Методы и средства оценки фазовых искажений оптического излучения на искусственной атмосферной трассе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Сергачева Елена Викторовна

• Сергачева Елена Викторовна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Сергачева Елена Викторовна

Введение

ГЛАВА 1 ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРОШЕДШЕГО ТУРБУЛЕНТНУЮ АТМОСФЕРУ

1.1 Распространение излучения через передающие среды

1.2 Диагностика волнового фронта излучения и средства проведения испытаний оптико-электронных устройств

1.2.1 Искусственная атмосферная трасса

1.3 Методы регистрации и управления волновым фронтом излучения в возмущающих полях атмосферы

1.3.1 Методы построения датчиков волнового фронта

1.3.1.1 Способы регистрации фазовой составляющей волнового фронта

1.3.1.2 Голографические методы построения датчиков волнового фронта

1.3.1.3 Модальные методы построения датчиков волнового фронта

1.3.2 Методы управления волновым фронтом излучения

1.3.2.1 Аспекты воздействия на волновой фронт излучения биморфными адаптивным зеркалами

1.4 Методы передачи оптического излучения на протяженные расстояния

1.4.1 Генерация пучков, содержащих винтовые фазовые дислокации

1.4.2 Методы регистрации винтовых дислокаций

1.5 Выводы

ГЛАВА 2 ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ

2.1 Формирование волнового фронта посредством управления деформируемым биморфным зеркалом

2.2 Воспроизводимость волнового фронта биморфным адаптивным зеркалом

2.3 Применение принципа контроля формы биморфных адаптивных систем в совершенствовании точностныхпараметров устройств регистрации

2.3.1 Регистрация волнового фронта голографическим методом на основе Фурье-голограмм рассеянных мод

2.3.2 Моделирование эксперимента по регистрации волнового фронта голографическим методом

2.3.3 Регистрация неизвестного волнового фронта датчиком на основе диффузного излучения

2.4 Выводы

ГЛАВА 3 ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ ПРИБОРОВ, СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ И АНАЛИЗА ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ ИЗЛУЧЕНИЯ

3.1 Определение характеристик турбулентного состояния оптического пути

3.2 Контроль параметров излучения в условиях низкого уровня собственных искажений оптической трассы

3.3 Испытание метода исследования фазовых искажений и параметров среды на основе регистрации полихроматического излучения

3.3.1 Сопоставление данных с нескольких датчиков волнового фронта и оценка их влияния на выходные параметры системы

3.3.2 Контроль турбулентной среды при распространении полихроматического излучения

3.4 Выводы

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПУЧКОВ С НЕНУЛЕВЫМ ОРБИТАЛЬНЫМ МОМЕНТОМ В УСЛОВИЯХ ИСКУССТВЕННОЙ АТМОСФЕРНОЙ ТРАССЫ

4.1 Регистрация фазовых дислокации в структуре при передаче излучения на расстояние

4.2 Динамика распространения винтовых фазовых дислокаций на протяженных

дистанциях

4.3 Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение А Изображения псевдоинтерферограмм полиномов разложения Цернике низшего порядка

Приложение Б Изображения псевдоинтерферограмм полиномов разложения Цернике высшего порядка

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства оценки фазовых искажений оптического излучения на искусственной атмосферной трассе»

Актуальность работы

Многие современные оптико-электронные устройства работают в условиях, когда оптический сигнал от источника проходит на приемное устройство через естественную атмосферу Земли. Такая передающая среда обладает случайно неоднородным характером за счет турбулентности потока воздуха и наличия различных аэрозольных включений, что негативно сказывается на работе приборов и систем в атмосфере.

Информация о законах изменения свойств среды, имеющих место в реальных условиях, существенно ограничена. Она может быть получена в результате анализа лазерного излучения, распространяющегося через передающую среду, так как возникающие преобразования в структуре атмосферы приводят к энергетическому ослаблению и изменению пространственно-временной структуры света. Диагностика изменений в параметрах волнового фронта на выходе оптических систем, в частности, фазовой составляющей излучения, позволяет дать оценку состояния передающей среды, устранить влияния причин, приводящих к аберрациям в структуре пучка, развивать новые методы передачи оптической волны на расстояния, что в свою очередь дает возможность совершенствовать и обеспечить информационную надежность приборов и средств контроля.

Практическая реализация методов диагностики лазерных пучков может осуществляться различными способами, объединенными в две большие группы: в условиях естественной атмосферы и на основе численного моделирования. Пространственные свойства реальной атмосферы далеки от идеальных - различные облачные состояния с временем жизни от десятков и сотен минут до нескольких часов или суток (при наличии крупномасштабных облачных неоднородностей, туманов и дымок) приводят к значительным изменениям интенсивности, фазы и угла прихода лазерных пучков. Натурные эксперименты в условиях чистой атмосферы, где коэффициент ослабления от длины волны составляет менее 1дБ/км, ограничены протяженностью испытательной трассы. В вертикальном направлении

она обычно не превышает сотен метров, а в горизонтальном нескольких километров, продолжительность таких состояний составляет от единиц до десятков миллисекунд [1-3].

На данный момент широко используются методы, направленные на прогнозирование состояния атмосферы. Использование разнообразных численных моделей турбулентности позволяет достаточно точно описывать процессы турбулентности в определенных заданных условиях. Оценка структурных характеристик показателя преломления основывается на корреляционных свойствах измерений датчиков волнового фронта и предварительных численных экспериментах. Алгоритм позволяет учитывать дополнительные параметры потока и использовать различное количество уравнений для выделения необходимых свойств среды распространения и прошедшего через нее излучения [4-7].

