8.4. Фокусировка излучения при наличии случайных помех. Использование методов адаптивной оптики [7-9]

Очень часто излучение, идущее от фокусатора, достигает заданного объекта, пройдя через область пространства с нестационарной случайно-неоднородной средой. В этом случае эффективно реализовать фокусирующие свойства гибкого зеркала можно лишь перманентно меняя форму его отражающей поверхности с целью компенсации влияния неоднородностей. Как известно, оптические элементы, характеристики которых могут под воздействием управляющих сигналов изменяться во времени, составляют элементную базу адаптивной оптики. Таким образом, проблема создания фокусаторов, способных работать в условиях случайных помех, оказывается тесно связанной с необходимостью использования методов адаптивной оптики. Среди этих методов важную роль играет метод фазового сопряжения.

М етод фазового сопряжения следует из принципа оптической обратимости. В приближении геометрической оптики его можно сформулировать так:

если волну , прошедшую участок с неоднородным показателем преломления, послать обратно по тому же самому пути, заменив фазу этой волны  на u=- , то на выходе из среды волна восстановит свой первоначальный неискаженный фазовый профиль. Замена фазы  на - эквивалентна операции сопряжения комплексной амплитуды волны: . Этим объясняется название метода фазового сопряжения. Рис. 4.4.1 иллюстрирует сказанное.

Рис. 8.4.1. Компенсация возмущающего фактора оптической неоднородности

Пусть плоская волна проходит участок оптически неоднородной среды, например кусок стекла. В результате фаза волны искажается и на выходе из среды приобретает характерную впадину (сказалось относительное увеличение оптической длины пути и времени распространения волны через стекло). При отражении от обычного зеркала запаздывание на особом участке сохраняется и при повторном прохождении фазовая неоднородность удваивается (рис. 4.4.1, а). Для того чтобы скомпенсировать первоначальное отставание по фазе при обратном распространении, необходимо обратить фазу, т.е. сформировать волну с профилем фазы - . Фаза этой волны на месте впадины имеет выступ, равный ей по значению (рис. 4.4.1, б). Этот особый участок теперь уже опережает по фазе остальные. После повторного прохождения волной неоднородности опережающий участок отстанет по фазе ровно настолько, чтобы скомпенсировать введенное возмущение. Волна в результате двукратного распространения останется плоской (рис. 8.4.1, б).

Р ассмотрим реализацию идеи фазового сопряжения на примере фокусатора, использующего для коррекции фазы гибкое зеркало (рис. 8.4.2).

Рис. 8.4.2. Оптическая фокусирущая система, реализующая принцип фазового сопряжения

1- лазер; 2-ЭВМ; 3- датчик волновогво фронта; 4, 5 - линзы телескопа; 6- мембранное зеркало; 7 - ответвлитель; 8 - начальный фронт волны; 9 - мишень; 10 - фронт в области мищени; 11 - фронт отраженной волны; 12 -скоректированный фронт; 13 - фронт неоднородности

Световой пучок от лазера 1, пройдя формирующий телескоп, образованный линзами 4 и 5, и отразившись от гибкого зеркала 6, выходит из системы, имея изначально плоский волновой фронт 8. Пройдя область со случайными неоднородностями (в частности, это может быть турбулентная атмосфера) вблизи мишени 9 волна будет иметь значительно возмущенный фронт 10. Часть энергии, отразившись от мишени в виде сферической волны, которая в данной оптической системе будет играть роль опорного пучка. К фокусатору этот пучок подойдет с сильно искривленным волновым фронтом 11. Степень отклонения этого фронта от фронта плоской волны определяется от датчика фазы 3, излучение на который подается при помощи светоделительной пластины 7. Датчик фазы, представляющий собой

Рассмотрим реализацию идеи фазового сопряжения на примере фокусатора, использующего для коррекции фазы гибкое зеркало (рис. 8.4.2).

Световой пучок от лазера 1, пройдя формирующий телескоп, образованный линзами 4 и 5, и отразившись от гибкого зеркала 6, выходит из системы, имея изначально плоский волновой фронт 8. Пройдя область со случайными неоднородностями (в частности, это может быть турбулентная атмосфера) вблизи мишени 9 волна будет иметь значительно возмущенный фронт 10. Часть энергии, отразившись от мишени в виде сферической волны, которая в данной оптической системе будет играть роль опорного пучка. К фокусатору этот пучок подойдет с сильно искривленным волновым фронтом 11. Степень отклонения этого фронта от фронта плоской волны определяется от датчика фазы 3, излучение на который подается при помощи светоделительной пластины 7. Датчик фазы, представляющий собой интерферометрическое или голографическое устройство, регистрирует фазовый профиль, пришедшей от мишени волны. Поступающая от датчика фазы информация перерабатывается ЭВМ 2 и в виде управляющих сигналов подается на гибкое зеркало. Это приводит к формированию на выходе фокусатора волны с обращенным (фазово-сопряженным) по отношению к опорному пучку фронтом 12. При распространении этой волны фазовые неоднородности будут компенсироваться. В результате излучение полностью сфокусируется на мишени.