1、什么是波前传感器

波前传感器

光学波前传感器 HASO 波前传感器 (Shack-Hartmann 型 ) ，通过一个微透镜 数组，得到波前的局部斜率。从这个信息中，可以实时测量光强、位相、像差、 PST 、 MTF 和其它参数。

分析光束的光强和位相 HASO 可以用于分析激光、激光二极管（ LD ）和其它相干或非 相干源 它可以用来测量波前、像差、会聚角、发散角、光腰大小 / 位置、 M2 和 Strehl 比值。

HASO 应用

组件和系统特性

可以测量孔径大小为5-12mm的平面组件，通过搭配也可以用发 散或会聚光束测量和分析更大或更小的组件。

光学装配和调整

当组件倾斜和定位时，操作人员可以实时观测到光学系统的波前。可以在调整过程中去除3阶像差。

主动和自适应光学

实时的波前校正能的精度可达到l/10 to l/20 pv。 Plug-In型的 DLL可以与任何实际的和自适应系统进行交互。

单色的和非相干光源

进行单色波前分析 。

实时显示和计算

实时对波前状态测量、调整和回应。

高的空间分辨率

标准结构中，最高测量4096个点。

对波前进行绝对和相对测量

HASO已经进行工厂定标。测量是绝对的，或指定一个参考波前。

波前采集（Wavefront acquisition）

绝对 ( 工厂定标 ) 或参考 ( 用户定标 ) 模式。一幅或连续采集。测量摄像机或背景信号，实时保存并减去。对传感器的位置和倾斜的调整。

波前重构（Wavefront reconstruction）

2D 和 3D 的 x-y 轮廓的波前和倾斜显示。实时显示有 / 没有倾斜和 / 或离焦、和 / 或 3 阶像差，光强分布。用 Zernike 或 Lagrange 多项式进行数据重构。 计算有 / 没有中心遮拦的光瞳形状。用文本或表格形式保存数据。

波像差分析工具（Wavefront analysis tools）

D 和 3D 的 x-y 轮廓的波前和倾斜显示。实时显示波前和 / 或有 / 没有倾斜和 / 或离焦、和 / 或 3 阶像差，光强分布。用 Zernike 或 Lagrange 多项式进行数据重构。计算有 / 没有中心遮拦的光瞳形状。计算焦点的位置。实时显示多项式系数。实时显示不同观察点的点列图，测量历史记录。用文本或表格形式保存数据。

衍射测量（Diffraction measurements）（选项）

显示 MTF 和 PSF ：计算和显示最佳焦平面。指定一个用户面、焦面或理想透镜。变焦范围： 1 － 8 倍 .

激光特性（ Laser characterization ）（选项 )

显示光腰的位置、大小和方位。显示光束形状和 M2 ，计算任意平面上的光强分布。

耦合效率（Coupling efficiency (Preliminary)）

光束位置、大小和方位。显示光束形状。计算任意平面上的光强分布。与光纤孔径的尺寸比较。

激光特性（Laser characterization ）（选项)

对定制的分析或仪器控制，在 C 或 LabVIEW VI 中使用自己的 DLL 。提供的软件提供所有软件功能，建立自已的应用。

2、自适应光学的相关

目前探测波前扭曲程度的传感器主要有两类：沙克-哈特曼（Shack-Hartmann）波前传感器，它通过由每一个附属的图像探测器产生的参考星星像来探测实际波前的扭曲情况。另一个是曲率探测系统，它的改正是通过双压电晶片自适应透镜来完成的，透镜由两个压电平面组成。对于这两种方法来说，波前探测的完成都基于引导星，或者说是基于观测对象本身（当观测对象足够亮时其本身就可以被当作一颗引导星）。波前扭曲的测量可以在可见波段进行而在红外波段应用，如果参考星很暗的话则直接在红外波段（1 到2 /265m）进行。

自适应光学的控制系统是一台专门的计算机，它通过分析由波前传感器采集的数据来对镜面的形状做出修正。分析必须在极短的时间内完成（0.5到1毫秒内），不然大气情况的改变将使系统的改正因延误而产生错误。

