Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Оптика, лазерная физика

Диссертационная работа:

Черезова Татьяна Юрьевна. Формирование пространственных распределений и коррекция аберраций световых полей методами адаптивной оптики : диссертация ... доктора физико-математических наук : 01.04.21 / Черезова Татьяна Юрьевна; [Место защиты: Московский государственный университет]. - Москва, 2008. - 250 с. : 77 ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. Методы формирования заданных распределений интенсивности (обзор
литературы) 12

1.1. Типы элементов для коррекции аберраций и формирования заданных
профилей интенсивности 12

1.2. Методы восстановления волнового фронта излучения 27

1.2.1. Аналитические методы восстановления волнового фронта излучения 27

1.2.2. Итерационные методы восстановления волнового фронта излучения 31

1.2.2.1. Метод покоординатного спуска 33

1.2.2.2. Градиентный метод 34

1.2.2.3. Метод Ньютона 35

1.2.2.4. Симплекс-метод 36

1.2.2.5. Генетический алгоритм 38

ГЛАВА 2. Управление фокусировкой лазерного излучения 45

2.1. Определение «степени фокусировки» пучка через понятие его качества (М -
фактора) 45

2.1.1 Определение параметров пучка согласно международному

стандарту ISO 11146 48

2.1.2 Альтернативные методы измерения диаметра пучка 53

2.1.3. М2-датчик для измерения степени фокусировки пучка 62

2.2. Гибридный алгоритм для задач управления фокусировкой 75

2.3. Управление фокусировкой АИГ:ШЗ+ лазера с диодной накачкой 84

ГЛАВА 3. Формирование заданных распределений световых полей 92

3.1. Применение алгоритма Гершберга-Сакстона для формирования заданных
профилей интенсивности 92

3.1.1. Экспериментальная реализация алгоритма Гершберга-Сакстона 105

3.2. Применение гибридного алгоритма для внерезонаторного формирования
заданных распределений интенсивности в случае многомодового и одномодового
по поперечным индексам излучения 114

3.3. Формирование вихревых пучков 120

3.3.1.Алгоритм расчета сетки электродов корректора для формирования пучков с
винтовой дислокацией волнового фронта 127

3.3.2. Экспериментальное формирование и компенсация вихревых пучков
фазовыми элементами с непрерывным или разрывным распределением
управляющей фазы 146

3.4. Внутрирезонаторное формирование заданных распределений световых
полей 157

3.4.1. Фазовое сопряжение для формирования заданных распределений
интенсивности в резонаторе YAG:Nd + лазера гибким зеркалом : 157

3.4.2. Гибридный алгоритм для внутрирезонаторного управления параметрами
излучения 180

ГЛАВА 4. Коррекция аберраций световых пучков, прошедших или отраженных от
«неживых» (оптические элементы) и «живых» (оптика глаза) аберрационных
сред 196

4.1. «Неживые» аберрационные среды: измерение и коррекция аберраций
параболического зеркала 199

4.1.1. Метод юстировки оптических элементов по параметру А^ 203

4.2. «Живые» аберрационные среды: измерение и коррекция аберраций
человеческого глаза 208

4.2.1. Экспериментальная установка для измерения монохроматических
аберраций человеческого глаза 221

4.2.1.1. Математическая модель датчика Шака-Гартмана 226

4.2.1.2. Анализ ошибок, возникающих при измерении аберраций глаза методом
Шака-Гартмана 229

4.2.2. Исследование аберраций человеческого глаза 243

4.2.3. Модели оптической системы глаза на основе результатов измерений
аберраций 253

4.2.4. Коррекция аберраций глаза. Анизопланатизм системы глаза 264

4.2.4.1. Расширение угла эффективной коррекции или исследование методов
расширения зоны изопланатизма глаза 275

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 286

Приложение 1.Уточнение аналитического решения деформации зеркала 291

Приложение 2.Метод конечных элементов. Проекционная формулировка 296

Приложение 3. Список терминов 298

Приложение 4. Полиномы Цернике 298

Приложение 5. RMS и PV 299

Список литературы 301

Введение к работе:

