Principles of Adaptive Optics Third Edition SERIES IN OPTICS AND OPTOELECTRONICS Series Editors: E. Roy Pike, Kings College, London, UK Robert G. W. Brown, University of California, Irvine Recent titles in the series Thin-Film Optical Filters, Fourth Edition H Angus Macleod Optical Tweezers: Methods and Applications Miles J Padgett, Justin Molloy, David McGloin (Eds.) Principles of Nanophotonics Motoichi Ohtsu, Kiyoshi Kobayashi, Tadashi Kawazoe Tadashi Yatsui, Makoto Naruse The Quantum Phase Operator: A Review Stephen M Barnett, John A Vaccaro (Eds.) An Introduction to Biomedical Optics R Splinter, B A Hooper High-Speed Photonic Devices Nadir Dagli Lasers in the Preservation of Cultural Heritage: Principles and Applications C Fotakis, D Anglos, V Zafiropulos, S Georgiou, V Tornari Modeling Fluctuations in Scattered Waves E Jakeman, K D Ridley Fast Light, Slow Light and Left-Handed Light P W Milonni Diode Lasers D Sands Diffractional Optics of Millimetre Waves I V Minin, O V Minin Handbook of Electroluminescent Materials D R Vij Handbook of Moire Measurement C A Walker Next Generation Photovoltaics A Martí, A Luque Stimulated Brillouin Scattering M J Damzen, V Vlad, A Mocofanescu, V Babin Robert Tyson University of North Carolina Charlotte, USA Boca Raton London New York CRC Press is an imprint of the Taylor & Francis Group, an informa business A TAYLOR & FRANCIS BOOK CRC Press Taylor & Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300 Boca Raton, FL 33487-2742 © 2011 by Taylor and Francis Group, LLC CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, an Informa business No claim to original U.S. Government works Printed in the United States of America on acid-free paper 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 International Standard Book Number-13: 978-1-4398-0859-7 (Ebook-PDF) This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources. Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and publisher cannot assume responsibility for the validity of all materials or the consequences of their use. The authors and publishers have attempted to trace the copyright holders of all material reproduced in this publication and apologize to copyright holders if permission to publish in this form has not been obtained. If any copyright material has not been acknowledged please write and let us know so we may rectify in any future reprint. Except as permitted under U.S. Copyright Law, no part of this book may be reprinted, reproduced, transmitted, or utilized in any form by any electronic, mechanical, or other means, now known or hereafter invented, including photocopying, microfilming, and recording, or in any information stor- age or retrieval system, without written permission from the publishers. For permission to photocopy or use material electronically from this work, please access www.copy- right.com (http://www.copyright.com/) or contact the Copyright Clearance Center, Inc. (CCC), 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, 978-750-8400. CCC is a not-for-profit organization that pro- vides licenses and registration for a variety of users. For organizations that have been granted a pho- tocopy license by the CCC, a separate system of payment has been arranged. Trademark Notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks, and are used only for identification and explanation without intent to infringe. Visit the Taylor & Francis Web site at http://www.taylorandfrancis.com and the CRC Press Web site at http://www.crcpress.com To Peggy, Andy, Chip, Kia, and Chase Contents Foreword �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������xi Preface �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������xiii Author �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� xv 1. History and Background ...............................................................................1 1�1 Introduction �������������������������������������������������������������������������������������������1 1�2 History ����������������������������������������������������������������������������������������������������3 1�3 Physical Optics ��������������������������������������������������������������������������������������4 1�3�1 Propagation with Aberrations �����������������������������������������������5 1�3�2 Imaging with Aberrations ������������������������������������������������������8 1�3�3 Representing the Wavefront �������������������������������������������������12 1�3�3�1 Power-Series Representation ��������������������������������13 1�3�3�2 Zernike Series ���������������������������������������������������������13 1�3�3�3 Zernike Annular Polynomials �����������������������������15 1�3�3�4 