Дэвид Л. Фрид: Пионер оптики и адаптивной оптики

Введение

Американский оптический физик (1933–2022)

Дэвид Л. Фрид (13 апреля 1933 – 5 мая 2022) – американский ученый, наиболее известный своими достижениями в области оптики. Фрид описал то, что получило название параметра Фрида, или r0 (часто произносится как "r naught", но также как "r zero"). Параметр Фрида – это мера интенсивности турбулентности в атмосфере Земли. Турбулентность вызывает явление, известное как "качество изображения" в астрономии, и обычно ограничивает оптическое разрешение наземных телескопов и детализацию изображений астрономических объектов. Параметр Фрида определяет наименьший диаметр апертуры телескопа, при котором точность изображения начинает существенно ухудшаться из-за турбулентных потоков воздуха в атмосфере Земли. Параметр Фрида может быстро изменяться в течение нескольких минут или даже меньше. Типичные значения параметра Фрида в видимом спектре могут колебаться от менее одного сантиметра (турбулентность можно заметить невооруженным глазом) до нескольких десятков сантиметров в благоприятных астрономических условиях.

Жизнь и карьера

Дэвид Ларри Фрид родился в Бруклине, Нью-Йорк, 13 апреля 1933 года. Он получил степени бакалавра (AB), магистра (MS) и доктора философии (PhD) в области физики в Университете Рутгерса, Нью-Брансуик, Нью-Джерси, в 1957, 1959 и 1962 годах соответственно. С 1957 по 1959 год он работал в подразделении RCA Astro Electronics в Принстоне, штат Нью-Джерси, где занимался анализом применения вычислительной техники. В 1961 году он был принят на работу в Rockwell International, где занимал должность руководителя в электрооптической лаборатории отдела «Автонетика» (Анахайм, Калифорния). В качестве руководителя группы лазерных технологий он изучал устройства, необходимые для лазерных приложений, и анализировал концепции систем для их применения. Он также провел обширные исследования в области оптического распространения в случайно неоднородной атмосфере и связанных с этим последствий для характеристик оптических систем. В 1966 году он присоединился к техническому персоналу Научного центра North American Aviation в Таузэнд-Оукс, штат Калифорния, где занимался исследованием микроволновой отражательной способности и излучательной способности шероховатых поверхностей. Фрид в течение 20 лет служил в Научном совете армии США (ASB). На протяжении многих лет он был членом постоянного комитета Армейского научного совета по противоракетной обороне. В 1960-х годах Фрид опубликовал серию статей об оптических эффектах атмосферной турбулентности, которые заложили аналитическую основу для разработки адаптивных оптических систем и привели к определению величины, известной как параметр Фрида. Кроме того, его статья 1966 года «Предельное разрешение при наблюдении сквозь атмосферу» показала фундаментальное ограничение – около пяти сантиметров – в том, насколько четко космические телескопы могут получать изображения объектов на Земле. В 1981 году Фрид провел первый анализ, оценивающий и подтверждающий возможность использования атмосферного лазерного обратного рассеяния для управления адаптивной оптикой – концепции, получившей название «лазерная звезда-гид». Затем он спроектировал, руководил разработкой оборудования и контролировал эксперимент, который успешно продемонстрировал работоспособность концепции лазерной звезды-гида. С 1970 года (когда он основал компанию) до 1993 года (когда он продал компанию) Фрид был президентом Optical Sciences Company (Пласентия, Калифорния). В 1993 году он получил награду SPIE Technology Achievement Award за свою первоначальную работу над лазерной звездой-гидом. С 1993 по 1995 год он был профессором физики в Военно-морской аспирантуре в Монтерее, Калифорния. Позже он работал независимым консультантом. Помимо работы, связанной с оптическим распространением, турбулентными эффектами и адаптивной оптикой, Фрид занимался исследованиями в различных других областях, связанных с электрооптикой, таких как подавление инфракрасных помех на фоне в системах обнаружения движущихся целей; анализ статистики лазерного зернистого рисунка; анализ влияния шума, вызванного фотодетектированием, на точность различных типов оптических измерений; проектирование и разработка инфракрасных датчиков длинноволнового диапазона с низкими температурами для использования в системах средней фазы противоракетной обороны; а также проектирование и анализ характеристик космических инфракрасных датчиков для обнаружения ракет и самолетов. Он также принимал участие в поиске эффективного подхода к проблеме различения ложных целей на средней фазе полета для противоракетной обороны. Фрид умер в возрасте 89 лет в Монтерее, Калифорния.

