[论文解读] Adaptive optics with programmable Fourier-based wavefront sensors: a spatial light modulator approach to the LOOPS testbed

Pierre Janin-Potiron, Vincent Chambouleyron+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2019

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 14被引用 5

一句话总结

本文提出了一套升级版自适应光学测试平台LOOPS，通过在焦平面集成空间光调制器（SLM），实现了基于傅里叶变换的波前传感器（WFS）的动态可编程相位掩模生成，包括四面金字塔WFS。SLM实现了波前传感器的实时可重构测试，首次闭环实验结果表明实验与仿真中的波前误差高度一致，验证了该系统在后续开发先进WFS（如平顶金字塔和多面体变体）中的适用性。

ABSTRACT

Wavefront sensors encode phase information of an incoming wavefront into an intensity pattern that can be measured on a camera. Several kinds of wavefront sensors (WFS) are used in astronomical adaptive optics. Amongst them, Fourier-based wavefront sensors perform a filtering operation on the wavefront in the focal plane. The most well known example of a WFS of this kind is the Zernike wavefront sensor, and the pyramid wavefront sensor (PWFS) also belongs to this class. Based on this same principle, new WFSs can be proposed such as the n-faced pyramid (which ultimately becomes an axicone) or the flattened pyramid, depending on whether the image formation is incoherent or coherent. In order to test such novel concepts, the LOOPS adaptive optics testbed hosted at the Laboratoire d'Astrophysique de Marseille has been upgraded by adding a Spatial Light Modulator (SLM). This device, placed in a focal plane produces high-definition phase masks that mimic otherwise bulk optic devices. In this paper, we first present the optical design and upgrades made to the experimental setup of the LOOPS bench. Then, we focus on the generation of the phase masks with the SLM and the implications of having such a device in a focal plane. Finally, we present the first closed-loop results in either static or dynamic mode with different WFS applied on the SLM.

研究动机与目标

• 开发一个灵活、可重构的测试平台，用于评估自适应光学中新型基于傅里叶的波前传感器（WFS）。
• 通过使用空间光调制器（SLM）将WFS原型中的固定光学元件替换为可编程相位掩模，以克服其局限性。
• 通过闭环波前校正与数值仿真对比，验证基于SLM的WFS性能。
• 为未来研究新型WFS设计（如三面体或平顶金字塔）的灵敏度、线性度和鲁棒性提供支持。
• 构建一个能够通过SLM生成的相位光栅模拟多种大气湍流条件的平台。

提出的方法

• 将空间光调制器（SLM）集成至LOOPS自适应光学测试平台的焦平面，以生成高分辨率、可重构的相位掩模。
• 采用坡度-波前图计算方法，从SLM生成的WFS信号中实现波前重构。
• 实施相位折叠补偿与偏振控制技术，以最小化SLM引入的伪影与衍射效应。
• 采用9×9可变形镜（DM）与夏克-哈特曼WFS进行波前传感与校正，使用Orca Flash相机捕获WFS强度图案。
• 通过泽尼克模式分解对系统进行标定，以验证波前重构的准确性。
• 将实验结果与全物理仿真进行对比，以验证系统保真度及SLM行为的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效将空间光调制器（SLM）集成至焦平面，以模拟体光学的基于傅里叶的波前传感器？
• RQ2 基于SLM的波前传感器在闭环校正中的性能在多大程度上可与传统玻璃金字塔WFS相媲美？
• RQ3 SLM引入的效应（如偏振、衍射和相位折叠）对波前传感精度与信号质量有何影响？
• RQ4 SLM平台能否在开环与闭环配置下准确再现不同基于傅里叶的WFS设计（如四面体、三面体、平顶金字塔）的行为？
• RQ5 实验测得的波前误差与同一测试平台上的数值仿真结果在多大程度上一致？

主要发现

• SLM成功生成了相位掩模，使四面体金字塔波前传感器（PWFS）在焦平面上得以实现，替代了传统的玻璃金字塔。
• 采用SLM基PWFS的闭环波前校正实现了约10 nm RMS的残余波前误差，与仿真结果高度一致。
• 开环与闭环模式下实验波前误差随时间的变化与数值仿真结果高度一致，验证了系统的准确性。
• SLM系统通过将信号移出零级衍射级次，成功实现了重叠子孔径WFS配置，如平顶金字塔和泽尼克WFS。
• 基于泽尼克模式的标定过程证实了波前重构的准确性，前130阶泽尼克模式在实验与仿真中表现出一致行为。
• 通过精心配置SLM与信号处理，系统对相位折叠与衍射效应表现出鲁棒性，实现了可靠的波前传感。