1、什么是波前傳感器

波前傳感器

光學波前傳感器 HASO 波前傳感器 (Shack-Hartmann 型 ) ，通過一個微透鏡 數組，得到波前的局部斜率。從這個信息中，可以實時測量光強、位相、像差、 PST 、 MTF 和其它參數。

分析光束的光強和位相 HASO 可以用于分析激光、激光二極管（ LD ）和其它相干或非 相干源 它可以用來測量波前、像差、會聚角、發散角、光腰大小 / 位置、 M2 和 Strehl 比值。

HASO 應用

組件和系統特性

可以測量孔徑大小為5-12mm的平面組件，通過搭配也可以用發 散或會聚光束測量和分析更大或更小的組件。

光學裝配和調整

當組件傾斜和定位時，操作人員可以實時觀測到光學系統的波前。可以在調整過程中去除3階像差。

主動和自適應光學

實時的波前校正能的精度可達到l/10 to l/20 pv。 Plug-In型的 DLL可以與任何實際的和自適應系統進行交互。

單色的和非相干光源

進行單色波前分析 。

實時顯示和計算

實時對波前狀態測量、調整和回應。

高的空間分辨率

標準結構中，最高測量4096個點。

對波前進行絕對和相對測量

HASO已經進行工廠定標。測量是絕對的，或指定一個參考波前。

波前采集（Wavefront acquisition）

絕對 ( 工廠定標 ) 或參考 ( 用戶定標 ) 模式。一幅或連續采集。測量攝像機或背景信號，實時保存并減去。對傳感器的位置和傾斜的調整。

波前重構（Wavefront reconstruction）

2D 和 3D 的 x-y 輪廓的波前和傾斜顯示。實時顯示有 / 沒有傾斜和 / 或離焦、和 / 或 3 階像差，光強分布。用 Zernike 或 Lagrange 多項式進行數據重構。 計算有 / 沒有中心遮攔的光瞳形狀。用文本或表格形式保存數據。

波像差分析工具（Wavefront analysis tools）

D 和 3D 的 x-y 輪廓的波前和傾斜顯示。實時顯示波前和 / 或有 / 沒有傾斜和 / 或離焦、和 / 或 3 階像差，光強分布。用 Zernike 或 Lagrange 多項式進行數據重構。計算有 / 沒有中心遮攔的光瞳形狀。計算焦點的位置。實時顯示多項式系數。實時顯示不同觀察點的點列圖，測量歷史記錄。用文本或表格形式保存數據。

衍射測量（Diffraction measurements）（選項）

顯示 MTF 和 PSF ：計算和顯示最佳焦平面。指定一個用戶面、焦面或理想透鏡。變焦范圍： 1 － 8 倍 .

激光特性（ Laser characterization ）（選項 )

顯示光腰的位置、大小和方位。顯示光束形狀和 M2 ，計算任意平面上的光強分布。

耦合效率（Coupling efficiency (Preliminary)）

光束位置、大小和方位。顯示光束形狀。計算任意平面上的光強分布。與光纖孔徑的尺寸比較。

激光特性（Laser characterization ）（選項)

對定制的分析或儀器控制，在 C 或 LabVIEW VI 中使用自己的 DLL 。提供的軟件提供所有軟件功能，建立自已的應用。

2、自適應光學的相關

目前探測波前扭曲程度的傳感器主要有兩類：沙克-哈特曼（Shack-Hartmann）波前傳感器，它通過由每一個附屬的圖像探測器產生的參考星星像來探測實際波前的扭曲情況。另一個是曲率探測系統，它的改正是通過雙壓電晶片自適應透鏡來完成的，透鏡由兩個壓電平面組成。對于這兩種方法來說，波前探測的完成都基于引導星，或者說是基于觀測對象本身（當觀測對象足夠亮時其本身就可以被當作一顆引導星）。波前扭曲的測量可以在可見波段進行而在紅外波段應用，如果參考星很暗的話則直接在紅外波段（1 到2 /265m）進行。

自適應光學的控制系統是一臺專門的計算機，它通過分析由波前傳感器采集的數據來對鏡面的形狀做出修正。分析必須在極短的時間內完成（0.5到1毫秒內），不然大氣情況的改變將使系統的改正因延誤而產生錯誤。

等暈角對自適應光學系統的影響很大，當波長為2/265米時等暈角大約為20,但當波長為0.6/265米的時候,等暈角只有5左右，這個時候就很難在如此小的范圍內找到足夠亮的引導星。以上所述的情況在紅外波段要比可見波段改善許多：首先大氣湍流對長波的影響較小，從而波前的扭曲較小，找一顆比較暗的引導星往往也能滿足要求；再加上紅外波段的等暈角一般比較大，于是紅外波段的自適應光學改正比可見波段要理想許多。

然而，即使是在2.2微米的波長，適用于自適應光學的天空覆蓋率（相當于在目標天體周圍等暈角的范圍內找到一顆引導星的概率）只有百分之0.5到1。于是自適應光學適用的對象一般是那些在視場附近存在比如行星或亮星團的天體。

現在，許多大中型望遠鏡都采用自適應光學系統，舉例來說：第一個自適應光學系統---ADONIS，應用于歐洲南方天文臺（ESO）的3.6米望遠鏡；安裝于8米北半球雙子星（Gemini）望遠鏡的Hokupa'a自適應光學系統；應用于3.6米加拿大-法國-夏威夷望遠鏡 （CFHT）的PUEO自適應光學系統；第一次實現激光引導星（見下文）, 安裝于西班牙卡拉阿托（CalarAlto）天文臺3.5米望遠鏡的ALFA自適應光學系統；雖然曾經只利用自然引導星做自適應光學改正，但是很快開始使用激光引導星 ，應用于里克天文臺的（Lick）3.5米沙因（Shane）望遠鏡的LLNL自適應光學系統；還有第一次應用于超大型望遠鏡凱克2號（Keck II）的Keck II 的自適應光學設備（AO facility）。另外有不少望遠鏡正在建設自適應光學系統，包括應用于甚大望遠鏡（VLT）的NAOS和SINFONI自適應光學系統。 為了克服引導星的限制，最有效的方法是人為制造一顆引導星，這也被稱為激光導星（LGS）。大氣中間層的鈉原子或一些其他位于低層大氣的微粒都能夠反射脈動的激光從而造成狹小的光斑。前者反射的光集中在90千米的高度（納共振），后者大概集中在10到20千米（瑞利漫散）。這樣一個人造引導星可以離目標星無限地近，波前傳感器通過測量反射的激光來糾正來自目標星光束的波前的扭曲。

美國的一些簽有軍事合同的實驗室已經宣布人造激光引導星在國防部高級研究項目處Maui光學站的60厘米望遠鏡[Defense Advanced Research Projects Agency （DARPA）, Maui Optical Station （AMOS）]和美國空軍星火光學1.5米望遠鏡（U.S. Air Force Starfire Optical Range）上成功應用。他們都取得了大約0.15角秒的分辨率并證明了激光探測的可能。主動戰略防御組織（SDIO）和美國海軍宣布在圣地亞哥的一臺1米望遠鏡上像分辨率提高了近10倍。而對于一些用于天文（非軍事）的系統來說，美國第一次完成了人造引導星的天文觀測，另外還有應用于3.5米ARC望遠鏡的芝加哥自適應光學系統（ChAOS）。

目前激光引導星仍有很多物理上的限制。首先是焦點等暈現象，也被稱為圓錐效應，這個問題在發展的初級階段就相當明顯。因為人造引導星一般位于較低的高度，散射的光被望遠鏡收集形成錐形光束，但是這樣的光束和來自遙遠觀測對象的星光經過的湍流層的路徑并不相同，這將導致相位估計錯誤。解決的方法是在觀測對象周圍同時使用多顆人造引導星。通過鈉共振技術可以減小誤差，最終效果相當于一臺8米望遠鏡利用距離觀測目標10的引導星進行修正后得到的效果。對于2/265米波長9等的觀測對象，這樣的結果還算合理。

更嚴重的是圖像的移動或傾斜。人造星的中心在天空中看來是不動的，但是觀測對象的位置看起來是橫向移動的（也被稱為傾斜）。最簡單的解決方法是給自適應光學系統添加傾斜矯正器，但是這受限于有限的光子數據。更復雜的解決方法是使用兩套自適應光學系統，一套用于觀測對象，一套用于人造引導星。光子數據將隨著第二個自適應光學系統的應用而大大增加。

通過前面所說的第二項技術，對自然引導星亮度的要求降低了，于是在觀測對象周圍找到一顆自然引導星的概率跟著增大，也就是天空覆蓋率的增大（如果一臺8米望遠鏡在1到2微米波段觀測，天空覆蓋率大約是百分之八十）。很明顯，望遠鏡口徑越大，天空覆蓋率就越大，因為口徑的增大帶來的像分辨率的增大得到了充分利用。另一方面，它暗含著很大的技術難度，因為要求所有的部件都是相同的（可變形透鏡、波前傳感器和人造引導星等）。

應用多色激光器也是解決星像傾斜的一種方法,但這只適用于高度90千米的鈉共振散射。多色激光器激發位于不同狀態的鈉原子并利用大氣對不同波長的光折射率的微小差異來做出修正。其主要的不足是由電離層飽和而造成的有限的反射。多色光引導星不需要任何的自然引導星，天空覆蓋率達到了百分之一百，但目前的實驗情況并不十分理想。

3、光纖傳感技術與應用的前言

信息的提取——傳感技術是信息化時代的重要內容之一。光纖傳感則是21世紀傳感技術的一個重要領域，其發展直接影響到許多行業的進步。但是目前缺少一本較全面反映光纖傳感技術進展的教材。這本教材能夠使讀者既能了解光纖傳感器的基本理論，又能使學生通過此教材的學習，在今后的創新工作中，能為光纖傳感器的選用和設計打下一個良好的基礎。編者希望根據自己和所在的課題組近三十年的從事光學、光電子學以及光纖傳感器方面的教學和科學研究的經驗，能對此做一些微薄的貢獻。

本書較全面地介紹了光纖傳感技術與典型應用，其中包括光纖傳感器的基本原理，光纖傳感器的網絡技術，光纖傳感器中的光纖技術，相位型光纖傳感器的信號處理技術，光纖傳感器的封裝技術，多傳感器的融合技術，以及光纖傳感器在電力、石油與化工、生醫生化、航空航天、國防、環境保護與監測等領域的應用。

本書編寫的目的有二：一為教材，二為參考書。作為教材，書中內容可按教學大綱有所取舍。其中光纖傳感器的基本原理和光纖傳感器的關鍵技術（網絡技術、光纖技術、信號處理技術、封裝技術、多傳感器的融合技術）可作為基本內容，重點講述；而光纖傳感器的典型應用，則作為一般了解內容，可做簡要介紹，也可作為自學內容，目的是擴大眼界。建議課上，教師以講清楚物理概念為主，使學生了解各類光傳感器的基本原理，其余可作為自學的閱讀材料。也可采取學生自學有關材料后，以綜述報告的形式進行交流，為學生在今后工作中選用或設計所需的傳感器打下必要的基礎。作為參考書，本書可作為各領域相關讀者系統而全面地了解光傳感器的參考讀物。

本書的主要特點可歸納為：

（1） 本書較全面、簡要地介紹了各類光電信息傳感器，不僅包括傳統的光電傳感器，還包括光纖傳感器、全息干涉傳感器、散斑干涉傳感器、熒光傳感器、衍射傳感器，以及近代出現的光層析傳感器、波前傳感器、MEMS傳感器、納米傳感器等。

（2） 本書著重討論一些重要的光電傳感器的原理——其物理模型的建立過程和結果的分析，著重在物理概念及其數學表達方式，便于讀者在今后工作過程中能自己建立有關傳感過程的物理模型，對所得傳感結果能給予正確、合理的解釋。

（3） 本書選材不僅較全面地介紹了光纖傳感技術，還根據編者多年科研和教學工作的經驗，給讀者提供了：對于不同的使用環境，如何選用和設計光電傳感器，在使用和設計中應如何考慮實際使用中的一些問題，如何研究和開發新的光電傳感器，以滿足工作的需要。

參加本書編寫的有：匡武博士，負責編寫第4章；黎敏教授，負責編寫第7章、第9章和第10章；張敏副教授，負責編寫第6章、第8章、第11章和第12章；第2章和第3章由廖延彪和黎敏共同完成，其余由廖延彪編寫。全書由廖延彪定稿。

本書得以出版，要感謝課題組的同仁賴淑蓉老師以及家人給予的大力支持和幫助。

本書內容涉及面廣，由于編者知識有限，書中缺點和錯誤在所難免，懇請讀者批評指正。