David Larry Fried was born in Brooklyn, New York, on April 13, 1933. He received the AB, MS, and PhD degrees in physics from Rutgers University, New Brunswick, New Jersey, in 1957, 1959, and 1962, respectively. From 1957 to 1959 he was with RCA Astro Electronics Division, Princeton, N. J., where he worked on computer applications analysis. In 1961 he was employed by Rockwell International, where he held the position of Manager in the Electro Optical Laboratory of the Autonetics Division (Anaheim, Calif.), where, as head of the Laser Techniques Group, he was engaged in the study of devices necessary for laser applications, and in the analysis of system concepts for laser application. He also did extensive work in the study of optical propagation in a randomly inhomogeneous atmosphere and the consequent effects on optical system performance. In 1966 he joined the technical staff of the North American Aviation Science Center, Thousand Oaks, Calif., where he was engaged in a study of the microwave reflectivity and emissivity of rough surfaces. Fried served for 20 years on the U. S. Army Science Board (ASB). For many years, he served on the Army Science Board's standing committee on ballistic missile defense. In the 1960s, Fried published a series of papers on the optical effects of atmospheric turbulence that provided much of the analytic foundations for the development of adaptive optics systems, and that resulted in the definition of the quantity now known as Fried’s parameter. In addition, his 1966 paper, "Limiting Resolution Looking Down Through the Atmosphere," was important in showing a basic limit, about five centimeters, to how sharply space based telescopes can image objects on the ground. In 1981, Fried carried out the first analysis evaluating and establishing the feasibility of the use of atmospheric laser back scatter to control adaptive optics—a concept which now goes by the name of laser guide star. He then designed, managed the development of the hardware for, and supervised an experiment that successfully demonstrated the validity of the laser guide star concept. From 1970 (when he founded the company) until 1993 (when he sold the company), Fried was the president of the Optical Sciences Company (Placentia, California). In 1993, he received the SPIE Technology Achievement Award for his initial laser guide star work. From 1993 to 1995 he was a professor of physics at the Naval Postgraduate School, Monterey, California. Later, he worked as an independent consultant. In addition to his work related to optical propagation/turbulence effects/adaptive optics, Fried has done work in a variety of other electro optics related fields such as the suppression of infrared background clutter in moving target detection systems; analysis of laser speckle statistics; analysis of the effect of photo detection event driven shot noise upon the precision of various types of optical measurements; the design and development of low temperature optics long wavelength infrared sensors for use in mid course ballistic missile defense; and in the design and performance analysis for space based infrared sensors for missile and aircraft detection. He has also been involved in the search for a sound approach to the mid course decoy discrimination problem for ballistic missile defense. Fried died at the age of 89 in Monterey, California.

Почести

1993 – Дэвид Л. Фрид, Optical Sciences Company, премия SPIE за технологические достижения.

