Адаптивная оптика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
Л.А. Больбасова, В.П. Лукин 
 
АДАПТИВНАЯ ОПТИКА 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Томск 
Издательство Томского государственного университета 
2021 
 
 

УДК 535.8 
ББК 22.34 
          Б79 
 
Больбасова Л.А., Лукин В.П. 
Б79 
Адаптивная оптика : учеб. пособие. – Томск : Издательство  
 
Томского государственного университета, 2021. – 70 с. 
 
В учебном пособии представлены основы теории атмосферной 

адаптивной оптики. Кратко рассмотрены физические процессы распространения оптического излучения в земной атмосфере, обусловленные 
турбулентностью среды. Описаны принципы функционирования и основные типы атмосферных адаптивных оптических систем, решаемые 
ими задачи, а также основные конструктивные элементы адаптивной 
оптики: датчики и корректоры волнового фронта. Обзор современных 
концепций систем адаптивной оптики для астрономических телескопов 
дополняет курс и позволяет составить представление о перспективных 
системах. Каждый параграф сопровождается вопросами для самопроверки, которые призваны помочь студенту систематизировать знания, 
отследить степень освоения материала.  
Для студентов университетов.  
 
УДК 535.8 
ББК 22.34  
Рецензенты: 
В.Ю. Венедиктов, доктор физико-математических наук 
С.М. Шандаров, доктор физико-математических наук, профессор 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Больбасова Л.А., Лукин В.П., 2021  
© Томский государственный университет, 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ……………………………………………….…...........................
 
1. Распространение оптического излучения в турбулентной  
атмосфере ……………………..................................................……….……….
1.1. Атмосферная турбулентность и ее оптические характеристики ……
1.2. Аберрации волнового фронта оптического излучения .......................
1.3. Параболическое уравнение ………………………………...................
Вопросы ………………………………….................…………………..
 
2. Принципы и структура адаптивных оптических систем  
для атмосферных приложений …………….............................................…...
2.1. Принципы атмосферной адаптивной оптики …….......................……
2.2. Датчики волнового фронта Шека-Гартманна ……........................……
2.3. Корректоры волнового фронта – деформируемые зеркала …………
2.4. Основные типы и схемы систем атмосферной  
адаптивной оптики ………………………............................………………
Вопросы …………………………………………………........................

 
3. Адаптивная оптика для астрономических телескопов …………………

3.1. Лазерные опорные звезды………………………………….65 
3.3. Мультисопряженные адаптивные оптические системы ………………

Вопросы………………….…………………………………75 
 
Литература ………….......................................................................…………...
 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
В средине прошлого столетия советский ученый оптик Владимир Павлович Линник опубликовал работу, направленную 
решение задачи устранения искажений, обусловленных атмосферной турбулентностью, предложив конструкцию телескопа в 
котором, используется составное зеркало, с перемещаемыми 
элементами позволяя тем самым подстраивать сиюминутную 
форму волнового фронтах. Независимо в это же время американский астроном Хорес Бэбкок предложил использовать 
управляемые оптические элементы с обратной связью для компенсации турбулентных искажений. В результате основная 
предложенная концепция, поддержанная современными технологиями, эволюционировала со временем в самостоятельный 
раздел физической оптики – адаптивную оптику. Ее основной 
целью является разработка методов компенсации негативных 
эффектов, сопровождающих процесс распространения оптического излучения в случайно-неоднородной среде, посредством 
активного управления фазовым или амплитудно-фазовым профилем оптических полей в приемном или (и) передающем трактах оптико-электронной системы. В настоящее время адаптивная оптика представляет собой обширную междисциплинарную 
область, вобравшую в себя концепции и подходы радиофизических методов исследований и классических методов оптики. 
Адаптивная оптика начала интенсивно развиваться в связи с задачей компенсации искажений волнового фронта, вызванных 
атмосферной турбулентностью и накладывающих основное 
ограничение на разрешающую способность наземных телескопов оптического диапазона. Позднее добавились проблемы передачи лазерного излучения, наземные систем формирования 
изображений, медицинские приборы. Современные задачи адап

тивной оптики достаточно разнообразны, но их объединяет общая идея – устранение нерегулярных искажений, возникающих 
при распространении излучения в случайно-неоднородной среде 
с помощью управляемых оптических элементов. При этом характерной особенностью систем адаптивной оптики является 
выполнение процессов измерения, коррекции и управления в 
реальном масштабе времени. Необходимо отметить, что актуальность и значение применения адаптивной оптики со временем лишь возрастает вместе размерами новых наземных телескопов, с энергетическими возможностями новых лазерных систем и увеличением масштабов их практических приложений, 
среди которых, например, оптическая связь, системы специального назначения, где введение адаптации преследует цель 
наилучшим образом сфокусировать лазерное излучение, или 
целью является получение дифракционных оптических изображений объектов. 
 
 

1. Распространение  
оптического излучения  
в турбулентной атмосфере 
 
Характеристики систем адаптивной оптики в определяющей 
степени зависят от атмосферных условий, а именно интенсивности и распределения неоднородностей показателя преломления 
в атмосфере. Поэтому рассмотрим, как турбулентность генерируется в атмосфере, ее влияние на оптическое излучение, и как 
эти эффекты могут быть определены количественно. 

 
 

1.1. Атмосферная турбулентность  

и ее оптические характеристики 

 

Атмосфера Земли находится в непрерывном движении, и от
личительная особенность атмосферных движений заключается в 
том, что движение воздуха носит неупорядоченный характер. 
Этот режим, при котором отдельные частицы жидкости или газа 
движутся по неправильным, хаотическим траекториям с поперечными и даже попятными по отношению к общему движению 
перемещениями отдельных малых объемов, получил название 
турбулентного. Турбулентное течение – это случайный процесс 
с широким спектром временных и пространственных масштабов 
пульсаций всех характеристик потока. Свойства потоков определяются в первую очередь числом Рейнольдса: 

Re
/ ,


VL
                                     (1) 

в эту безразмерную величину входят V – скорость, L – харак
терный масштаб длины и ν – кинематическая вязкость среды. 

Число Рейнольдса определяет соотношение инерционных сил и 
сил трения (вязкости). Типичные значения этого числа в атмосфере таковы: Re > 106. Для воздуха, ν ≈ 1,5·10–5 м2 с–1, в результате атмосферные потоки со скоростью ветра в несколько мс–1 и 
длиной несколько метров до километров почти всегда турбулентные.  

Турбулентное движение воздуха характеризуется флуктуа
ционным полем скоростей, наличием неоднородностей давления, плотности, температуры и других физических величин, 
описывающих его состояние. Основными причинами турбулентности воздушных течений являются возникающие в атмосфере контрасты в поле ветра и температуры. Различные процессы порождают эти контрасты.  

К ним относятся: трение воздушного потока о поверхность 

земли, в результате чего наблюдаются большие вертикальные 
градиенты ветра в нижнем слое атмосферы; деформация воздушных течений орографическими препятствиями (горами); неравномерное нагревание различных участков подстилающей 
поверхности земли, что вызывает термическую конвекцию; конденсация, кристаллизация и абсорбция влаги, вызывающие изменение характера полей температуры и скорости ветра; взаимодействие воздушных масс, различных по своим свойствам, на 
границе которых очень резко выражены горизонтальные контрасты температуры и скорости ветра; а также наличие инверсионных слоев, в которых могут возникать гравитационные 
волны, теряющие при определенных условиях устойчивость и 
др. Все перечисленные выше процессы могут действовать одновременно в одном или в разных направлениях и тем самым увеличивать или уменьшать степень турбулентности атмосферы.  

При классификации турбулентности атмосферы, исходя из 

роли физических факторов, выделяют механическую (орографическую) турбулентность, термическую (конвективную) турбулентность и динамическую турбулентность.