【摘要】：自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能夠?qū)Υ髿獠ㄇ盎冞M(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和實(shí)時(shí)校正,使天文望遠(yuǎn)鏡克服諸如大氣湍流等動(dòng)態(tài)擾動(dòng)產(chǎn)生的波前像差對(duì)天文觀測(cè)的影響,獲得接近系統(tǒng)衍射極限的分辨率。變形鏡是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中最常見的一種波前校正器,其性能直接影響自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正能力。下一代天文望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑超過(guò)30米,隨著主鏡口徑的增大,對(duì)變形鏡校正能力的需求也急劇增大。當(dāng)前10米級(jí)望遠(yuǎn)鏡及下一代30米級(jí)望遠(yuǎn)鏡要求變形鏡擁有數(shù)千單元的致動(dòng)器(隨望遠(yuǎn)鏡口徑變化)和數(shù)百赫茲的工作帶寬(隨觀測(cè)波長(zhǎng)變化)�；趬弘婒�(qū)動(dòng)的變形鏡具有大變形量、低驅(qū)動(dòng)電壓、低成本、輕量化等優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)壓電片變形鏡的工作帶寬和口徑成反比,難以同時(shí)具備大口徑(高致動(dòng)器數(shù)目)和高帶寬性能,限制了它在現(xiàn)代天文觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文從天文觀測(cè)應(yīng)用中大氣湍流波像差實(shí)時(shí)校正對(duì)變形鏡的性能需求出發(fā),研究滿足天文望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)校正需求的大口徑、高帶寬、高空間頻率的壓電變形鏡。本論文具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)大氣湍流對(duì)望遠(yuǎn)鏡成像的影響分析與大氣湍流導(dǎo)致的波像差仿真生成。理論分析了大氣湍流波像差對(duì)天文光學(xué)成像的影響,通過(guò)對(duì)湍流像差的理論分析得出天文應(yīng)用對(duì)變形鏡單元數(shù)、沖程和工作帶寬的需求,用于指導(dǎo)變形鏡設(shè)計(jì)。研究大氣湍流導(dǎo)致的波像差的生成方法,基于甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)的平均大氣環(huán)境參數(shù),通過(guò)仿真的方法成功生成了隨機(jī)大氣湍流波像差。隨機(jī)生成的大氣湍流波像差可以用于驗(yàn)證變形鏡對(duì)天文觀測(cè)中大氣湍流波像差的校正性能。(2)大口徑高帶寬組合式壓電變形鏡研究。從10米級(jí)口徑望遠(yuǎn)鏡中大氣湍流波像差校正對(duì)變形鏡的需求出發(fā),提出傳統(tǒng)大口徑壓電片變形鏡的工作帶寬不足的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題,本論文提出了一種新型的組合式壓電變形鏡,通過(guò)采用單壓電層和驅(qū)動(dòng)陣列層組合驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)了大口徑壓電變形鏡的高帶寬性能。研究了制備組合式變形鏡的關(guān)鍵工藝和技術(shù),并成功制備了變形鏡樣機(jī)。變形鏡樣機(jī)的有效口徑為80mm,一階諧振頻率約為950Hz。其初始面型PV值小于10μm,自矯平后的鏡面面型RMS值小于15nm。校正仿真生成的隨機(jī)大氣湍流波像差后的殘余像差RMS值約為38.6nm (λ/50,觀測(cè)波長(zhǎng)λ=2.2μm),表明組合式變形鏡能夠很好地校正10米級(jí)口徑望遠(yuǎn)鏡中存在的大氣湍流波像差。(3)變形鏡性能表征方法研究。設(shè)計(jì)了基于Shack-Hartman波前傳感器的大口徑變形鏡測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)仿真優(yōu)化了光路配置以減小系統(tǒng)像差,并完成了測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建和調(diào)試。該測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)試80mm以下口徑變形鏡的基本性能,包括變形量、影響函數(shù)、交聯(lián)值、Zernike像差重構(gòu)能力、閉環(huán)校正能力等。(4)激光內(nèi)腔自適應(yīng)光學(xué)校正研究。針對(duì)高功率Nd:YAG固體激光器中由于熱透鏡效應(yīng)的影響導(dǎo)致輸出功率大幅下降,以及在內(nèi)腔自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中引進(jìn)了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)增加光路復(fù)雜性、降低激光器輸出功率的問(wèn)題,設(shè)計(jì)并搭建了一種無(wú)擴(kuò)束單元的激光內(nèi)腔自適應(yīng)校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)校正熱效應(yīng)的影響,使Nd:YAG激光器在不同的泵浦功率下都達(dá)到最大功率輸出。校正前后固體激光器的輸出功率最大提升率為43.6%。此外,內(nèi)腔自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)還使Nd:YAG激光器的最大輸出功率得到約8%的提升�；谝陨涎芯�?jī)?nèi)容,本論文的創(chuàng)新之處在于提出了一種大口徑高帶寬的組合式壓電變形鏡,并制備了變形鏡樣機(jī),完成了樣機(jī)的的性能表征。該組合式變形鏡克服了壓電片變形鏡的工作帶寬隨變形鏡口徑增大而降低的矛盾,同時(shí)具有大口徑、高帶寬和高空間頻率的優(yōu)點(diǎn)。該組合式變形鏡具有可擴(kuò)展性,可以在保持高帶寬條件下根據(jù)需求擴(kuò)展變形鏡口徑(單元數(shù)),使壓電變形鏡能夠適應(yīng)更大口徑天文望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用需求。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH751
【圖文】：

１．２．１天文與自適應(yīng)光學(xué)逡逑天文望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展變得越來(lái)逡逑越大，如圖１．１所示。隨著望遠(yuǎn)鏡口徑的增大，引進(jìn)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)湍流像差逡逑也隨之增加，對(duì)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正能力提出了越來(lái)越高的要求。逡逑零息逡逑~枺族義希保蓿у危牽澹恚椋睿殄澹危錚潁簦楨澹櫻酰猓幔潁蹂危麇義希停幔酰睿徨澹耍澹�，邋Ｔｅe澹螅悖錚穡邋危裕瑁椋潁簦澹停澹簦澹蟈澹裕澹歟澹螅悖錚穡邋義希ィ澹�？逦｝x錚猓猓牛猓澹潁歟澹櫻錚酰簦瑁澹潁鑠澹粒媯潁椋悖幔鑠澹齲幔鰨幔椋殄澹ǎ保梗梗梗╁澹停蓿睿徨澹椋媯邋澹停幔酰睿徨澹耍澹徨澹齲幔鰨幔椋殄澹ǎ穡歟幔睿睿澹溴澹玻埃玻玻╁義希停酰簦椋停歟櫻錚蟈澹裕澹蓿錚穡邋澹掊澹模幔蓿跺危蹋蓿簦瑁澹潁櫻掊義希蓿酰睿簦齲錚穡耄椋睿螅蓿粒睿錚睿徨危蓿

本文編號(hào)：2794300