Не смотря на успех и активное развитие натурных и численных экспериментов, такие методы не являются универсальными для проработки методов оценки состояния атмосферы и тестирования оптико-электронных средств контроля среды. Проведение испытаний в естественной атмосфере требует специального технического оснащения площадки полевых исследований, позволяющего учитывать одновременно множество факторов, а непостоянство состояния ограничивает работу, как по времени, так и по протяженности исследуемого оптического пути. Диагностика волнового фронта системами опережающей коррекции не может обеспечить идеального учета всех параметров, сопутствующих реальным условиям распространения лазерных пучков. Таким образом, комплексные натурные и численные эксперименты - сложная техническая и организационная задача.

Альтернативой указанным выше средствам проведения исследований является использование специальных закрытых от внешних воздействий испытательных площадок. Для практической реализации диагностики лазерного излучения в данной работе был использован оснащенный натурный стенд на базе АО «Научно-исследовательского института оптико-электронного

приборостроения» (РФ, Ленинградская область, г. Сосновый Бор), так называемая

искусственная атмосферная трасса (ИАТ) - уникальный контролируемый полигон для передачи излучения через свободную атмосферу, сочетающий в себе достоинства натурных и численных экспериментов [8-10]. Методико-техническое обеспечение ИАТ дает возможность регулировать длину оптического пути и интенсивность турбулентного потока. Это позволяет выявлять принципиальные ограничения применимости оптико-электронных систем контроля окружающей среды и решать задачу анализа характеристик излучения, искаженного влиянием атмосферы.

Исследование механизма распространения оптических пучков в условиях ИАТ дает возможность анализа принципов передачи и регистрации фазовой составляющей излучения, что определяет развитие областей, производительность приборов которых напрямую зависит от уменьшения вредного воздействия среды. Большой интерес в изучении методов компенсации и снижения влияния атмосферы вызван в областях, связанных с адаптивными оптическими системами. Развитием этого направления в России и за рубежом в настоящее время занимаются несколько групп ученых-исследователей, работы которых отражают использование таких характерных элементов как датчики волнового фронта и адаптивные зеркала [11-15]. Несмотря на успех в разработке систем адаптивной оптики, возможности компенсации влияния среды ограничены функционалом каждой из составных частей, поэтому в настоящей работе рассматриваются способы повышения характеристик приборов контроля.

Поиск новых методов передачи исходного излучения, в частности, в задачах оптической связи, привел к развитию исследований, направленных на формирование пучков альтернативных классическим лазерным лучам с фазовой направленностью в виде распределения эквифазных поверхностей и гауссовским распределением интенсивности. Большой интерес в этой области представляют оптические вихри - пространственно-неоднородно поляризованные световые поля [16]. Уникальная структура фазового распределения таких полей покрывает спиральную поверхность, а распределение интенсивности образует кольцо. Такие структуры могут возникать в пучке при распространении через естественную

атмосферу и служить маркерами особых состояний среды. Особенности топологии вихревых волновых фронтов потенциально позволяют регистрировать их на достаточно больших расстояниях при прохождении случайно-неоднородных сред, что дает возможность развивать информационное и методическое обеспечение для систем удаленного мониторинга природных и техногенных объектов.

Таким образом, настоящая работа посвящена экспериментальным исследованиям, направленным на развитие методов аналитического контроля природной среды свободной атмосферы, разработку и модернизацию приборов контроля на основе информации о волновом фронте излучения, на формирование методов повышения качества передачи информации и надежности систем в процессе эксплуатации приборов контроля природной среды на основе анализа излучения, прошедшего через искажающую случайно-неоднородную среду атмосферы.

Цель диссертационной работы - развитие приборов и методов контроля атмосферы на основе исследования изменений фазовой составляющей волнового фронта оптических пучков, распространяющихся в условиях закрытой атмосферной трассы.

В работе решаются следующие задачи:

- повышение точностных характеристик и быстродействия приборов контроля;

- проведение испытаний приборов и средств диагностики среды распространения лазерного излучения;

- развитие методов и алгоритмов анализа волнового фронта излучения, искаженного атмосферой;

- исследование способов передачи оптического излучения на протяженные дистанции.

Научная новизна работы

1. Проведено испытание метода регистрации волнового фронта, основанного на Фурье-голограммах рассеянных мод волнового фронта. Выявлено, что такой метод создает возможность для быстрого определения параметров фазы излучения за счет непосредственной регистрации двух параметров, несущих информацию о полиноме разложения волнового фронта.

2. Проведено испытание искусственной атмосферной трассы как модели низкотурбулентной среды. Испытания показали возможность обеспечения стабильных, контролируемых и повторяемых условий для проведения испытаний, диагностики приборов и среды распространения начиная с низкого уровня собственных искажений атмосферы.

3. Предложен способ исследования передающей среды на основе анализа фазовых искажений полихроматического излучения. Показано, что использование частотно- разнесенных оптических пучков на протяженных трассах со слабыми собственными флуктуациями позволяет выявить различную глубину формы искажений излучения в различных диапазонах длин волн.

4. Проведено испытание метода регистрации оптического вихря на протяженных дистанциях. Показано, что применение интерферометров на выходе системы позволяет регистрировать фазовую структуру без применения опорных когерентных пучков.

5. Предложен способ увеличения протяженности оптического пути распространения вихревого пучка за счет уменьшения площади, занимаемой областью сингулярности.

Теоретическая и практическая значимость

Результаты исследований могут быть использованы в качестве рекомендаций при разработке приборов и систем, работающих в условиях естественной слаботурбулентной атмосферы, для совершенствования методов оценки и контроля состояния передающей среды.

1. Проработка принципов регистрации фазовой составляющей излучения, основанной на голографических элементах с диффузным пучком, позволит

увеличить быстродействие оптико-электронных систем контроля и снизить помехи в измерительных каналах за счет выделения пика кросс-модуляционного шума.

2. Испытание натурных площадок, имеющих техническое оборудование для поддержания повторяемых условий эксперимента, открывает возможности для диагностики и анализа передающей среды, испытаний приборов контроля различной сложности.

3. Способ регистрации нескольких длин волн излучения позволит увеличить информативность и качество работы приборов при изменении свойств атмосферного тракта, условий измерения, расстояния до объекта, характеристик канала распространения излучения, уровня шумов и др.

4. Исследование динамики распространения вихревых пучков может дать информацию об особых состояниях среды распространения, а представленные в работе методы регистрации вихревых пучков потенциально могут быть использованы в задачах удаленного мониторинга различных природных и техногенных объектов, для оптической связи и кодирования информации.

Результаты проделанной работы использовались в научно -исследовательских работах при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках проекта № 8.752.2014 / К и российского научного фонда в рамках проекта 8.1039.2017/ПЧ.

Методы исследования

Пути решения поставленных в работе задач в части развития элементной базы систем регистрации фазовых искажений основывались на перспективных методах управления волновым фронтом излучения. Методы оценки возможности применения искусственной атмосферной трассы как средства проведения испытаний построены на регистрации среднеквадратического отклонения формы фронта и коррекции аберраций излучения, возмущенного турбулентной средой, адаптивной оптической системой с низкой частотой обновления. Исследования возможности диагностики природной среды базировались на регистрации фазовых составляющих излучения двумя датчиками волнового фронта и последующем сравнении полученных данных с обоснованными теоретическими соотношениями.

Процесс передачи оптического излучения на протяженных трассах и регистрации вихревых пучков исследовался в методически проработанных экспериментах на искусственной атмосферной трассе. Экспериментальные исследования основаны на компьютерном моделировании физических принципов пакетом «Программного комплекса для автоматической коррекции волнового фронта светового излучения «CLoop» адаптивной оптической системы и датчиков волнового фронта.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При распространении полихроматической световой волны через турбулентную атмосферу фазовые искажения, вносимые в волновой фронт различных спектральных компонент, имеют взаимно скоррелированную форму, но различную глубину в абсолютной мере.

2. Относительная нестабильность воспроизведения формы волнового фронта излучения биморфным адаптивным зеркалом находится на уровне 2% и может быть уменьшена путем контроля формы с помощью вспомогательного датчика Шака-Гартмана.

3. Применение методов сдвиговой интерферометрии позволяет измерять топологический заряд вихревых оптических пучков, прошедших расстояние до несколько сотен метров, без применения вспомогательных опорных волн.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обусловлена корректностью методик исследования и проведенных расчетов.

Материалы диссертации докладывались на следующих международных конференциях и симпозиумах: международные конференции International Student Conference «Science and Progress-2014» (Санкт-Петербург-Петергоф, 2014 г.), Unmanned/Unattended Sensors and Sensor Networks X (Амстердам, Нидерланды, 2014г), Holography: Advances and Modern Trends IV (Чешская республика, Прага, 2015), Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems XVIII (Тулуза, Франция, 2015), XXI Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2016), XXIX Международная конференция «Лазеры в

науке, технике, медицине» (Москва, 2018), XV Международная конференция ГолоЭкспо 2018 (Нижний Новгород, 2018).

Личный вклад автора заключался в непосредственном участии в постановке задач, разработке методологии экспериментальных исследований. Автором предложены основные пути решения задач, поставленных в работе, выполнение экспериментов и анализ полученных результатов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 статьи в изданиях, индексируемых SKOPUS и Web of Science, 1 статья в сборниках трудов конференций и 1 тезисы докладов.

Статьи в изданиях, включенные в перечень ВАК:

1. Венедиктов, В.Ю. Исследование распространения оптического вихря по укрытой атмосферной трассе / В.Ю. Венедиктов, К.Н. Гаврильева, А.В. Горелая, А.А. Севрюгин, Е.В. Шубенкова, Д.И. Дмитриев, А.Д. Цветков // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2018. - №6. - С. 82-89.

2. Венедиктов, В.Ю. Точность воспроизведения заданной формы волнового фронта с помощью управляемого гибкого зеркала / В.Ю. Венедиктов, А.В. Горелая, Е.В. Шубенкова // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2017. - №10. - С. 55-61.

3. Венедиктов, В.Ю. Исследование распространения и адаптивно-оптическая коррекция лазерного пучка на изолированной от внешнего воздействия атмосферной трассе / В.Ю. Венедиктов, Д.В. Венедиктов, А.В. Горелая, А.Д. Дмитриева, Д.И. Дмитриев, А.В. Кудряшов, И.Л. Ловчий, А.Д. Цветков, Е.В. Шалымов, Ю.В. Шелдакова, Е.В. Шубенкова // Оптика атмосферы и океана. - 2016. - Т.29, №11. - С. 942-948.

Статьи в изданиях, индексируемых SKOPUS и Web of Science Core Collection:

1. Gorelaya, A.V. Incoherent holography with the use of Shack-Hartmann wavefront sensor / A.V. Gorelaya, V.P. Lukin, A.A. Sevryugin, E.V. Shubenkova, V.Yu. Venediktov // Proceedings of SPIE. - 2015. - № 9508. - P. 95080L.

2. Gorelaya, A. V. Investigation of dual-wavelength laser beam propagation along the in-door atmospheric path / A.V. Gorelaya, E. V. Shubenkova, D. I. Dmitriev, A. D. Dmitrieva, A. V. Kudryashov, I. L. Lovchiy, E. V. Shalymov, Y. V. Sheldakova, A. D. Tsvetkov, D. V. Venediktov, V. Yu. Venediktov // Proceedings of SPIE. - 2015. - № 9641. - P. 96410C.

3. Venediktov, V. Yu. In-door artificial atmospheric beamlet as a test-bed for adaptive optics / V. Yu. Venediktov, D. I. Dmitriev, I. L. Lovchiy, A. V. Gorelaya, E.V. Shubenkova, A.D. Tsvetkov // Proceedings of SPIE. - 2014. - №.9248, P. 92480U.

Статьи в других изданиях:

1. Орлов, В.В. Экспериментальное исследование модового датчика волнового фронта, основанного на Фурье-голограммах рассеянных мод волнового фронта / В.В. Орлов, Ю.В. Венедиктов, А.В. Горелая, Е.В. Шубенкова, Д.З. Жамалатдинов // HOLOEXPO 2018: XV международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям: Тезисы докладов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. - С. 306-308.

2. Venediktov, V. Artificial atmospheric beamlet at a teast-bed for adaptive optics / V. Venediktov, D. Dmitriev, I. Lovchiy, A. Gorelaya, E. Shubenkova, A. Tsvetkov // Proceedings of the Xth international workshop on of adaptive optics for industry and medicine. - 2015. - P. 259-262.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, включая 46 рисунков, 14 таблиц и 2 приложения. Список литературы состоит из 80 наименований на 8 страницах.

ГЛАВА 1 ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРОШЕДШЕГО ТУРБУЛЕНТНУЮ

АТМОСФЕРУ

Основной проблемой при распространении оптических волновых полей в задачах оптической связи, зондирования Земли, астрономических и других приложениях, где происходит передача излучения через открытое воздушное пространство, является изменение пространственных распределений фазы и амплитуды за счет искажающего действия атмосферы. Наличие турбулентных состояний влияет на качество работы различных оптико-электронных систем. В связи с этим актуальной задачей является исследование динамики воздушных потоков, методов регистрации пучков и компенсации отрицательного воздействия среды распространения.

Данная глава посвящена обзору основных теоретических работ, посвященных приборам и методам диагностики атмосферы на основании информации о волновом фронте излучения, основным причинам турбулизации воздушных течений, современному развитию средств проведения исследований воздействия среды на качество работы устройств, поведению пучков в возмущающих полях атмосферы.

1.1 Распространение излучения через передающие среды.

В зависимости от состояния атмосферы, наличия крупномасштабных неоднородностей, туманов и дымок, турбулентных вихрей можно выделить три группы физических явлений, влияющих на характеристики оптического излучения: молекулярное поглощение, аэрозольное и молекулярное рассеяние, рассеяние на турбулентных вихрях и преломление. Поглощение атмосферными газами, молекулярное и аэрозольное рассеяние приводят к энергетическому ослаблению оптического излучения, а совместное действие турбулентного, аэрозольного и молекулярного рассеяния приводят к пространственно-временной модуляции пучка света.

Возмущающие поля атмосферы можно характеризовать по нескольким параметрам: размеру, времени жизни и коэффициенту суммарного ослабления атмосферы. Наибольшим коэффициентом ослабления - порядка сотен, тысяч децибел обладают облачные аэрозольные поля, они могут достигать значительных размеров до сотен километров и обладают выраженным экранирующим действием. Время жизни такого аэрозольного поля может составлять от нескольких часов до нескольких суток. Туманы и дымки обладают меньшим коэффициентом ослабления (десятки дБ/км), вертикальная протяженность таких аэрозольных полей не превышает ста метров, горизонтальная - десятки километров. Ослабление излучения атмосферой с возмущающими полями макро - и мезо - масштаба приводит к отказу от наблюдений и исследований при неблагоприятной метеорологической обстановке [3].

Реализация потенциальных возможностей наблюдения и анализа излучения, прошедшего атмосферу, может осуществляться в чистой атмосфере, коэффициент ослабления которой составляется меньше единиц децибелов на километр. Размеры неоднородностей такой среды составляют примерно от 1 мм до 100 м, время жизни достигает единиц миллисекунд. Вертикальная достижимая протяженность испытательной трассы обычно не превышает сотен метров, а горизонтальная нескольких километров.

Возмущающее действие чистой атмосферы, наряду с поглощением и аэрозольным рассеянием, обусловлено, в основном, турбулентными вихрями и рефракцией, что приводит к флуктуациям фазы и амплитуды оптической волны, нарушению пространственной когерентности, блужданию и уширению излучения.

Главными причинами развития турбулентных течений в атмосфере является резкие изменения температуры и скорости ветра. Изменения связаны с трением воздуха о поверхность земли, в результате которого образуется различие в скорости ветра нижнего и более высокого слоя воздуха, различным нагреванием поверхностного слоя, развитием тепловой конвекции, наличием облачных образований. В атмосфере постоянно происходит выделение и преобразование тепла, смешение и взаимодействие воздушных масс с разными характеристиками,

искажение воздушных потоков различными препятствиями, возникновение роторных движений на их подветренной стороне, образование инверсионных слоев вблизи других атмосферных поверхностей раздела. Различные сочетания этих процессов обуславливают постоянное преобразование воздушных потоков, вызывая турбулентность атмосферы.

Основным свойством турбулентного состояния атмосферы является неупорядоченность поля скоростей во времени и пространстве. Задача определения влияния каждой частицы среды на пучок света в любой момент времени по заданному положению и скорости не может быть решена классическими уравнениями гидромеханики, поэтому анализ взаимодействия оптического излучения с такой средой возможен только при проведении испытаний непосредственно в реальных условиях атмосферы.

1.2 Диагностика волнового фронта излучения и средства проведения испытаний оптико-электронных устройств

Распространение света в пространстве как волновой процесс, характеризуется двумя основными параметрами - амплитудой и фазой излучения. Так, монохроматическое излучение в пространстве зависит от времени по гармоническому закону:

У(г,€) = a(r)cos(ыt — <р0 (г)), (1.1)

где а(г) - амплитуда возмущения, ш - циклическая частота изменения поля во времени, ф0 (г) - фаза волны.

Принцип действия приборов, предназначенных для измерения интенсивности поля I, пропорциональной квадрату амплитуды 1(г) = а2 (г), основан на законах взаимодействия электромагнитных волн с веществом фоточувствительного элемента, природа которого весьма разнообразна. В результате промышленность предоставляет широкий спектр устройств для регистрации интенсивности, в основу которых положена непосредственная

реакция вещества на поток энергии излучения, преобразуемая в электрический сигнал для последующей записи.

Диагностика фазовой составляющей волнового фронта излучения может осуществляться на основе информации с систем, содержащих в своем составе датчики волнового фронта различной конфигурации. Полученные с устройств данные о фазовой поверхности в виде значения в каждой точке, среднеквадратического отклонения формы волнового фронта от начального, ряда полиномов разложения или картины интерференции позволяют проводить оценку параметров излучения, среды распространения, а также самих приборов и устройств регистрации.

Оценка параметров излучения, передающей среды, функциональных возможностей приборов и методов регистрации и коррекции волнового фронта может производиться различными способами, например, в условиях открытого воздушного пути или с помощью численных моделей. В природных условиях практическая реализация таких исследований определяется состоянием микроструктуры атмосферы и требует комплексного технологического и аппаратного оснащения площадки исследований, что связано, прежде всего, с изменчивостью параметров среды распространения. Множество реализаций испытательных стендов показывают зависимость выходных параметров от метеорологической обстановки и не позволяют обрабатывать единичные данные, однако совокупность работ по натурным исследованиям с множеством конкретных случаев показывает выраженные зависимости для определенных условий, зачастую смешиваемых при анализе.

Численные эксперименты основываются на разнообразных моделях атмосферных процессов, которые позволяют вычислить параметры среды распространения с учетом задаваемых характеристик. При анализе они используют данные с соответствующих датчиков волнового фронта, которые в соответствии с выбранной моделью турбулентности, количеством уравнений и дополнительных параметров позволяют говорить о характеристиках излучения. Не смотря на удобство численных экспериментов в оценке функциональных возможностей

компенсации, они навязывают определенные модельные требования, что заведомо отличает такие данные от информации о реальных условиях.

Перспективным направлением в решении задачи диагностики излучения является использование закрытых воздушных пространств, где возможно обеспечить необходимые условия эксперимента: естественную атмосферу с контролируемыми параметрами.

1.2.1 Искусственная атмосферная трасса

При исследовании параметров излучения, характеристике среды распространения, разработке и модернизации оптико-электронных систем и их компонентов важным условием является наличие стендового оборудования, обеспечивающего повторяемость испытаний. В качестве площадки для таких испытаний может выступать атмосферный путь с низкими внутренними искажениями, с возможностью воздействия и контроля на параметры среды распространения, что позволяет оперативно, без больших трудозатрат настраивать и выбирать оптимальные измерительные схемы, синхронизовать работу аппаратуры, отрабатывать методики измерений и обработки данных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сергачева Елена Викторовна, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зуев, В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере / В.Е. Зуев. - М.: Радио и связь,1981. - 287 с.

2. Дубровина, Л.С. Облака и осадки по данным самолетного зондирования / Л.С. Дубровина. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 216 с.

3. Лукьянов, Д.П.. Оптические адаптивные системы. / Д.П. Лукьянов,

A.А. Корниенко, Б.Е. Рудницкий. - М.: Радио и связь,1989. - 238 с.

4. Татарский, В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере /

B.И. Татарский. - М.: Наука, 1967. - 548 с.

5. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т.2. Многократное рассеяние, турбулентность, шероховатости и дистанционное зондирование: пер. с англ. - М.: Мир,1981. - 318 с.

6. Гурвич, А.С. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере / А.С. Гурвич, А.И. Кон, В.Л. Миронов, С.С. Хмелецов. - М.: Наука, 1976. - 277 с.

7. Лавринов В.В. Исследование функциональных возможностей датчика волнового фронта Шэка-Гартмана. Дис. ...канд. физ.-мат. наук: 01.04.05. - Томск, 2017. - 165 с.

8. Sirazetdinov, V.S. Investigation of laser radiation propagation on extended paths on the LAS stand / V.S. Sirazetdinov // Journal of Optical Technology, 1999. -V. 66, № 11. - P. 970-973.

9. Sirazetdinov, V.S. Physical modeling of directional transport of laser radiation / V.S. Sirazetdinov, A.D. Starikov// Journal of Optical Technology, 1994. V. 61, № 11. - P. 797-800.

10. Сиразетдинов В.С. Достижение предельной направленности и повышение мощности излучения высокоэнергетичных лазеров на Nd-стекле, распространение лазерных пучков на протяженных и экстремально-турбулентных трассах. Дис. .д-ра. физ.-мат. наук: 01.04.05. - С.-Петербург, 2007. - 294 с.

11. Воронцов, М.А. Принципы адаптивной оптики./ М.А. Воронцов, В.И. Шмальгаузен. - М.: Наука, 1985. - 336 с.

12. Тараненко, В.Г. Адаптивная оптика в приборах и устройствах /

B.Г. Тараненко, О.И. Шанин. - М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2005. - 416 с.

13. Ларичев, А.В. Адаптивная система для регистрации изображений глазного дна / А.В. Ларичев, П.В. Иванов, Н.Г. Ирошников, В.И. Шмальгаузен, Л.Дж. Оттен // Квантовая электроника, 2002. - Т.32, №10. - С. 902-908.

14. Кудряшов, А.В. Анализ способа компенсации волнового фронта при использовании датчика Шэка-Гартмана как элемента адаптивной оптической системы / А.В. Кудряшов, В.В. Самаркин, Ю.В. Шелдакова, А.Г. Александров // Автометрия. 2012. - Т48, №2. - С52-58.

15. Salmon, T. Comparison of the eye's wave-front aberration measured psychophysically and with the Shack-Hartmann wave-front sensor / T. Salmon, L. Thibos, A. Bradley // J. Opt. Soc. Am, 1998. - V.15. - P. 2457-2465.

16. Короленко, П. В. Оптические вихри / П. В. Короленко // Общеобразовательный журнал. 1998. - № 6. - С. 94-99

17. Ермолаева, Е.В. Адаптивная оптика / Е.В. Ермолаева, В.А. Зверев, А.А. Филатов. СПб: НИУ ИТМО, 2012. -297с

18. Лукин, В. П. Формирование оптических пучков и изображений на основе применения систем адаптивной оптики / В. П. Лукин // Успехи физических наук, 2014, -Т. 184, № 6. - С. 599-640.

19. Андреева, М.С. Использование датчика волнового фронта для оценки параметров атмосферной турбулентности / М.С. Андреева, Н.Г. Ирошников,

A.В. Корябин, А.В. Ларичев, В.И. Шмальгаузен //Автометрия.2012. - Т. 48, №2. -

C.103-111.

20. Welsh, B.M. Fundamental performance comparison of a Hartmann and a shearing interferometer wavefront sensor / B.M. Welsh, M.C. Roggemann,

B.L. Ellerbroek, T.L. Pennington // Appl. Opt. 1995. - V. 34, - P. 4186

21. Hartmann, J. Objetivuntersuchungen / J. Hartmann // Z. Instrum, 1904. -№1. - P 33-97.

22. Shack, R.V. Production and use of a lenticular Hartmann screen / R.V. Shack, B.C. Platt //J. Opt. Soc. Am. 1971. -V.61, - p. 656.

23. Антошкин, Л.В., Особенности опережающей коррекции турбулентных искажений по измерениям датчика Шэка-Гартмана / Л.В. Антошкин, В.В. Лавринов, Л.Н. Лавринова, В.П. Лукин // Оптика атмосферы и океана.2011. -Т. 24, №11. - С. 1042-1047.

24. Roddier, F. Curvature sensing and compensation: a new concept in adaptive optics / F Roddier // Appl. Opt. 1988. - №. 27. - P. 1223-1225.

25. Akondi, V. Digital pyramid wavefront sensor with tunable modulation / V. Akondi, S. Castillo, B. Vohnsen // Optics Express. 2013. - №. 21, Iss. 15. - P. 1826118272.

26. Венедиктов, В. Ю. Голографические датчики волнового фронта / В. Ю. Венедиктов // Фотоника, 2016. - № 1(55). - С. 132-141.

27. Son, J-Y. Shack-Hartmann wavefront sensor with holographic memory / J-Y. Son, D.V. Podanchuk, V. P. Dan'ko, K-D. Kwak // Opt. Eng. 2003. - V. 42, №11. -P. 3389-3398.

28. Andersen, G. Fast computer-free holographic adaptive optics / G. Andersen, F. Ghebremichael, R. Gaddipati, P. Gaddipati // Proc. of SPIE, 2012. - V. 8447. - P. 8447L-1-8447L-8.

29. Neil, M. A. A. New modal wave-front sensor: a theoretical analysis / M. A. A. Neil, J. Booth, T. Wilson. // Opt. Sos. Am. A, 2000. - V. 17, № 6, - P. 1098-1107.

30. Booth, M. J. Direct measurement of Zernike aberration modes with a modal wavefront sensor / M. J. Booth. // Proc. SPIE , 2003. - №. 5162, P. 79-90.

31. Dong, S. T. Response analysis of holography-based modal wavefront sensor / S. Dong, T. Haist., W. Osten., T. Ruppe., O. Sawodny. //Applied Optics, 2012. -V. 51, №.9. - P. 1318-1327.

32. Kovalev, M. S. Wave front sensor based on holographic optical elements / M. S. Kovalev, G. K. Krasin, P. I. Malinina S.B. Odinokov, H. R. Sagatelyan // Journal of Physics: Conference Series, 2016. - № 737. - P. 012064.

33. Dai, G-m. Modal compensation of atmospheric turbulence with the use of Zernike polynomials and Karhunen-Lo'eve function / G-m. Dai // J. Opt. Soc. Am. A, 1995. - V. 66. №3 - P. 207-211.

34. Noll, R. Zernike polynomials and atmospheric turbulence / R. Noll // J. Opt. Soc. Am, 1976. - № 66. - P. 207-211.

35. Бездидько С. Н. Применение полиномов Цернике в оптике / С. Н. Бездидько // Оптико-механическая промышленность, 1974. - № 9. -С. 58-62.

36. Бездидько С. Н. Методологические аспекты применения полиномов Цернике в вычислительной оптике / С. Н. Бездидько // Фундаментальные основы инженерных наук: сб. тр. Междунар. конф., посв. 90-летию со дня рождения нобелевского лауреата акад. А. М. Прохорова. М.: ИРЭ РАН, Междунар. центр по информатикеи электронной технике, 2006. - Т. 1. - С. 88-101.

37. Dyrud, P. Fast Holographic Wavefront Sensor / P. Dyrud, G. Andersen // Proc. SPIE, 2006. - V. 6215. - P. 62150I-62150-8.

38. Орлов, В. В. Голографический модовый датчик волнового фронта с

у

в 39. Воронцов, М.А. Гибкие зеркала для адаптивных систем атмосферной оптики. Теоретический анализ / М. А. Воронцов, А. В. Кудряшов, В.И. Шмальгаузен // Изв. Вузов: Радиофизика, 1984. - Т.27, № 11. - С.1419-1430. и 40. Безуглов, Д. А. Исследование динамических характеристик счегментированного корректора фазового фронта для адаптивных оптических систем / Д.А. Безуглов, Е.Н. Мищенко, В.Л. Тюриков // Оптика атмосферы. - 1990. н Т. 3. - N 2. - С. 211-213.

н 41. Cornelissen, S.A. MEMS Deformable Mirrors for astronomical Adaptive Optics / S.A. Cornelissen, A.L. Hartzell, J. B. Stewart, T.G. Bifano, P.A. Bieerden // Proc. SPIE, 2011. - №. 7736. P. 7736D-7736D-10.

42. Фернандес, Э. Адаптивная оптика с магнитно-деформируемым зеркалом: приложения к системам коррекции зрения / Э. Фернандес, Л. Вабре, Б. Герман, А. Унтерхубер, Б. Поважай, Дрекслер //Фотоника, 2008. - Т.1, №7 C. 2-5. с 43. Bastaits, R. Segmented bimorph mirrors for adaptive optics: segment design md experiment / R. Bastaits, D. Alaluf, M. Horodinca, I. Romanescu, I. Burda, G. Martic, G. Rodrigues, A. Preumont // Applied Optics, 2014. - V.53, №29. -P. 6635-6642 м

и

44. Жуков, С. Н. (пер.) Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / С. Н Жуков.- Мн.: ФУАинформ, 2003. - 112 с.

45. Самаркин В. В. Разработка и исследование адаптивных биморфных зеркал для управления из лучением промышленных СО2 и мощных фемтосекундных: дис. ... канд. техн. наук. М.: МГУ, 2002. 159 с.

46. Rukosuev, A. L. Closed-Loop Adaptive Optical System with Bimorph Mirror and Shack-Hartmann Wavefront Sensor - Advantages and Limitations / A. L. Rukosuev, V. V. Samarkin // 2nd Int. Conf. on Advanced Optoelectronics and Lasers. Proc. of CAOL, 2005. - V. 1. - P. 118

47. Гауэр, Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ./ Дж. Гауэр. - М.: Радио и связь, 1989. - 504 с.

48. Ефременко, В.В. Оптические линии связи в космосе / В.В. Ефременко // Итоги науки и техники. Сер. Связь. - М.: ВИНИТИ, 1991. - Т. 8, С. 3-23.

49. Яременко Ю.И. Применение открытых оптических систем передачи в сетях связи / Ю.И. Яременко // ИНФОРМОСТ. Радиоэлектроника и телекоммуникации.2005. - №1(37). - С. 35-42.

50. Кириленко, М.С. Передача информации с использованием оптических вихрей/ М.С. Кириленко, С.Н. Хонина // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2012. - Т. 14, №6 - С. 292-299.

51. Wang, Z. High-volume optical vortex multiplexing and demultiplexing for free-space optical communication / Z. Wang, N. Zhang, X.-C. Yuan // Optics Express, 2011. -V. 19. Iss. 2. - P.482-492.

52. Wang, J., rt al. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing/ J. Wang // Nature Photonics, 2012. - 9 p.

53. Desyatnikov, A.S. Optical vortices and vortex solitons / A.S. Desyatnikov, Yu.S. Kivshar, L. Torner, Ed. E. Wolf / Progress in Optics, 2005. - V. 47. - P. 291-391.

54. Nye, J.F. Dislocation in wave trains / J.F. Nye, M. Berry // Proc. R. Soc. Lond., 1974. - №336:165- P.190.

55. Гринь, Л.Е. О генерации лазерных пучков с винтовой структурой волнового фронта / Л.Е. Гринь, П.В. Короленко, Н.Н. Федотов // Оптика и спектроскопия. 1992, Т. 73, № 5. С. 1007-1010.

56. Князев, Б.А. Пучки фотонов с ненулевой проекцией орбитального момента импульса: новые результаты / Б.А. Князев, В.Г. Сербо // УФН, 2018. -Т. 188, №5 - С. 508-539.

57. Арсеньян, Т.И. Дислокации волнового фронта в турбулентной среде. Радиотехника и электроника / Т.И. Арсеньян, С.И. Кауль, П.В. Короленко и др. // Радиотехника и электроника, 1992. - Т. 37, № 10. - С. 1773-1777.

58. Ghai, D. P. Vortex lattice generation using interferometric techniques based on lateral shearing / D. P. Ghai, S. Vyas, P. Senthilkumaran, R. S. Sirohi // Opt. Commun., 2009. - V. 282. - P. 2692-2698.

59. O'Holleran, K. Topology of optical vortex lines formed by the interference of three, four, and five plane waves / K. O'Holleran, M. Padgett, M. Dennis // Opt. Express, 2006. - № 14- P. 3039-3044.

60. Senthilkumaran P., J. Interferometry with Vortices / P. Senthilkumaran, J. Masajada, Sh. Sato. // International Journal of Optics. V. 2012, 18 p.

61. Q. Zhan. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications //Advances in Optics and Photonics, 2009. V. 1, № 1, pp. 1-57.

62. Tidwell, S. C. Efficient radially polarized laser beam generation with a double interferometer / S. C. Tidwell, G. H. Kim, W. D. Kimura. // Applied Optics, 1993.V. 32 - №. 27. - P. 5222-5229.

63. Yao, A. M. Orbital angular momentum: Origins, behavior and applications /A. M. Yao, M. J. Padgett. // Advances in Optics and Photonics, 3 (2011), pp. 161-204.

64. Venediktov, V. Yu. Asymmetrization of the Profile of a Dynamic Holographic Grating on the Basis of Particularly Local Information / V. Yu. Venediktov, N. N. Freigang // Opt. Spektrosk, 2008. - V. 104, №2. -P. 347-351.

65. Berenberg, V. A., Venediktov, V. Yu., Laskin, V. A. Self-Asymmetrization of Phase Grating Profile in a Nematic S Layer: Partially Continuous Model // Opt. Spektrosk., 2010. - V.109, №6. -P.1035-1040.

66. Venediktov, V. Yu., Laskin, V. A., Pasechnik I. M., Savinov V. A. Analog Asymmetrization of Profile of Thin Dynamic Holographic Grating in Liquid-Crystal Matrix Transparency // Opt. Spektrosk, 2010. V.109. - №6, P.1048-1050.

67. Venediktov, V. Yu., Laskin, V. A., Savinov V. A. Real-Time Mode Asymmetrization of Two-Wave Interference Pattern Profile // Opt. Spektrosk., 2010. -V.109, №4, -P.675-677.

68. Venediktov, V. Yu. Thin Dynamic Holograms with an Asymmetric Fringe Profile / V. Yu. Venediktov // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2012. - V. 48, №2. - P. 126-133.

69. Charnotskii, M. Shack-Hartmann measurements of the transverse linear and orbital angular momenta after propagation through turbulence / M. Charnotskii, T. Brennan // Proc. of SPIE - V. 10408 P.104080L-1-104080L-14.

70. Aleksandrov, A. G. Closed adaptive systems with controllable bimorph mirrors / A. G. Aleksandrov, V. E. Zavalova, A. V. Kudryashov, et al. // Journal of Optical Technology, 2004. - №71(11). - Р. 737-741.

71. Шелдакова, Ю.В. Использование гибридного алгоритма управления биморфным зеркалом для фокусировки светового излучения / Ю.В. Шелдакова, А.В. Кудряшов, А. Л. Рукосуев, Т.Ю. Черезова // Оптика атмосферы и океана, 2007. - Т. 20, № 4. - С. 380-383.

72. Лавринов В.В. Численное исследование алгоритма вычисления напряжений, выполняющих управление гибким зеркалом, в зависимости от представления информации о волновом фронте / В.В. Лавринов, Л.Н. Лавринова, М.В. Туев // Оптика атмосферы и океана.2011. - Т. 27, №10. - С. 925-931.

73. Лукин, В.П. О дисперсии разности эйконалов волн разных частот в турбулентной атмосфере / В.П. Лукин // Оптика атмосферы и океана, 1988. - Т. 1. № 09. - С. 38-42.

74. Лукин В. П. Эффективность двухцветной адаптивной оптической системы / В.П. Лукин // Квантовая электроника, 1988. -Т. 15, № 9. -С. 1856-1861.

75. Антошкин Л.В.. Дифференциальный метод в измерении параметров турбулентности и скорости ветра датчиком волнового фронта / Л.В. Антошкин,

В.В. Лавринов, Л.Н. Лавринова, В.П. Лукин // Оптика атмосферы и океана.2008. -Т. 21, №1. - С.75-80.

76. Князев, Б.А. Пучки фотонов с ненулевой проекцией орбитального момента импульса: новые результаты / Б.А. Князев, В.Г. Сербо. // Успехи физических наук, 2018. - Т.188, №5 - С.508-539.

77. Шведов, В. Г. Формирование оптических вихрей в процессе дифракции света на диэлектрическом клине / В. Г. Шведов, Я. В. Издебская, А. Н. Алексеев, А. В. Воляр //Письма в ЖТФ,2002. - № 6. -С. 87-88.

78. Sokolenko, B. Optical vortex conversion in the elliptic vortex-beam propagating orthogonally to the crystal optical axis: the experiment / B. Sokolenko, M. Kudryavtseva, A. Zinovyev, et al. // Proceedings of SPIE, 2011. -Vol. 8338. - P.83380D.

79. Грошенко, Н.А. Оптические вихри в поле рассеяния магнитных доменных голограмм / Н.А. Грошенко, О.С. Макалиш, А.В. Воляр. // Журнал технической физики, 1998. - Т.68, № 12. - С. 54-58.

80. Бобров, Б. Д. Винтовые дислокации лазерных спекл-полей на интерферограммах с круговой структурой линий / Б. Д. Бобров // Квантовая электроника, 1991. - Т. 18, № 7. - С. 886-890.

Приложение А (справочное)

Изображения псевдоинтерферограмм полиномов разложения Цернике

низшего порядка

а)

г)

б)

в)

е)

д)

Рисунок А.1

а) дефокус, б) астигматизм вертикальный, в) астигматизм горизонтальный, г) кома вертикальная, д) кома горизонтальная, е) сферическая аберрация

Приложение Б (справочное)

Изображения псевдоинтерферограмм полиномов разложения Цернике

высшего порядка

в) г)

д) е) ж)

Рисунок Б.1

а) трилистник вертикальный, б) трилистник горизонтальный, в) астигматизм высшего порядка вертикальный, г) астигматизм высшего порядка горизонтальный, д) кома высшего порядка вертикальная, е) кома высшего порядка горизонтальная, ж) сферическая аберрация высшего порядка.