709. DOI: 10.1070/QEL17382.
11. Rukosuev A., Nikitin A., Belousov V., Sheldakova J., Toporovsky V., Kudryashov A. Expansion of the laser beam wavefront in terms of Zernike polynomials in the problem of turbulence testing // Appl. Sci. 2021. V. 11, N 24. P. 12112. DOI: 10.3390/app112412112.
12. Kudryashov A., Rukosuev A., Nikitin A., Galaktionov I., Sheldakova J. Real-time 1.5 kHz adaptive optical system to correct for atmospheric turbulence // Opt. Express. 2020. V. 28. P. 37546–37552. DOI: 10.1364/ AOMS.2020.JW3G.5.
13. Rausch P., Verpoort S., Wittrock U. Unimorph deformable mirror for space telescopes: Design and manufacturing // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 19469–19477. DOI: 10.1364/OE.23.019469.
14. Sinquin J.-C., Lurçon J.-M., Guillemard C. Deformable mirror technologies for astronomy at CILAS // Proc. SPIE. 2008. V. 7015. P. 70150O. DOI: 10.1117/12.787400.
15. Волков М.В., Богачев В.А., Стариков Ф.А., Шнягин Р.А. Численные исследования динамической адаптивной фазовой коррекции турбулентных искажений излучения и оценка их временных характеристик с помощью датчика Шэка–Гартмана // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 7. С. 547–554. DOI: 10.15372/AOO20210710; Volkov M.V., Bogachev V.A., Starikov F.A., Shnyagin R.A. Numerical study of dynamic adaptive phase correction of radiation turbulent distortions and estimation of their frequency bandwidth with a Shack–Hartmann wavefront sensor // Atmos. Ocean. Opt. 2022, V. 35, N 3. P. 250–257.
16. Anugu N., Lancelot J.P. Study of atmospheric turbulence with Shack Hartmann wavefront sensor // J. Opt. 2013. V. 42. P. 128–140.
17. Platt B., Shack R. History and principles of Shack–Hartmann wavefront sensing // J. Refr. Surg. 2001. V. 17, N 5. S573-7.
18. Southwell W.H. Wave-front estimation from wave-front slope measurements // J. Opt. Soc. Am. 1980. V. 70. P. 998–1006.
19. Primot J. Theoretical description of Shack–Hartmann wave-front sensor // Opt. Commun. 2003. V. 222. P. 81–92.
20. Neal D.R., Copland J., Neal D.A. Shack–Hartmann wavefront sensor precision and accuracy // Proc. SPIE. 2002. V. 4779. DOI: 10.1117/12.450850.
21. ГОСТ Р 8.745—2011/ISO/TR 14999-2:2005 – Государственная система обеспечения единства измерений, оптика и фотоника. Интерференционные измерения оптических элементов и систем. Часть 2. Измерения и методика оценки результатов. М.: Стандартинформ, 2014. 53 с.
22. Brigham E.O. The Fast Fourier Transform and its Applications. N.J.: Prentice-Hall, 1988. 448 p.
23. Белоусов В.Н., Богачев В.А., Волков М.В., Гаранин С.Г., Кудряшов А.В., Никитин А.Н., Рукосуев А.Л., Стариков Ф.А., Шелдакова Ю.В., Шнягин Р.А. Исследования пространственно-временных характеристик искаженного турбулентностью лазерного излучения при его динамической фазовой коррекции в адаптивной оптической системе // Квант. электрон. 2021. Т. 51, № 11. С. 992–999.
24. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.
25. Харди Дж.У. Активная оптика: Новая техника управления световым пучком // ТИИЭР. 1978. Т. 66, № 6. С. 31–56.
26. Volkov M.V., Starikov F.A. Simulation of phase correction of sinusoidal distortions in the adaptive optical system with finite operation speed // Proc. SPIE. 2022. V. 12341. DOI: 10.1117/12.2644876.