Моделирование анизопланатизма адаптивной оптической системы в турбулентной атмосфере

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиМОРАДИ МОХАММАДМОДЕЛИРОВАНИЕ АНИЗОПЛАНАТИЗМА АДАПТИВНОЙОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В ТУРБУЛЕНТНОЙ АТМОСФЕРЕСпециальность 01.04.21- лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА 2005Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета МГУ им. М.В.

ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорШмальгаузен Виктор ИвановичОфициалные опоненты:доктор физико-математических наук,профессорКороленко Павел Васильевичдоктор физико-математических наукВоробьев Валерий ВасильевичВедущая организация:Институт оптики атмосферы СО РАНЗащита состоится 24 ноября 2005 года в 16 часов на заседании диссертационногосовета Д 501.001.31 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ, физическийфакультет, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А.

Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факлтета МГУ.Автореферат разослан “____” октября 2005 года.Ученый секретарь диссертационного советаД 501.001.31, доцентТ.М. Ильинова2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена моделированию систем адаптивной оптики,функционирующихвтурбулентнойатмосфере.Основноевниманиеуделеноанизопланатизму адаптивной системы и роли дифракционных эффектов в атмосферепри исследовании анизопланатизма.Актуальность проблемыРазвитие адаптивной оптикина протяжении всей своей истории былостимулировано в первую очередь прикладными задачами.

Такие проблемы какувеличение разрешающей способности наземных телескопов, компенсация искаженийвинтерферометрах,фокусировкалазерногопучка,созданиесистемвнутрирезонаторной коррекции, улучшение работы систем оптической связи –типичные задачи, которые рассматривает адаптивная оптика. Эти общие задачи в своюочередь делятся на более конкретные частные задачи, одной из которых являетсязадача коррекции изображений, полученных при наличии случайно-неоднороднойсреды между объектом и приемной апертуры оптической системы.Хорошо изучены особенности искажений и методы их коррекции для систем, вкоторых угловой размер объекта не превышает размера изопланатической области. Втаких системах фазовые искажения оптических волн, идущих через неоднороднуюсреду от разных точек объекта, можно считать одинаковыми.

Но если геометрическиеразмеры объекта превышают размер изопланатической области, то оптические пути,по которым идут волны от разных точек такого объекта, различны. Следовательно,существенно различны и приобретаемые этими волнами фазовые искажения. Этотэффектназываетсяанизопланатизмоманизопланатизма существеннооптическойсистемы.Вусловияхзатрудняются как регистрация, так и компенсацияискажений, а методы, прекрасно зарекомендовавшие себя для изопланарных систем,перестают работать .3Интерес к явлению анизопланатизма в задачах астрономии был стимулирован, впервую очередь, взможностью исправить искаженное изображение слабого источникапо наблюдениям фазовых искажений в изображении другого, значительно болееяркого объекта (опорного источника). Такая возможность обусловлена корреляциейфазовых искажений волн, приходящих от разных объектов.

Эта корреляция быстроубывает при увеличении углового расстояния между наблюдаемыми источниками, ипоэтомувозможностиадаптивнойкоррекцииизображенийвусловияханизопланатизма ограничены.Решать задачу о компенсации искажений в условиях анизопланатизма можноразличными способами. В теоретических работах в большинстве случаев используетсяприближение геометрической оптики, которое не описывает флуктуаций амплитуды ватмосфере. Перенебрежение дифракционными эффектами далеко не всегда оправдано,тем более что область применимости геометрооптического приближения в задачах санизипланатизмом изучена слабо. Так как эксперименты в этой области сложны идорогостоящи, а часто и вообще невыполнимы, то предлагается использовать методыкомпьютерного моделирования.

С помощью такого подхода возможно не толькорассчитатьэффективностьконкретныхметодовкомпенсациитурбулентныхвозмущений, но и проделать это как с учетом дифракционных эффектов, так и впренебрежении ими.Цели и задачи диссертационной работы1.Исследовать влияние дифракции света на фазовых неоднородностях средыраспространения на эффективность работы адаптивных оптических систем в условияханизопланатизма.

Разработать модель, позволяющую для любой заданной реализациинеоднородной среды рассчитывать результаты адаптивной коррекции волновогофронта как с учетом дифракции, так и в приближении геометрической оптики.2.адативныхРазработать программный комплекс для численного моделированиясистематмосфернойоптики,функционирующихвусловияханизопланатизма. Построить компьютерную модель, которая позволяет вычислять4сигналы датчика волнового фронта адаптивной оптической системы, определятьвносимую корректором дополнительную фазу и регистрировать изменение во времениаберрационных коэффициентов на выходе системы так, как это происходит вадаптивной системе при наблюдении сквозь движущийся турбулентный слой.3.Применитьразработанноепрограммноеобеспечениедлярасчетамгновенных и усредненных значений фазовых ошибок коррекции при различномугловом разнесении опорного источника и области наблюдения в широком диапазонепараметров адаптивной системы и атмосферных неоднородностей.