等晕角对自适应光学系统的影响很大，当波长为2/265米时等晕角大约为20,但当波长为0.6/265米的时候,等晕角只有5左右，这个时候就很难在如此小的范围内找到足够亮的引导星。以上所述的情况在红外波段要比可见波段改善许多：首先大气湍流对长波的影响较小，从而波前的扭曲较小，找一颗比较暗的引导星往往也能满足要求；再加上红外波段的等晕角一般比较大，于是红外波段的自适应光学改正比可见波段要理想许多。

然而，即使是在2.2微米的波长，适用于自适应光学的天空覆盖率（相当于在目标天体周围等晕角的范围内找到一颗引导星的概率）只有百分之0.5到1。于是自适应光学适用的对象一般是那些在视场附近存在比如行星或亮星团的天体。

现在，许多大中型望远镜都采用自适应光学系统，举例来说：第一个自适应光学系统---ADONIS，应用于欧洲南方天文台（ESO）的3.6米望远镜；安装于8米北半球双子星（Gemini）望远镜的Hokupa'a自适应光学系统；应用于3.6米加拿大-法国-夏威夷望远镜 （CFHT）的PUEO自适应光学系统；第一次实现激光引导星（见下文）, 安装于西班牙卡拉阿托（CalarAlto）天文台3.5米望远镜的ALFA自适应光学系统；虽然曾经只利用自然引导星做自适应光学改正，但是很快开始使用激光引导星 ，应用于里克天文台的（Lick）3.5米沙因（Shane）望远镜的LLNL自适应光学系统；还有第一次应用于超大型望远镜凯克2号（Keck II）的Keck II 的自适应光学设备（AO facility）。另外有不少望远镜正在建设自适应光学系统，包括应用于甚大望远镜（VLT）的NAOS和SINFONI自适应光学系统。 为了克服引导星的限制，最有效的方法是人为制造一颗引导星，这也被称为激光导星（LGS）。大气中间层的钠原子或一些其他位于低层大气的微粒都能够反射脉动的激光从而造成狭小的光斑。前者反射的光集中在90千米的高度（纳共振），后者大概集中在10到20千米（瑞利漫散）。这样一个人造引导星可以离目标星无限地近，波前传感器通过测量反射的激光来纠正来自目标星光束的波前的扭曲。

美国的一些签有军事合同的实验室已经宣布人造激光引导星在国防部高级研究项目处Maui光学站的60厘米望远镜[Defense Advanced Research Projects Agency （DARPA）, Maui Optical Station （AMOS）]和美国空军星火光学1.5米望远镜（U.S. Air Force Starfire Optical Range）上成功应用。他们都取得了大约0.15角秒的分辨率并证明了激光探测的可能。主动战略防御组织（SDIO）和美国海军宣布在圣地亚哥的一台1米望远镜上像分辨率提高了近10倍。而对于一些用于天文（非军事）的系统来说，美国第一次完成了人造引导星的天文观测，另外还有应用于3.5米ARC望远镜的芝加哥自适应光学系统（ChAOS）。

目前激光引导星仍有很多物理上的限制。首先是焦点等晕现象，也被称为圆锥效应，这个问题在发展的初级阶段就相当明显。因为人造引导星一般位于较低的高度，散射的光被望远镜收集形成锥形光束，但是这样的光束和来自遥远观测对象的星光经过的湍流层的路径并不相同，这将导致相位估计错误。解决的方法是在观测对象周围同时使用多颗人造引导星。通过钠共振技术可以减小误差，最终效果相当于一台8米望远镜利用距离观测目标10的引导星进行修正后得到的效果。对于2/265米波长9等的观测对象，这样的结果还算合理。

更严重的是图像的移动或倾斜。人造星的中心在天空中看来是不动的，但是观测对象的位置看起来是横向移动的（也被称为倾斜）。最简单的解决方法是给自适应光学系统添加倾斜矫正器，但是这受限于有限的光子数据。更复杂的解决方法是使用两套自适应光学系统，一套用于观测对象，一套用于人造引导星。光子数据将随着第二个自适应光学系统的应用而大大增加。

通过前面所说的第二项技术，对自然引导星亮度的要求降低了，于是在观测对象周围找到一颗自然引导星的概率跟着增大，也就是天空覆盖率的增大（如果一台8米望远镜在1到2微米波段观测，天空覆盖率大约是百分之八十）。很明显，望远镜口径越大，天空覆盖率就越大，因为口径的增大带来的像分辨率的增大得到了充分利用。另一方面，它暗含着很大的技术难度，因为要求所有的部件都是相同的（可变形透镜、波前传感器和人造引导星等）。

应用多色激光器也是解决星像倾斜的一种方法,但这只适用于高度90千米的钠共振散射。多色激光器激发位于不同状态的钠原子并利用大气对不同波长的光折射率的微小差异来做出修正。其主要的不足是由电离层饱和而造成的有限的反射。多色光引导星不需要任何的自然引导星，天空覆盖率达到了百分之一百，但目前的实验情况并不十分理想。

3、光纤传感技术与应用的前言

信息的提取——传感技术是信息化时代的重要内容之一。光纤传感则是21世纪传感技术的一个重要领域，其发展直接影响到许多行业的进步。但是目前缺少一本较全面反映光纤传感技术进展的教材。这本教材能够使读者既能了解光纤传感器的基本理论，又能使学生通过此教材的学习，在今后的创新工作中，能为光纤传感器的选用和设计打下一个良好的基础。编者希望根据自己和所在的课题组近三十年的从事光学、光电子学以及光纤传感器方面的教学和科学研究的经验，能对此做一些微薄的贡献。

本书较全面地介绍了光纤传感技术与典型应用，其中包括光纤传感器的基本原理，光纤传感器的网络技术，光纤传感器中的光纤技术，相位型光纤传感器的信号处理技术，光纤传感器的封装技术，多传感器的融合技术，以及光纤传感器在电力、石油与化工、生医生化、航空航天、国防、环境保护与监测等领域的应用。

本书编写的目的有二：一为教材，二为参考书。作为教材，书中内容可按教学大纲有所取舍。其中光纤传感器的基本原理和光纤传感器的关键技术（网络技术、光纤技术、信号处理技术、封装技术、多传感器的融合技术）可作为基本内容，重点讲述；而光纤传感器的典型应用，则作为一般了解内容，可做简要介绍，也可作为自学内容，目的是扩大眼界。建议课上，教师以讲清楚物理概念为主，使学生了解各类光传感器的基本原理，其余可作为自学的阅读材料。也可采取学生自学有关材料后，以综述报告的形式进行交流，为学生在今后工作中选用或设计所需的传感器打下必要的基础。作为参考书，本书可作为各领域相关读者系统而全面地了解光传感器的参考读物。

本书的主要特点可归纳为：

（1） 本书较全面、简要地介绍了各类光电信息传感器，不仅包括传统的光电传感器，还包括光纤传感器、全息干涉传感器、散斑干涉传感器、荧光传感器、衍射传感器，以及近代出现的光层析传感器、波前传感器、MEMS传感器、纳米传感器等。

（2） 本书着重讨论一些重要的光电传感器的原理——其物理模型的建立过程和结果的分析，着重在物理概念及其数学表达方式，便于读者在今后工作过程中能自己建立有关传感过程的物理模型，对所得传感结果能给予正确、合理的解释。

（3） 本书选材不仅较全面地介绍了光纤传感技术，还根据编者多年科研和教学工作的经验，给读者提供了：对于不同的使用环境，如何选用和设计光电传感器，在使用和设计中应如何考虑实际使用中的一些问题，如何研究和开发新的光电传感器，以满足工作的需要。

参加本书编写的有：匡武博士，负责编写第4章；黎敏教授，负责编写第7章、第9章和第10章；张敏副教授，负责编写第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，其余由廖延彪编写。全书由廖延彪定稿。

本书得以出版，要感谢课题组的同仁赖淑蓉老师以及家人给予的大力支持和帮助。

本书内容涉及面广，由于编者知识有限，书中缺点和错误在所难免，恳请读者批评指正。