Lowest Aberration Modes �������������������������������������15 1�3�4 Interference �����������������������������������������������������������������������������16 1�4 Terms in Adaptive Optics ������������������������������������������������������������������18 2. Sources of Aberrations ................................................................................23 2�1 Atmospheric Turbulence ��������������������������������������������������������������������23 2�1�1 Descriptions of Atmospheric Turbulence ���������������������������24 2�1�2 Refractive-Index Structure Constant ����������������������������������27 2�1�3 Turbulence Effects������������������������������������������������������������������29 2�1�3�1 Fried’s Coherence Length ��������������������������������������29 2�1�3�2 Scintillation �������������������������������������������������������������31 2�1�3�3 Beam Wander or Tilt ����������������������������������������������33 2�1�3�4 Higher-Order Phase Variation �����������������������������35 2�1�4 Turbulence Modulation Transfer Function ������������������������39 2�1�5 Multiple Layers of Turbulence ���������������������������������������������40 2�2 Thermal Blooming ������������������������������������������������������������������������������40 2�2�1 Blooming Strength and Critical Power �������������������������������41 2�2�2 Turbulence, Jitter, and Thermal Blooming �������������������������45 2�3 Nonatmospheric Sources �������������������������������������������������������������������46 2�3�1 Optical Misalignments and Jitter ����������������������������������������46 2�3�2 Large Optics: Segmenting and Phasing �����������������������������47 2�3�3 Thermally Induced Distortions of Optics ��������������������������49 2�3�4 Manufacturing and Microerrors �����������������������������������������51 2�3�5 Other Sources of Aberrations �����������������������������������������������53 vii viii Contents 2�3�6 Aberrations due to Aircraft Boundary Layer Turbulence ������53 2�3�7 Aberrations in Laser Resonators and Lasing Media ��������54 3. Adaptive Optics Compensation ................................................................55 3�1 Phase Conjugation ������������������������������������������������������������������������������55 3�2 Limitations of Phase Conjugation ����������������������������������������������������60 3�2�1 Turbulence Tilt or Jitter Error �����������������������������������������������60 3�2�2 Turbulence Higher-Order Spatial Error �����������������������������61 3�2�2�1 Modal Analysis �������������������������������������������������������61 3�2�2�2 Zonal Analysis: Corrector Fitting Error ��������������62 3�2�3 Turbulence Temporal Error ��������������������������������������������������63 3�2�4 Sensor Noise Limitations ������������������������������������������������������65 3�2�5 Thermal Blooming Compensation ��������������������������������������66 3�2�6 Anisoplanatism ����������������������������������������������������������������������66 3�2�7 Postprocessing ������������������������������������������������������������������������69 3�3 Artificial Guide Stars ��������������������������������������������������������������������������70 3�3�1 Rayleigh Guide Star ���������������������������������������������������������������72 3�3�2 Sodium Guide Stars ���������������������������������������������������������������76 3�4 Lasers for Guide Stars ������������������������������������������������������������������������78 3�5 Combining the Limitations ���������������������������������������������������������������78 3�6 Linear Analysis �����������������������������������������������������������������������������������79 3�6�1 Random Wavefronts ��������������������������������������������������������������79 3�6�2 Deterministic Wavefronts �����������������������������������������������������81 3�7 Partial Phase Conjugation ������������������������������������������������������������������83 4. Adaptive Optics Systems ............................................................................85 4�1 Adaptive Optics Imaging Systems ���������������������������������������������������85 4�1�1 Astronomical Imaging Systems �������������������������������������������85 4�1�2 Retinal Imaging����������������������������������������������������������������������87 4�2 Beam Propagation Systems ����������������������������������������������������������������88 4�2�1 Local-Loop Beam Cleanup Systems ������������������������������������90 4�2�2 Alternative Concepts �������������������������������������������������������������91 4�2�3 Pros and Cons of Various Approaches �������������������������������94 4�2�4 Free-Space