Оценка эффективности компенсации искажений волнового фронта пьезоэлектрическими деформируемыми зеркалами с высоким пространственным разрешением управляющих элементов путем воспроизведения ортогональных полиномов Цернике

Топоровский В.В., Галактионов И.В., Абдулразак С.Х., Кудряшов А.В.

Ссылка для цитирования:

Топоровский В.В., Галактионов И.В., Абдулразак С.Х., Кудряшов А.В. Оценка эффективности компенсации искажений волнового фронта пьезоэлектрическими деформируемыми зеркалами с высоким пространственным разрешением управляющих элементов путем воспроизведения ортогональных полиномов Цернике // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 1. С. 3–12. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-01-3-12

Toporovsky V.V., Galaktionov I.V., Abdulrazak S.Kh., Kudryashov A.V. Evaluation of the wavefront distortion compensation efficiency with high-resolution piezoelectric deformable mirrors by reproducing orthogonal Zernike polynomials [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 1. P. 3–12. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-01-3-12

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Пьезоэлектрические деформируемые зеркала биморфного и пьезоактюаторного типа с высокой чувствительностью управляющих элементов. Цель работы. Подавление влияния эффектов атмосферной турбулентности на волновой фронт лазерного излучения корректорами волнового фронта с модальными и локальными функциями отклика управляющих элементов посредством воспроизведения полиномов Цернике. Метод. Коэффициенты при полиномах Цернике анализировались с помощью датчика волнового фронта Шака–Гартмана. В качестве критерия эффективности воспроизведения использованы значения максимального управляющего напряжения и остаточного среднеквадратического отклонения. Основные результаты. Использованные пьезоэлектрические корректоры волнового фронта биморфного типа позволяют воспроизвести полиномы Цернике до 7-го порядка в классификации Вайанта, в то время как деформируемое зеркало пьезоактюаторного типа было способно реконструировать полиномы Цернике до 8-го порядка. При этом биморфное зеркало компенсирует крупномасштабные искажения волнового фронта с высокой амплитудой в сравнении с пьезоактюаторным. Тем не менее, пьезоактюаторный корректор воспроизводит аберрации высшего порядка с большей амплитудой. Практическая значимость. Полученные в работе результаты исследования деформируемых зеркал биморфного и пьезоактюаторного типа могут быть использованы в области коррекции крупно- и мелкомасштабных аберраций лазерного излучения при его распространении сквозь атмосферную турбулентность.

Ключевые слова:

адаптивная оптика, пьезоэлектрические деформируемые зеркала, полиномы Цернике, датчик волнового фронта Шака–Гартмана

Коды OCIS: 230.4040, 220.1080, 010.1285

Список источников:

