南京天光所科研人员在四棱锥波前传感器研究方面取得新进展
随着天文观测对大口径望远镜需求的日益增长,波前传感器作为自适应光学望远镜系统的重要组成,其空间采样率与弱光探测能力也面临着更为严苛的要求。
近年来,四棱锥波前传感器(Pyramid Wavefront Sensor,PWFS)得到较快发展,在各类波前传感器中,因其能量利用率、灵敏度及空间采样率较高,能够实现对高阶像差的精确重建,已在天文自适应光学、镜面检测及显微成像等多个领域展现出广泛应用潜力。然而,PWFS的高灵敏度也带来了动态范围受限的问题,传统的解决方案依赖于机械调制,这无疑增加了传感器系统的复杂性。
南京天光所的科研团队经过不懈努力,成功提出了一种新的无调制四棱锥波前传感方法——TA-PWFS(Truncated Axicon - Pyramid Wavefront Sensor)。该方法利用圆台形状的光学元件对入射光束进行分配,通过圆台侧边的光束实现动态范围的扩展,而平台部分的光束则保持高灵敏度波前探测,从而实现了灵敏度与动态范围解耦。
在闭环自适应光学系统中应用TA-PWFS,不仅保持了四棱锥波前传感器的高灵敏度,还显著提升了其动态范围,且无需繁琐的动态调制。科研团队设计了光路(如图1所示)与关键光学元件(圆台与四棱锥的相位分布如图2(a)(b)所示),采用TA-PWFS对随机选择的1000个PV值在1.4λ~5.1λ范围内的输入波前面进行了综合测试。测试结果显示,在不考虑实际光学系统固有误差的情况下,波前重建精度较高,残差PV值小于1.5×10^-11λ(如图3所示)。相关研究成果《Calibration approach of non-modulated pyramid wavefront sensors for improving the dynamic range》已发表在学术期刊Applied Optics上(https://doi.org/10.1364/AO.538334)。
图1 TA-PWFS的原理图。(a) TA-PWFS的结构示意图;(b) CCD上PWFS输出图像 的排列;(c)在CCD上的TA-PWFS输出图像的排列。
图2 圆台与四棱锥相位分布图。(a) 圆台的相位;(b) 四棱锥的相位
图3 对100幅包含整体倾斜的随机大气相位重建的残差的结果。
目前,科研团队对无调制四棱锥波前传感方法进行了深入的研究,实验测试与应用研究还将进一步开展,有望打破无调制四棱锥波前传感器动态范围小的局限性,实现高精度、大动态范围的波前探测。该方法在大口径望远镜波前探测领域具有广阔的应用前景。
该研究得到国家重点研发计划(2022YFA1603001),国家自然科学基金(12173063)等资助。
论文地址:https://opg.optica.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-63-29-7767