Laser Communications Systems ����������������������94 4�3 Unconventional Adaptive Optics �����������������������������������������������������95 4�3�1 Nonlinear Optics��������������������������������������������������������������������95 4�3�2 Elastic Photon Scattering: Degenerate Four- Wave Mixing �����������������������������������������������������������������96 4�3�3 Inelastic Photon Scattering ���������������������������������������������������98 4�3�3�1 Raman and Brillouin Scattering ��������������������������98 4�4 System Engineering ��������������������������������������������������������������������������103 4�4�1 System Performance Requirements ����������������������������������107 4�4�2 Compensated Beam Properties������������������������������������������107 4�4�3 Wavefront Reference Beam Properties �����������������������������108 4�4�4 Optical System Integration �������������������������������������������������108 Contents ix 5. Wavefront Sensing .....................................................................................111 5�1 Directly Measuring Phase ���������������������������������������������������������������112 5�1�1 Nonuniqueness of the Diffraction Pattern �����������������������112 5�1�2 Determining Phase Information from Intensity �������������113 5�1�3 Modal and Zonal Sensing���������������������������������������������������116 5�1�3�1 Dynamic Range of Tilt and Wavefront Measurement ��������������������������������������������������������118 5�2 Direct Wavefront Sensing—Modal�������������������������������������������������119 5�2�1 Importance of Wavefront Tilt ���������������������������������������������119 5�2�2 Measurement of Tilt ������������������������������������������������������������122 5�2�3 Focus Sensing �����������������������������������������������������������������������126 5�2�4 Modal Sensing of Higher-Order Aberrations ������������������128 5�3 Zonal Direct Wavefront Sensing �����������������������������������������������������129 5�3�1 Interferometric Wavefront Sensing �����������������������������������129 5�3�1�1 Methods of Interference ��������������������������������������130 5�3�1�2 Principle of a Shearing Interferometer ��������������138 5�3�1�3 Practical Operation of a Shearing Interferometer �������������������������������������������������������140 5�3�1�4 Lateral Shearing Interferometers �����������������������140 5�3�1�5 Rotation and Radial Shear Interferometers ������145 5�3�2 Shack–Hartmann Wavefront Sensors �������������������������������147 5�3�3 Curvature Sensing ���������������������������������������������������������������150 5�3�4 Pyramid Wavefront Sensor ������������������������������������������������151 5�3�5 Selecting a Method ��������������������������������������������������������������152 5�3�6 Correlation Tracker ��������������������������������������������������������������152 5�4 Indirect Wavefront Sensing Methods ��������������������������������������������153 5�4�1 Multidither Adaptive Optics ����������������������������������������������154 5�4�2 Image Sharpening ����������������������������������������������������������������159 5�5 Wavefront Sampling �������������������������������������������������������������������������161 5�5�1 Beam Splitters �����������������������������������������������������������������������161 5�5�2 Hole Gratings ������������������������������������������������������������������������163 5�5�3 Temporal Duplexing ������������������������������������������������������������163 5�5�4 Reflective Wedges ����������������������������������������������������������������165 5�5�5 Diffraction Gratings ������������������������������������������������������������166 5�5�6 Hybrids ����������������������������������������������������������������������������������167 5�5�7 Sensitivities of Sampler Concepts ��������������������������������������170 5�6 Detectors and Noise ��������������������������������������������������������������������������172 6. Wavefront Correction ................................................................................177 6�1 Modal-Tilt Correction �����������������������������������������������������������������������179 6�2 Modal Higher-Order Correction ����������������������������������������������������180 6�3 Segmented Mirrors ���������������������������������������������������������������������������181 6�4 Deformable Mirrors ��������������������������������������������������������������������������183 6�4�1 Actuation Techniques ����������������������������������������������������������184 6�4�2 Actuator Influence Functions ���������������������������������������������185
Description: