| Аннотация |
В основе данного проекта лежат многолетние фундаментальные и прикладные исследования, выполненные в ИОА СО РАН, по проблемам распространения излучения в атмосфере, изучению эффектов взаимодействия лазерного излучения со средой распространения, поиску новых методов и технических средств измерения атмосферной турбулентности.
Проект связан с решением актуальной задачи развития такой высокотехнологической отрасли как оптико-электронное приборостроение, основанное на использовании адаптивной оптики (АО) для астрономических, лазерных и других приложений.
В настоящее время новейшие научные и технологические результаты, достигнутые в отрасли, полностью определяются прогрессом в освоении ряда приоритетных направлений развития науки и техники и критических технологий. Одним из таких направлений является адаптивная оптика (АО). Использование систем АО является признанным подходом для преодоления случайных искажений, принципиально ограничивающих возможности применения современных оптико-электронных систем (ОЭС).
Применение систем АО позволяет обеспечить дифракционно-ограниченные характеристики современным ОЭС при работе в турбулентной атмосфере. Разработки элементной базы для систем АО являются прямым ответом на вызов времени по расширению применения импортозамещения в оптической отрасли. Следует отметить стратегическую значимость развития систем АО для оборонной промышленности.
Целью исследования является комплексное исследование методов, элементов и систем адаптивной оптики (АО), компенсирующих негативное влияние случайно-неоднородной атмосферы на формирование оптических изображений и лазерных пучков в условиях турбулентных флуктуаций показателя преломления высокой интенсивности, в том числе, приводящих к существенным флуктуациям интенсивности и появлению дислокаций в волновом фронте.
В настоящее время признано, что радикальным средством коррекции искажений, возникающих в оптических волнах при прохождении через случайно-неоднородную среду, такую как атмосфера, являются системы АО, Вместе с тем оказалось, что они могут уверенно компенсировать искажения в оптической волне только для условий «слабых» флуктуаций интенсивности. В тоже время, обеспечение работы оптических систем и применение адаптивных методов на протяженных атмосферных трассах при формировании лазерных пучков и оптических изображений, так и коррекция искажений для оптических систем с большой апертурой, требует обеспечение работы систем АО в условиях проявления амплитудно-фазовой модуляции. В этом проекте формулируются задачи теоретического и экспериментального исследования возможностей использования как методов фазовой, так и амплитудно-фазовой коррекции искажений лазерного излучения, распространяющегося на атмосферных трассах. Будет осуществлена разработка принципов построения адаптивных систем, обладающих более высокой эффективностью, в сравнении с системами, используемыми для коррекции искажений в настоящее время.
Для обеспечения этих исследований предполагается, в первую очередь, проведение корректного численного моделирования и аналитических теоретических расчетов статистических характеристик флуктуаций оптических волн при их распространении в случайно-неоднородных средах. Современные методы численного моделирования, использующие технику параллельных расчетов, многопроцессорные вычислительные комплексы и современные пакеты программ, позволят моделировать распространение в атмосфере оптических пучков различной структуры, включая вихревые, сложно-профильные и составные. Математическое моделирование позволит разрабатывать новые алгоритмы оптимизирующие управление параметрами оптического излучения с целью максимального подавления флуктуаций. Вопросы динамического управления системами АО потребуют создания прогнозирующих алгоритмов, использующих знания по физике турбулентности и теории управления многокомпонентными системами.
Результаты численного моделирования и аналитических расчетов дадут основу для построения экспериментальных макетов систем АО, отработке алгоритмов их работы, а также для проведения лабораторных испытаний и экспериментов в реальной атмосфере. Применение многокаскадных и гибридных систем АО, сочетающих фазовые адаптивные системы коррекции с системами пост-детекторной коррекции, а также применение техники обращения волнового фронта (ОВФ), позволит создать высокоэффективные устройства. Предполагается анализировать построение систем АО для наведения оптических систем в атмосфере, создание и прием сигнала опорного источника, а также, построение измерителей - датчиков волнового фронта. Полученные при этом результаты могут быть применены как при формировании лазерных пучков, так и оптических изображений на протяженных атмосферных трассах. В частности, будет анализироваться применение классической фазовой системы АО для обеспечения высокоэффективной передачи энергии по оптическому каналу в случайно-неоднородной среде.
В проекте определенное внимание будет уделено применению техники лазерных опорных звезд (ЛОЗ) для коррекции изображений в звездных астрономических телескопах. Будут выполнены экспериментальные исследования, связанные с детектированием оптического сигнала от натриевого мезосферного слоя в атмосфере. Будет осуществлено развитие теории применения сигнала ЛОЗ для коррекции наклонов волнового фронта в крупноапертурных звездных астрономических телескопах, в том числе, и для задач проведения мониторинга космической опасности: кометы, астероиды. Данные по мониторингу содержания атомов в мезосфере будут обобщаться с целью расчетов эффективности применения ЛОЗ в крупнейших обсерваториях России.
Особое место в исследованиях будут уделено построению, анализу и применению систем АО для коррекции изображений в солнечных астрономических телескопах. В частности, одним из результатов выполнения проекта станет создание современной системы АО для солнечного телескопа, особенность которой станет возможность ее работы в условиях проявления интенсивной турбулентности и работа в широком угловом поле зрения. Полученный в команде проекта опыт, наравне с результатами численных расчетов и использование научно-технического задела по созданию элементной базы, позволят создать действующие многокаскадные системы АО для работы в составе крупно-апертурных солнечных телескопов.
В задачах изучения особенностей структуры турбулентности планируется создание новых методик и макетов аппаратуры для детектирования проявления неколмогоровской турбулентности в атмосфере. Предполагается проведение натурных измерений метеорологических параметров атмосферы для получения данных по мониторингу атмосферы для построения местных моделей высотной турбулентности отдельных регионов РФ, перспективных для проведения оптических, включая астрономические, наблюдений. Анализ структуры и методы численного решения системы уравнений Навье-Стокса позволят создать уникальную возможности по визуализация турбулентного движении воздуха в замкнутых специальных помещениях, что является критичным в ряде технологий, например, в комнатах высокоточного оптического контроля, в системах формирования мощных лазерных комплексов, подкупольных пространствах крупных астрономических телескопов и системах видения.
|
