(48-4) 05 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Адаптивная оптика реального времени для коррекции лазерного излучения в условиях сильной турбулентности
А.Л. Рукосуев 1, А.Н. Никитин 1, И.В. Галактионов 1, Ю.В. Шелдакова 1, А.В. Кудряшов 1,2

1 Институт динамики геосфер им. академика М.А. Садовского РАН,
119334, Россия, г. Москва, Ленинский проспект, д. 38, корпус 1;
2 Московский политехнический университет,
107023, Россия, Москва, ул. Большая Семёновская, д. 38

  PDF, 1827 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1352

Страницы: 511-518.

Аннотация:
Представлена комбинированная адаптивная оптическая система, предназначенная для коррекции волнового фронта светового излучения, искаженного воздействием сильной атмосферной турбулентности. Система состоит из стабилизатора положения пучка в пространстве и быстрой адаптивной оптической системы, работающей в режиме реального времени. Стабилизация положения пучка в пространстве осуществляется с помощью двух электронно управляемых по наклонам зеркал. Контур управления включает в себя два разнесенных в пространстве квадрантных датчика и программируемую логическую интегральную схему, которая осуществляет замыкание контура обратной связи. Адаптивное зеркало на основе биморфного пьезоэлемента, управляемое с помощью другой программируемой логической интегральной схемы, на основе информации, получаемой с датчика Шака–Гартмана, позволяет компенсировать аберрации волнового фронта вплоть до 23 полинома Цернике в реальном масштабе времени. Испытания системы проводились в условиях лабораторной турбулентности, созданной с помощью тепловентилятора. Ширина полосы возмущающего воздействия искусственной турбулентности в экспериментах не превышала 100 Гц, что соответствует среднестатистическому состоянию реальной атмосферы. Представлены результаты коррекции волнового фронта, искаженного воздействием искусственной турбулентности. Показано, что при использовании только биморфного корректора амплитуда наклонов волнового фронта возрастает. Это представляет определенную проблему, поскольку значительная часть энергии турбулентности приходится на наклоны волнового фронта. Для ее решения предлагается дополнительно использовать систему стабилизации положения светового пучка в пространстве.

Ключевые слова:
адаптивная оптическая система, атмосферная турбулентность, корректор волнового фронта, полиномы Цернике, компьютерная оптика.

Благодарности
Работы по стабилизации лазерного пучка (часть 1) выполнены при поддержке РНФ в рамках гранта № 20-19-00597, эксперименты по исследованию искусственной турбулентности (часть 2) выполнены при поддержке государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 122032900183-1), эксперименты по созданию адаптивных зеркал выполнены в рамках научной программы Национального центра физики и математики (проект «Физика высоких плотностей энергии. Этап 2023-2025»).

Цитирование:
Рукосуев, А.Л. Адаптивная оптика реального времени для коррекции лазерного излучения в условиях сильной турбулентности / А.Л. Рукосуев, А.Н. Никитин, И.В. Галактионов, Ю.В. Шелдакова, А.В. Кудряшов // Компьютерная оптика. – 2024. – Т. 48, № 4. – С. 511-518. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1352.

Citation:
Rukosuev AL, Nikitin AN, Galaktionov IV, Sheldakova JV, Kudryashov AV. Real-time adaptive optics for high-power laser beam correction in the strong turbulence. Computer Optics 2024; 48(4): 511-518. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1352.

References:
  1. Lu M, Bagheri M, James AP, Phung T. Wireless charging techniques for UAVs: a review, reconceptualization, and extension. IEEE Access 2018; 6: 29865-29884. DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2841376.
  2. Wang C, Ma Z. Design of wireless power transfer device for UAV. 2016 IEEE Int Conf on Mechatronics and Automation 2016: 2449-2454, DOI: 10.1109/ICMA.2016.7558950.
  3. Chittoor PK, Chokkalingam B, Mihet-Popa L. A review on UAV wireless charging: Fundamentals, applications, charging techniques and standards. IEEE Access 2021; 9: 69235-69266. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3077041.
  4. Landis GA, Westerlund H. Laser beamed power – Satellite demonstration applications. NASA Contractor Report 190793 1992: IAF-92-0600.
  5. Huang Q, Liu D, Chen Y, Wang Y, Tan J, Chen W, Liu J, Zhu N. Secure free-space optical communication system based on data fragmentation multipath transmission technology. Opt Express 2018; 26(10): 13536-13542. DOI: 10.1364/OE.26.013536.
  6. Nafria V, Han X, Djordjevic I. Improving free-space optical communication with adaptive optics for higher order modulation. Proc SPIE 2020; 11509: 115090K. DOI: 10.1117/12.2568713.
  7. Vorontsov M, Weyrauch T, Carhart G, Beresnev L. Adaptive optics for free space laser communications. In Book: Lasers, sources and related photonic devices, OSA technical digest series (CD). Optica Publishing Group; 2010: LSMA1. DOI: 10.1364/LSC.2010.LSMA1
  8. Weyrauch T, Vorontsov M. Free-space laser communications with adaptive optics: Atmospheric compensation experiments. J Optic Comm Rep 2004; 1: 355-379. DOI: 10.1007/s10297-005-0033-5.
  9. Lema GG. Free space optics communication system design using iterative optimization. J Opt Commun 2020; 44(s1): s1205-s1216. DOI: 10.1515/joc-2020-0007.
  10. Zhang Y, Wang Y, Deng Y, Du A, Liu J. Design of a free space optical communication system for an unmanned aerial vehicle command and control link. Photonics 2021; 8(5):163. DOI: 10.3390/photonics8050163.
  11. Majumdar A. Fundamentals of free-space optical (FSO) communication system. In Book: Majumdar A. Advanced free space optics (FSO). New York, NY: Springer; 2015: 1-20. DOI: 10.1007/978-1-4939-0918-6_1.
  12. Nikitin A, Galaktionov I, Sheldakova J, Kudryashov A, Samarkin V, Rukosuev A. Focusing laser beam through pinhole using bimorph deformable mirror. Proc SPIE 2019; 10904: 109041I. DOI: 10.1117/12.2510134.
  13. Wang R, et al. Demonstration of horizontal free-space laser communication with the effect of the bandwidth of adaptive optics system. Opt Commun 2019; 431: 167-173. DOI: 10.1016/j.optcom.2018.09.038.
  14. Rukosuev A, Belousov V, Galaktionov I, Kudryashov A, Nikitin A, Samarkin V, Sheldakova J. 1.5 kHz adaptive optical system for free-space communication tasks. Proc SPIE 2020; 11272: 112721G.DOI: 10.1117/12.2548337.
  15. Bennet Fr, Conan R, D'Orgeville C, Dawson M, Paulin N, Price I, Rigaut F, Ritchie I, Smith C, Uhlendorf K. Adaptive optics for laser space debris removal. Proc SPIE 2012; 8447: 844744. DOI: 10.1117/12.925773.
  16. Phipps C, et al. Removing orbital debris with lasers. Adv Space Res 2012; 49(9): 1283-1300. DOI: 10.1016/j.asr.2012.02.003.
  17. Shen S, Jin X, Hao C. Cleaning space debris with a space-based laser system. Chin J Aeronaut 2014; 27(4): 805-811. DOI: 10.1016/j.cja.2014.05.002.
  18. Barros R, Keary S. Experimental setup for investigation of laser beam propagation along horizontal urban path. Proc SPIE 2014; 9242: 92421L.DOI: 10.1117/12.2070694.
  19. Mata-Calvo R. Transmitter diversity verification on Artemis geostationary satellite. Proc SPIE 2014; 8971: 897104. DOI: 10.1117/12.2036554.
  20. Mosavi N, Marks B, Boone B, Menyuk C. Optical beam spreading in the presence of both atmospheric turbulence and quartic aberration. Proc SPIE 2014; 8971: 897103. DOI: 10.1117/12.2033561.
  21. Murty SSR. Laser beam propagation in atmospheric turbulence. Proc Indian Acad Sci 1979; 2: 179-195. DOI: 10.1007/BF02845031.
  22. Kwiecień J. The effects of atmospheric turbulence on laser beam propagation in a closed space–An analytic and experimental approach. Opt Commun 2019; 433: 200-208. DOI: 10.1016/j.optcom.2018.09.022.
  23. Searles S, Hart G, Dowling J, Hanley S. Laser beam propagation in turbulent conditions. Appl Opt 1991; 30: 401-406. DOI: 10.1364/AO.30.000401.
  24. Gareth D, Naven C. Experimental analysis of a laser beam propagating in angular turbulence. Open Physics 2022; 20(1): 402-415. DOI: 10.1515/phys-2022-0038.
  25. Summerer L, Purcell O. Concepts for wireless energy transmission via laser. J Br Interplanet Soc 2005; 58.
  26. Fahey T, Islam M, Gardi A, Sabatini R. Laser beam atmospheric propagation modelling for aerospace LIDAR applications. Atmosphere 2021; 12(7): 918. DOI: 10.3390/atmos12070918.
  27. Zohuri B. Atmospheric propagation of high-energy laser beams. In: Zohuri B. Directed energy weapons. Cham: Springer; 2016: 379-414. DOI: 10.1007/978-3-319-31289-7_8.
  28. Shuto Y. Effect of water and aerosols absorption on laser beam propagation in moist atmosphere at eye-safe wavelength of 1.57 µm. J Electr Electron Eng 2023; 11(1): 15-22. DOI: 10.11648/j.jeee.20231101.12.
  29. Rosen L, Ipser J. High energy laser beam scattering by atmospheric aerosol aureoles. Proc SPIE 1989; 1060. DOI: 10.1117/12.951743.
  30. Oosterwijk A, Heikamp S, Manders-Groot A, Lex A, Eijk J. Comparison of modelled atmospheric aerosol content and its influence on high-energy laser propagation. Proc SPIE 2019; 11133: 111330C. DOI: 10.1117/12.2529949.
  31. Directed energy weapons are real ... and disruptive. PRISM 2020; 8(3): 37-46.
  32. Buck AL. Effects of the atmosphere on laser beam propagation. Appl Opt 1967; 6: 703-708.
  33. Galaktionov I, Kudryashov A, Sheldakova J, Nikitin A, Samarkin V. Laser beam focusing through the atmosphere aerosol. Proc SPIE 2017; 10410: 104100M. DOI: 10.1117/12.2276180.
  34. Singh S, Mishra SK, Mishra AK, Ring Pearcey vortex beam dynamics through atmospheric turbulence. J Opt Soc Am B 2023; 40: 2287-2295. DOI: 10.1364/JOSAB.494677.
  35. Thobois L, Cariou J.P., Gultepe I. Review of lidar-based applications for aviation weather. Pure Appl. Geophys. 2019; 176(4/5), 1959–1976. DOI: 10.1007/s00024-018-2058-8.
  36. Lylova A, Kudryashov A, Sheldakova J, Borsoni G. The real-time atmospheric turbulence modeling and compensation with the use of adaptive optics. Proc SPIE 2015; 9641: 96410K. DOI: 10.1117/12.2194980.
  37. Tatarski VI. Wave propagation in a turbulent medium. Dover Publications; 2016. ISBN: 0486810291.
  38. Andrews LC, Phillips RL. Laser beam propagation through random media. 2nd ed. Bellingham: SPIE Press; 2005. DOI: 10.1117/3.626196.
  39. Rukosuev AL, Kudryashov AV, Lylova AN, Samarkin VV, Sheldakova YuV. Adaptive optical system for real-time wavefront correction. Atmospheric and Oceanic Optics 2015; 28(4): 381-386.
  40. Rukosuev A, Nikitin A, Belousov V, Sheldakova J, Toporovsky V, Kudryashov A. Expansion of the laser beam wavefront in terms of Zernike polynomials in the problem of turbulence testing. Appl Sci 2021; 11(24): 12112. DOI: 10.3390/app112412112.
  41. Wyant JC, Creath K. Basic wavefront aberration theory for optical metrology. Proc of Applied Optics and Optical Engineering 1992: 27-39.
  42. Niu K, Tian C. Zernike polynomials and their applications. J Opt 2022; 24(12): 123001.
  43. Kudryashov A, Rukosuev A, Nikitin A, Galaktionov I, Sheldakova J. Real-time 1.5 kHz adaptive optical system to correct for atmospheric turbulence. Opt Express 2020; 28(25): 37546-37552. DOI: 10.1364/OE.409201.
  44. Toporovskii V, Skvortsov A, Kudryashov A, Samarkin V, Sheldakova Yu, Pshonkin D. Flexible bimorphic mirror with high density of control electrodes for correcting wavefront aberrations. J Opt Technol 2019; 86: 32-38.
  45. Dai GM, Mahajan VN. Orthonormal polynomials in wavefront analysis: error analysis. Appl. Opt. 47, 3433-3445 2008(8). DOI: 10.1364/AO.47.003433.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20