Актуальность темы. Широкое использование лазеров в современных промышленных технологиях, биологии, медицине, в локационных, информационных, навигационных системах, то есть в различных областях науки и техники, медицины требует оптимизации параметров лазерного излучения для каждой конкретной задачи. Так, например, при использовании СОг лазеров в процессе резки металла необходимо добиться возможно более "острой" фокусировки светового пучка на поверхности металла [1]. В процессе термической обработки (закалки) металлов основное требование, предъявляемое к излучению, состоит в равномерном распределении интенсивности по сечению пучка. В этом случае упрочненные зоны металла имеют однородную структуру. Для решения упомянутых и ряда других задач оптимальным является использование супергауссова распределения интенсивности ТЕМоо моды [2]. Эта мода обеспечивает более однородное распределение энергии поля в ближней зоне и более "острую" форму распределения интенсивности в дальней зоне по сравнению с гауссовой ТЕМоо модой.

При решении других задач современной технологии, например, задач коммуникации или задач захвата и вращения микрообъектов, удобным является использование лазерных пучков с винтовыми дислокациями волнового фронта [3], которые представляют собой области циркулярного движения потока энергии в электромагнитной волне. Типичным примером оптического вихря является «бубликообразная» мода Лагерра-Гаусса LGo1 лазерного резонатора. Такие пучки обладают свойством самовосстановления, кроме того, весьма удобным является наличие у вихревого пучка еще одного параметра, способного переносить информацию - направления закрутки винтовой дислокации.

В последнее время для решения задач переноса энергии, создания управляемых лазерных пинцетов значительное внимание привлекли новые типы решений волнового уравнения для свободного пространства, которые отличаются от традиционных плоских волн или классических гауссовых пучков. Одним из таких решений является параксиальный пучок с бесселевым распределением амплитуды [4], описывающий не дифрагирующее световое поле, имеющее одинаковое распределение интенсивности в любой плоскости перпендикулярной оси распространения. Однако излучение с бесселевым распределением амплитуды, так же как и плоская волна, является физически нереализуемым, поскольку оно переносит бесконечную энергию. Поэтому интересным с практической точки зрения и физически реализуемым является пучок с бессель-гауссовым профилем амплитуды.

При решении некоторых других современных задач лазерной физики и нелинейной оптики возникает необходимость формирования других заданных профилей пучка. Так, например, при транспортировке мощного светового излучения на протяженных атмосферных трассах энергетически более выгодными являются кольцевые пучки [5]. Подобные пучки оказываются также близкими к оптимальным в ряде задач лазерной химии [6].

Задача формирования излучения тесно связана с задачей коррекции аберраций: при наличии аберраций в передающей и формирующей оптике невозможно осуществить процесс формирования заданных параметров излучения. Более того, сам процесс формирования параметров излучения фазовыми элементами можно рассматривать как внесение заданных аберраций в распределение фазы пучков, которые на дифракционной длине переходят в модуляцию интенсивности.

Коррекция аберраций лазерного излучения актуальна не только в лазерной физике и технологии. Например, в офтальмологии, получение высококачественного разрешения изображения сетчатки невозможно без коррекции оптических аберраций глаза пациента. Поэтому современные фундус-камеры снабжаются адаптивными оптическими системами, которые компенсируют аберрации глаза. Однако, даже в случае использования идеального корректора, который полностью компенсирует фазовые искажения вдоль одного направления, улучшение разрешающей способности фундус-камеры возможно лишь внутри ограниченной области, так называемой зоны изопланатизма. Это связано с тем, что аберрации, приобретаемые световым пучком, распространяющимся вдоль оси коррекции и вне ее, могут существенно различаться, поэтому фазовая коррекция с использованием одного управляемого элемента улучшает разрешение лишь небольшого участка глазного дна, соответствующего зоне изопланатизма. В тоже время для полноценной диагностики необходимо получать высокое разрешение в возможно большем угле зрения. В этой связи встает задача разработки методик коррекции осевых и внеосевых аберраций.

Задачу формирования заданных параметров и коррекции аберраций лазерного излучения можно решать различными способами, например, с применением амплитудных масок, голографических и дифракционных элементов и т.д. Однако все перечисленные методы зависят от конкретных параметров пучка и при наличии в оптической системе шумов, аберраций, эффективность таких методов значительно падает. Поэтому использование гибких зеркал, параметры которых можно подстраивать под изменившиеся условия эксперимента, является, с этой точки зрения, наиболее универсальным. Использованию таких зеркал для формирования заданных распределений полей и коррекции аберраций, в основном, и посвящена данная диссертационная работа.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка методологии формирования заданных пространственных распределений одномодового и многомодового по поперечным индексам излучения в любой выбранной плоскости и коррекции как осевых, так и внеосевых аберраций световых полей методами адаптивной оптики. Для этого решались следующие задачи:

1. Разработка и исследование на эффективность методики внутрирезонаторного управления гибкими зеркалами такими параметрами лазерного излучения, как фокусировка, распределение

интенсивности в заданной плоскости, интегральная мощность, пиковая интенсивность в дальнем поле и т.д.

  1. Разработка и исследование на эффективность методики внерезонаторного формирования заданных распределений интенсивности одномодового и многомодового по поперечным индексам лазерного излучения управляемыми фазовыми элементами.

  2. Разработка и исследование на эффективность методики коррекции управляемыми гибкими зеркалами осевых и внеосевых фазовых искажений, приобретаемых лазерным излучением при отражении или прохождении «живой» (оптика глаза) и «неживой» (оптические элементы) аберрационной среды.

Научная новизна результатов

  1. Впервые разработана методика расчета формирования заданных параметров лазерного излучения в любой выбранной плоскости вне резонатора внутрирезонаторным гибким зеркалом. Методика представляет собой сочетание гибридного алгоритма управления корректором с итерационным алгоритмом Фокса-Л и расчета распределения поля в лазере. Эффективность методики продемонстрирована экспериментально на примере управления фокусировкой многомодового по поперечным индексам непрерывного твердотельного АИГ лазера с диодной накачкой, а также численно на примере управления выходной мощностью, пиковой интенсивностью в дальнем поле, формой распределения интенсивности низшей поперечной моды как в ближнем, так и в дальнем поле гелий-неонового и твердотельного АИГ лазеров.

  2. Разработана, численно исследована и экспериментально реализована оригинальная методика внерезонаторного управления параметрами лазерного излучения с помощью гибких биморфных зеркал, сочетающая в себе генетический алгоритм с алгоритмом покоординатного спуска. Эффективность методики продемонстрирована экспериментально на примере улучшения М2-параметра излучения диодного лазера в 3 раза и непрерывного AFir:Nd лазера, работающего по схеме генератор-усилитель более, чем в два раза; на примере экспериментального формирования в дальней зоне из гауссовой супергауссовой формы распределения интенсивности низшей поперечной моды излучения диодного лазера, а также численно на примере формирования в дальней зоне супергауссовых распределений интенсивности из многомодового по поперечным индексам излучения С02-лазера.

  3. Впервые улучшать качество формирования параметров и коррекции аберраций лазерного излучения возможно с помощью использования оригинальной итерационной процедуры расчета оптимальной сетки электродов гибкого биморфного зеркала. Такая процедура позволяет

рассчитать сетку электродов непосредственно из требуемого распределения фазы отраженного от него лазерного пучка. Процедура апробирована экспериментально для расчета сетки электродов и изготовления корректора, воспроизводящего вихревой волновой фронт лазерного пучка.

  1. Впервые экспериментально получено формирование вихревых лазерных полей с разрывом поверхности волнового фронта от одной до 32 длин волн с помощью электрически управляемых фазовых корректоров, вносящих непрерывную или разрывную фазовую задержку в лазерный пучок.

  2. Предложена оригинальная методика юстировки оптических элементов сложной формы по минимуму параметра качества М отраженного или прошедшего через оптический элемент лазерного пучка. Методика апробирована экспериментально на примере юстировки внеосевых параболических зеркал с фокусными расстояниями 150 мм и 50 мм, апертурой 50 мм и 20 мм соответственно.

  3. Впервые рассчитан угол изопланатизма человеческого глаза на основе экспериментальных измерений внеосевых аберраций точечного лазерного источника, сформированного на сетчатке. Впервые показано, что уменьшение зоны изопланатизма реального человеческого глаза по сравнению с моделью идеального глаза Гульстранда-Наварро обусловлено, главным образом, разъюстировкой оптических элементов глаза.

  4. Впервые предложены модели глаз, воспроизводящие как статические, так и динамические свойства аберраций реальных человеческих глаз. Статические модели глаз отличаются от традиционной модели Гульстранда-Наварро значениями смещений, углов поворота оптических элементов, смещением зрачка, кривизной поверхности элементов и объясняют поведение осевых и внеосевых аберраций человеческого глаза.

  5. Методика расширения зоны изопланатизма впервые применена для коррекции осевых и внеосевых аберраций человеческого глаза и впервые показано, что с применением такой методики можно увеличить зону высококачественного изображения сетчатки в два раза. Впервые предложено для расширения зоны дифракционно-ограниченного разрешения изображения сетчатки использовать методику, основывающуюся на нейтрализации рефракции передней поверхности роговицы с помощью иммерсионной жидкости и не требующую использования дополнительных корректоров и датчиков волнового фронта.

Практическая ценность работы

1. Предложенная методика управления параметрами излучения внутрирезонаторным гибким зеркалом на основе гибридного алгоритма позволяет эффективно управлять фокусировкой, мощностью, пиковой

интенсивностью и формой распределения поля лазерного излучения на обрабатываемой детали.

  1. Предложенная методика внерезонаторного гибридного алгоритма управления биморфным корректором может эффективно использоваться для коррекции аберраций и для формирования заданных распределений интенсивности одномодового и многомодового по поперечным индексам излучения лазера в заданной плоскости.

  2. Разработанный М -датчик может служить для оценки основных параметров световых пучков, а также для определения кратковременной и долговременной стабильности параметров излучения с точностью не хуже 3-5%.

  3. Юстировка оптических элементов по минимизации М -параметра позволяет съюстировать сложные оптические элементы без использования дополнительных котировочных узлов.

  4. Предложенный алгоритм расчета формы и расположения электродов биморфного зеркала позволяет повысить качество формирования и коррекции лазерного излучения такими зеркалами.

  5. Уточненный алгоритм Шака-Гартмана с учетом неравномерности распределения интенсивности по сечению пучка может быть использован для повышения точности измерения аберраций.

  6. Смоделированные персонализированные модели человеческих глаз могут быть использованы для отработки на таких моделях методик коррекции зрения пациентов.

  7. Предложенный генератор осевых аберраций человеческого глаза на основе гибкого биморфного зеркала может быть использован для тестирования и калибровки офтальмологических приборов, а также элементов, корректирующих зрение, таких, как очки, контактные и интраокулярные линзы, а также изучения динамических свойств глаза и анализа роли флуктуации аберраций в формировании изображения на сетчатке глаза.

  8. Методы расширения зоны высокого пространственного разрешения сетчатки могут быть применены при создании нового поколения фундус-камер, оборудованных адаптивной оптикой. Метод с использованием коррекции внешней поверхности роговицы иммерсионной жидкостью позволяет не только получить расширение зоны высокого пространственного разрешения, но и значительно снизить стоимость таких фундус-камер, так как не требует использования дополнительных опорных источников, корректоров и датчиков Гартмана по сравнению с традиционной компоновкой адаптивной оптической системы.

10.Генерация и компенсация вихревых пучков управляемыми фазовыми элементами позволяет формировать такие пучки для систем лазерной

коммуникации, а также компенсировать их негативное влияние в задачах атмосферной оптики.

Защищаемые положения:

  1. Гибридный алгоритм управления гибким фазовым корректором является эффективным средством оптимизации параметров лазерного излучения в адаптивных системах внутри и внерезонаторной коррекции и позволяет управлять фокусировкой, корректировать аберрации и формировать заданные распределения интенсивности лазерного излучения в любой выбранной плоскости.

  2. Методика расчета сетки электродов гибкого биморфного зеркала, представляющая собой итерационную процедуру определения положения управляющих электродов по требуемому распределению фазы отраженного от него лазерного пучка, позволяет рассчитать оптимальное расположение электродов и может быть использована для повышения качества формирования и коррекции лазерного излучения такими зеркалами.

  3. Формирование вихревых пучков возможно фазовыми элементами, воспроизводящими непрерывное или разрывное распределение управляющей фазы. Модальный гибкий биморфный корректор со специально рассчитанной сеткой электродов позволяет сформировать вихревой пучок в дальнем поле. Управляемый нематический жидкокристаллический транспарант позволяет сформировать вихревые пучки с различным порядком дислокации.

  4. Минимальное значение -параметра лазерного пучка, прошедшего или отраженного от оптического элемента, соответствует съюстированному положению этого элемента. Юстировку внеосевых параболических зеркал можно осуществлять по минимуму параметра М лазерного пучка, отраженного от поверхности таких зеркал.