Рассчитатьмгновенные и усредненные характеристики системы: функцию рассеяния точки(ФРТ) и оптическую передаточную функцию (ОПФ), а также оценить угловой размеробласти изопланатизма и зависимости числа Штреля SR от углового разнесенияисточников при различном числе корректируемых мод Цернике.4.Рассчитать флуктуации остаточной квадратичной ошибки коррекции ивременные флуктуации, возникающие при сносе турбулентного слоя поперечнымветром с заданной скоростью при различных вариантах алгоритма коррекции.5.Провести расчеты остаточных ошибок адаптивной коррекции как с учетомдифракции на неоднородностях атмосферы, так и в приближении геометрическойоптики и оценить роль дифракционных эффектов.Научная новизна полученных результатов диссертационной работы заключается втом, что впервые:1.Рассчитаны остаточные ошибки коррекции атмосферных аберраций вадаптивной оптической системе в условиях анизопланатизма с учетомдифракции на фазовых неоднородностях среды распространения.2.Разработан программный комплекс для численного моделированияработы адаптивной системы в атмосфере с учетом дифракционныхэффектов.3.Проведены расчеты мгновенных и усредненных характеристик оптичекойсистемы с адаптивной коррекцией определенного числа мод Цернике в5зависимости от величины углового расстояния между наблюдаемымобъектом и опорным источником как с учетом дифракции, так и без него,и проведено сравнение полученных результатов.Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные комплекспрограмм и численная модель позволяют оперативно рассчитывать характеристикиадаптивных оптических систем, работающих в условиях анизопланатизма, с учетомряда факторов, существенно определяющих эффективность адаптивной коррекции:дифракции световых пучков на фазовых неоднородностях атмосферы, числакорректируемых мод, устройства датчика волнового фронта, алгоритма управлениякорректором.

Такого рода расчеты позволяют оптимизировать структуру и параметрыадаптивных систем.Защищаемые положения1.Дифракция световых пучков на фазовых неоднородностях атмосферы ивозникающие в зтой связи флуктуации амплитуды вносят существенныепоправкивоценкиостаточныхошибокадаптивнойсистемыприанизопланатизме. Так, в случае длинной трассы (L = 10000 м) и слабойтурбулентности ( C n2 = 10 −17 м-⅔) учет дифракции приводит к уменьшениюсреднего квадрата ошибки коррекции примерно в 2 раза при малых углах (15 мкрад) между направлениями на источники и в 1.3 раза при больших углах(20 мкрад).2.Модель позволяет выделить и исследовать по отдельности ошибкикоррекции,вызываемыеразличнымипричинами:собственноанизопланатизмом системы, флуктуациями амплитуды регистрируемыхволн и погрешностями датчика волнового фронта.

Такое исследованиепозволяет лучше понять влияние различных факторов, ограничивающихэффективность адаптивной коррекции.63.Компьютерноемоделированиеявляетсяэффективнымметодомисследования функционирования адаптивных оптических систем в условияханизопланатизма.Апробация работыОсновные результаты изложены в 6 публикациях, из них 2 статьи вреферируемых журналах и 1 препринт. Материалы диссертации докладывались иобсуждались на международных конференциях: “11th International Symposium onAtmospheric and Oceanic Optics” (Tomsk, 2004), “13th Multi-Disciplinary IranianResearchers Conference in Europe” (Leeds, UK, 2005), “20th Congress of the InternationalCommission for Optics” (Changchun, China, 2005).Стуктура и объем работыДиссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа изложена на 114страницах и включает31 рисунок.

Список литратуры содержит 61 наименование,вкючая 6 публикаций автора по теме диссертации.Личный вкладВсе приведенные в диссертации результаты получены при непосредственномучастии автора. Составление программ и проведение расчетов выполнено авторомлично.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо ВВЕДЕНИИ дается общая характеристика работы, обсуждается ееактуальность, формулируются цели работы и защищаемые положения, приводитсяструктура и объем диссертации.ПЕРВАЯоптическихГЛАВАпосвященаобсуждениюпроблемыанизопланатизмаадаптивных систем, формулировке требований, которые долженучитывать метод исследования, обсуждению целесообразности применения методовкомпьютерного моделирования при исследовании анизопланатизма в атмосферной7оптике.

Проводится обзор методов, часто применяемых для анализа эффективностиадаптивных систем в условиях турбулентной атмосферы. Обсуждаются методырасчета переноса изображений и возможность их использования в условияханизопланатизма. Приводятся некоторые важные результаты, полученные ранее. Наосновании изложенного в этой главе материала делается вывод: подавляющеебольшинство проведенных к настоящему времени исследований анизопланатизмаадаптивных систем выполнено без учета дифракционных явлений в атмосфере, чтодалеко не всегда оправдано.