1. Ye X., Shen F. Analysis of aiming performance limitation for optical system in atmospheric turbulence (Анализ ограничений на точность сопровождения объекта оптическими системами в турбулентной атмосфере) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 10. С. 8–16.
Ye X., Shen F. Analysis of aiming performance limitation for an optical system in atmospheric turbulence // J. Opt. Technol. 2018. V. 85. P. 603–609. https://doi. org/10.1364/JOT.85.000603
2. Страхов С.Ю., Трилис А.В., Сотникова Н.В. Особенности передающих телескопов для систем лазерной связи // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 5. С. 52–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-05-52-59
Strakhov S.Yu., Trilis A.V., Sotnikova N.V. Specifics of transmitting telescopes for laser communication systems // J. Opt. Technol. 2021. V. 88. P. 264–269. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000264
3. Кондратенко В.С., Мальцев П.П., Редькин С.В. Лазерная плазмохимическая обработка оптоэлектронных материалов // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 10. С. 78–82. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-10-78-82
Kondratenko V.S., Mal’tsev P.P., Red’kin S.V. Laser plasma-chemical treatment of optoelectronic materials // J. Opt. Technol. 2021. V. 88. P. 606–609. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000606
4. Клеймёнов В.В., Возмищев И.Ю., Новикова Е.В. Ограничения применения лазерной опорной звезды в адаптивных оптико-электронных системах, обусловленные её дрожанием в атмосфере // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 10. С. 24–32. http://doi. org/10.17586/1023-5086-2021-88-10-24-32
Kleimenov V.V., Vozmishchev I.Yu., Novikova E.V. Application limitations of a laser guide star in adaptive optoelectronic systems caused by its jitter in the atmosphere // J. Opt. Technol. 2021. V. 88. P. 569–573. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000569
5. Arockia Bazil Raj A., Lancelot J.P. Seasonal investigation on prediction accuracy of atmospheric turbulence strength with a new model at Punalkulam, Tamil Nadu [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 1. С. 73–89.
Arockia Bazil Raj A., Lancelot J.P. Seasonal investigation on prediction accuracy of atmospheric turbulence
strength with a new model at Punalkulam, Tamil Nadu // J. Opt. Technol. 2016. V. 83. P. 55–68. https://doi.org/ 10.1364/JOT.83.000055
6. Alamouti S.M. A simple transmit diversity technique for wireless communications // IEEE J. Select. Areas Commun. 1998. V. 16. № 8. P. 1451–1458. https://doi.org/ 10.1109/49.730453
7. Qu Z., Djordjevic I.B. 500 Gb/s free-space optical transmission over strong atmospheric turbulence channels // Opt. Lett. 2016. V. 41. № 14. P. 3285–3288. https://doi.org/10.1364/OL.41.003285
8. Li Z., Cao J., Zhao X., et al. Combinational-deformablemirror adaptive optics system for atmospheric compensation in free space communication // Opt. Commun. 2014. V. 320(2). P. 162–168. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2014.01.042
9. Rukosuev A., Nikitin A., Toporovsky V., et al. A realtime correction of a laser beam wavefront distorted by an artificial turbulent heated airflow // Photonics. 2022. V. 9. № 5. P. 351. https://doi.org/10.3390/photonics9050351
10. Belmonte A., Kahn J.M. Sequential optimization of adaptive arrays in coherent laser communications // J. Lightwave Technol. 2013. V. 31. № 9. P. 1383–1387. https://doi.org/10.1109/JLT.2013.2250484
11. Bifano T. MEMS deformable mirrors // Nature Photonics. 2011. V. 5. P. 21–23. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.297
12. Salinari P., Del Vecchio C., Biliotti V. A study of an adaptive secondary mirror // Proc. ICO-16. 1993. P. 247. https://doi.org/10.1364/AO.37.004656
13. Toporovsky V., Samarkin V., Sheldakova J., et al. Water-cooled stacked-actuator flexible mirror for highpower laser beam correction // Opt. & Laser Technol. 2021. V. 144. P. 107427. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107427
14. Wlodarczyk K., Bryce E., Schwartz N. Scalable stacked array piezoelectric deformable mirror for astronomy and laser processing applications // Rev. Sci. Instruments. 2014. V. 85. № 2. P. 024502. https://doi.org/10.1063/1.4865125
15. Yagnyatinskiy D.A., Fedoseyev V.N. Modal control of a deformable mirror via the focal spot using actuator influence functions // Proc. Intern. Conf. Laser Optics 2018. St. Petersburg, Russia. June 4, 2018. P. 8435877. https://doi.org/10.1109/LO.2018.8435877
16. Toporovsky V., Kudryashov A., Skvortsov A., et al. State-of-the-art technologies in piezoelectric deformable mirror design // Photonics. 2022. V. 9. № 5. P. 321. https://doi.org/10.3390/photonics9050321
17. Ahn K., Kihm H. Moment actuator for correcting loworder aberrations of deformable mirrors // Opt. and Lasers in Eng. 2020. V. 126. P. 105864. https://doi. org/10.1016/j.optlaseng.2019.105864
18. Ivanova N., Onokhov A., Chaika A. Liquid-crystal spatial light modulators for adaptive optics and image processing // Proc. SPIE. 1996. V. 2754. P. 180–185. https://doi.org/10.1117/12.243141
19. Hampton P., Bradley C., Agathoklis P., et al. Control system performance of a woofer-tweeter adaptive optics system // Proc. The Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conf. 2006. Wailea, Maui, Hawaii. September 10–14, 2006. P. 16–24. https://doi.org/10.1364/JOSAA.27.00A145
20. Lavigne J.-F., Véran J.-P. Woofer-tweeter control in an adaptive optics system using a Fourier reconstructor // JOSA A. 2008. V. 25. P. 2271–9. https://doi.org/10.1364/JOSAA.25.002271
21. Dai G.M. Modal compensation of atmospheric turbulence with the use of Zernike polynomials and Karhunen–Loève functions // JOSA A. 1995. V. 12. P. 2182–2193. https://doi.org/10.1364/JOSAA.12.002182
22. Roddier F. Adaptive optics in astronomy. 1st ed. Cambridge University Press, 1999. 420 p.
23. Primot J. Theoretical description of Shack–Hartmann wave-front sensor // Opt. Commun. 2003. V. 222. P. 81–92. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(03)01565-7
24. Goodwin E.P., Wyant J.C. Field guide to interferometric optical testing / SPIE Publications, 2006. 114 p. https://doi.org/10.1117/3.702897
25. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения / пер. с франц. Губеля Н.Н. под ред. Слюсарева Г.Г. М.: Мир, 1968. 295 с.
Marechal A., Francon M. Diffraction. Structure des images. Influence de la cohérence de la Lumiere. Paris, 1960. 216 p.