中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

自适应光学（AO）是通过实时校正大气湍流导致的光学像差，提升地面望远镜成像分辨率的技术。波前传感是决定自适应光学系统性能的关键环节，其核心作用是测量前述光学畸变的相位分布情况。当前主流的波前传感器类型包括夏克—哈特曼型、四棱锥型及曲率型等，其中四棱锥波前传感器（PWFS）具备高灵敏度、高光能利用率及系统采样率实时可调等特性，更适用弱光环境下的目标探测需求，目前已应用于多个地基大口径望远镜的AO系统。四棱锥波前传感器虽能在自适应光学应用场景中提供高灵敏度探测，但其波前探测的动态范围较小，需通过动态调制以扩大其动态范围—该方法使得波前传感器内部置有机械运动部件，从而导致系统复杂度上升。如何简化PWFS的光机设计，实现无需动态调制即可进行高精度大动态范围的波前探测成为四棱锥波前传感器研究的热点课题。本课题聚焦大动态范围无调制四棱锥波前传感技术研究，分别从算法优化与硬件改进两个维度提出创新方案，并针对两种方案的波前探测性能开展理论分析与实验验证，具体研究内容如下：
系统开展四棱锥波前传感器的理论探究。阐明其波前探测机制，并从几何光学与傅里叶光学双重视角进行深入解析。基于理论研究，对无调制四棱锥波前传感器的探测成像、波前复原及闭环校正过程开展数值仿真，验证了该技术用于波前探测的可行性，同时分析其线性范围与动态范围特性，为后续算法优化与硬件改进方法的提出提供理论支撑。
提出一种基于相位恢复算法的新型无调制四棱锥波前传感器。将Gerchberg-Saxton（GS）迭代优化型相位恢复算法引入PWFS的波前重建流程，构建出具备大动态范围的无调制四棱锥波前传感器（下称Py-GS）。Py-GS依托四棱锥的分光机制，采集包含被测波前信息的子光瞳图像，并结合其自身的光场传播模型开展迭代优化过程，最终反演恢复待测相位。结果表明，相较于传统GS相位恢复算法，Py-GS所采用的迭代算法不仅重建精度更高，且收敛速度更快；与传统无调制四棱锥波前传感器相比，Py-GS无需依赖动态调制组件，即可实现更大的波前探测动态范围。仿真研究表明，噪声环境下，Py-GS仍能保持良好的波前探测能力；进行了四棱锥光学参数对波前重建效果的分析，分析发现四棱锥锥尖的中央平台尺寸不大于艾里斑直径尺寸的20%时，Py-GS可实现高精度波前重建。提出圆台－四棱锥波前传感器（TA-PWFS）创新方案。该方案应用于闭环自适应光学系统时，在保留传统无调制四棱锥波前传感器高灵敏度的同时，可有效突破经典结构动态范围受限的瓶颈，且无需依赖机械运动调制装置。TA-PWFS 的核心设计思路为：在四棱锥波前传感器瞳面部署圆台衍射元件，将部分入射光整形为环绕锥尖的环形光斑，其半径与正弦调幅调制半径一致，可提供更大的探测动态范围；剩余光线经圆台平台传播后，在锥尖形成光斑，保障其高灵敏度特性。对含大幅值整体倾斜的多种被测波前的仿真结果表明，TA-PWFS不仅保留了传统无调制PWFS的高灵敏度优势，同时动态范围显著优于经典无调制PWFS，且无需机械调制组件及额外的整体倾斜预校正，便可实现波前重构。该简化设计为无调制四棱锥波前传感器提供了创新性解决方案，可适配自适应光学系统，提升波前传感性能。进行了白光下TA-PWFS波前重构能力研究，设计了相应的消色差TA-PWFS系统并进行了模拟仿真，结果表明，白光下TA-PWFS能够完成小幅值波前像差重建，然而当波前幅值较大时，系统算法不再收敛。
设计并搭建基于TA-PWFS的光学实验系统。实验深入探究TA-PWFS对多阶Zernike像差的重建可行性及过程机制，结果显示，闭环校正前，TA-PWFS计算的波前像差与被测像差符号一致但呈非线性关系，证实其可通过自适应闭环校正实现波前重建，而后开展大动态范围，多阶像差闭环校正实验，结果表明，闭环校正后，TA-PWFS可实现大动态范围高精度波前探测。实验过程对比了TA-PWFS与SID4波前传感器对空间光调制器输入波前的检测结果，验证了当测量波前存在大幅值整体倾斜时，TA-PWFS仍具备优良的检测能力。
综上，本课题对大动态范围，无调制四棱锥波前传感技术开展了系统性研究。深入剖析无调制模式下四棱锥波前传感技术的工作特性，明确该模式下传感器波前探测失效的核心原因。首先，针对传统四棱锥波前传感器的算法进行优化，提出Py-GS波前传感技术—将GS算法融入四棱锥波前传感框架，实现大动态范围波前探测的目标；其次，在软件层面保留传统四棱锥波前传感器的核心算法架构，通过在硬件层面引入圆台衍射元件并配套相应的整体倾斜算法，构建兼具高灵敏度与大动态范围的无调制四棱锥波前传感系统（TA-PWFS）。最后，对基于TA-PWFS的光学实验系统开展工作性能实测分析，设计并制备超透镜四棱锥以替代传统光学玻璃四棱锥，该超透镜四棱锥凭借极高的加工精度与较低的制备成本，为解决四棱锥波前传感器核心部件四棱锥加工难度大的问题提供了新方案，实验不仅验证了TA-PWFS的技术可行性，更为无调制四棱锥波前传感器的技术发展提供了新途径。