  5. Разработанные модели оптической системы глаза позволяют воспроизвести характер поведения аберраций глаза и отработать методику расширения угла эффективной коррекции. Модель глаза на основе динамически управляемого 18-ти электродного полупассивного биморфного зеркала с центрально-симметричной структурой расположения электродов воспроизводит осевые аберрации глаза и их изменения во времени. Статическая модель глаза, отличающаяся от традиционной модели Гульстранда-Наварро значениями смещений, углов поворота оптических элементов, кривизной их поверхности, воспроизводит характер поведения осевых и внеосевых аберраций человеческого глаза. Применение гибкого корректора и иммерсионной системы для статических моделей позволяет расширить угол эффективной коррекции без ухудшения качества коррекции по оси.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на международных конференциях: «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург 2000, 2003, 2006), «Лазерные технологии ILLA» (Владимир-Суздаль 2001), Int. School of Quantum Electronics on Laser Beam and Optics Characterization V (Sicily, Italy 2000), «Международный симпозиум по оптике атмосферы и океана» (Томск, 2003, 2004), «Photonics West» (Сан-Хосе, США 1999, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008), «Remote Sensing Europe» (Canary Island, 2004), «CAOL, 2-nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers», (Ялта, Украина 2005), CLEO/EUROPE (1998 Глазго, Великобритания; 2000 Ницца, Франция; 2003, 2005, 2007 Мюнхен, Германия), «Laser Beam Shaping (Seattle, USA 2002, San Diego, USA 2003, 2005), «European Conference on Biomedical Optics» (Munich, Germany 2005), «OSA Annual Meeting» (San-Diego, USA, 2005), «Оптика - XXI век» (Москва, 2005), «International Conference on Optics and Optoelectronics» (Dehradun, India, 2005), «International Conference on High Power Laser Beams (HPLB)» (Нижний Новгород 2006), «Photonics North» (Montreal, Canada 2006), «81 International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling» (Харьков, Украина 2006), «Workshop on Optical Technologies in Biophysics & Medicine VIII» (Саратов, 2006), «Лазерная физика и оптические технологии» (Гродно, Беларусь 2006), «International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers and High-Power Lasers» (Florence, Italy 2000; Gmunden, Austria, 2006), «International Workshop on Adaptive Optics on Industry and Medicine» (Дурам, Великобритания 1999; Альбукерке, США 2001; Пекин, Китай 2005; Галвей, Ирландия 2007), «Лазерные биомедицинские технологии» (Санкт-Петербург 2007) и т.д. Результаты работы докладывались на научных семинарах US AFRL (1999, 2001, 2005, Альбукерке, США), университете Нью-Мексико (2001, Альбукерке, США), в национальном университете Галвей (2006, Ирландия), на семинарах кафедры общей физики и волновых процессов в МГУ в 2006, 2007 г.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы более, чем в 90 научных трудах и двух монографиях. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией Минобрнауки РФ для публикации научных результатов диссертации. Список основных трудов находится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Подобные работы
Карпеев Сергей Владимирович
Экспериментальное исследование и формирование модового состава лазерных пучков видимого и ИК-диапазонов волн методами дифракционной оптики
Рукосуев Алексей Львович
Коррекция фазовых искажений излучения тераваттных фемтосекундных лазеров методами адаптивной оптики
Кудряшов Алексей Валерьевич
Методы адаптивной оптики для управления излучением лазеров средней мощности
Шелдакова Юлия Вячеславовна
Диагностика лазерных пучков и управление их пространственными характеристиками методами адаптивной оптики
Масалов Анатолий Викторович
Подавление фотонного шума методами линейной и нелинейной оптики
Аюпов Борис Мингареевич
Комплекс методик для исследования оптическими методами тонкопленочных структур, материалов и элементов оптики
Белоусов Александр Александрович
Геометрооптический расчет поверхностей для формирования заданных двумерных распределений освещенности
Павлов Андрей Николаевич
Пассивные и активные оптические методы зондирования биооптических полей верхнего слоя океана
Акмайкин Денис Александрович
Анализ структур биооптических полей морской поверхности методами оптической спектроскопии
Ранджит Сингх
Применение методов квантовой оптики в задачах обработки информации

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net