Исследовательские работы

Д. Фрид и Т. Кларк, "Экструдирование лент фазового экрана типа Колмогорова", J. Opt. Soc. Am. A 25, 463–468 (2008). J. Barchers и D. Fried, "Оптимальное управление лазерными лучами для распространения через турбулентную среду", J. Opt. Soc. Am. A 19, 1779–1793 (2002). J. Barchers, D. Fried и D. Link, "Оценка производительности датчиков Хартмана при сильной сцинтилляции", Appl. Opt. 41, 1012–1021 (2002). Д. Фрид, "Проблема точки ветвления в адаптивной оптике", J. Opt. Soc. Am. A 15, 2759–2768 (1998). H. Yura и D. Fried, "Изменение соотношения Штреля адаптивной оптической системы", J. Opt. Soc. Am. A 15, 2107–2110 (1998). Д. Фрид и Р. Сето, "Стабилизация PCI, вызванная сдвигом ветра", J. Opt. Soc. Am. A 15, 1212–1226 (1998). Д. Фрид, "Анализ алгоритма CLEAN и последствия для суперразрешения", J. Opt. Soc. Am. A 12, 853–860 (1995). Д. Фрид, "Неправильность горизонта, вызванная турбулентностью", J. Opt. Soc. Am. A 12, 950–957 (1995). Д. Фрид, "Фокус анизопланетизма в пределах бесконечно большого числа искусственных ориентировочных звездных точек отсчета", J. Opt. Soc. Am. A 12, 939–949 (1995). Д. Фрид и J. Belsher, "Анализ фундаментальных ограничений производительности системы адаптивной оптики искусственной звезды-гида для астрономической визуализации", J. Opt. Soc. Am. A 11, 277–287 (1994). R. Benedict, J. Breckinridge и D. Fried, "Технология компенсации атмосферы", J. Opt. Soc. Am. A 11, 257–262 (1994). Д. Фрид и J. Vaughn, "Разветвления в фазовой функции", Appl. Opt. 31, 2865–2882 (1992). Д. Фрид, "Задержка времени вызывает среднеквадратичную ошибку в адаптивной оптике", J. Opt. Soc. Am. A 7, 1224–1225 (1990). Д. Фрид, "Измерения частоты Гринвуда", J. Opt. Soc. Am. A 7, 946–947 (1990). Д. Фрид и J. Vaughn, "Зависимость функции переноса Нокса-Томпсона от разности пространственных частот", J. Opt. Soc. Am. A 7, 833–837 (1990). G. Tyler и D. Fried, "Ошибка позиционирования изображения, связанная с квадрантным детектором", J. Opt. Soc. Am. 72, 804–808 (1982). Д. Фрид и G. Mevers, "Временная константа теплового цветения", J. Opt. Soc. Am. 72, 519–521 (1982). Д. Фрид, "Анизопланетизм в адаптивной оптике", J. Opt. Soc. Am. 72, 52–52 (1982). Д. Фрид, "Безопасность глаз с лазером: последствия статистики обычных пятен и статистики пятнистых пятен", J. Opt. Soc. Am. 71, 914–916 (1981). Д. Фрид, "Разрешение, отношение сигнал/шум и точность измерения: дополнение", J. Opt. Soc. Am. 70, 748–749 (1980). Д. Фрид, "Разрешение, отношение сигнал/шум и точность измерения", J. Opt. Soc. Am. 69, 399–406 (1979). Д. Фрид, "Вероятность получения удачного изображения с короткой экспозицией в условиях турбулентности", J. Opt. Soc. Am. 68, 1651–1657 (1978). Д. Фрид, "Распространение функции взаимной когерентности для бесконечной плоской волны через мутную среду", Opt. Lett. 1, 104–106 (1977). Д. Фрид, "Метод наименьших квадратов для оценки искажения волнового фронта по массиву измерений фазовой разности", J. Opt. Soc. Am. 67, 370–375 (1977). Д. Фрид, "Оценка r₀ для распространения вниз через атмосферу: поправка 2", Appl. Opt. 16, 549–549 (1977). Д. Фрид, "Статистика лазерного радиолокационного сечения случайной шероховатой цели", J. Opt. Soc. Am. 66, 1150–1160 (1976). D. Greenwood и D. Fried, "Требования к спектру мощности для компенсационных систем волнового фронта", J. Opt. Soc. Am. 66, 193–206 (1976). Д. Фрид, "Оценка r₀ для распространения вниз через атмосферу: поправка", Appl. Opt. 14, 2567–2567 (1975). Д. Фрид и G. Mevers, "Оценка r₀ для распространения вниз через атмосферу", Appl. Opt. 13, 2620–2622 (1974). Д. Фрид, "Обработка сигнала для сигнала с шумом Пуассона: ответ автора на комментарии", Appl. Opt. 13, 2463–2464 (1974). Д. Фрид, "Нелинейное резонансное сканирование", Appl. Opt. 13, 1796–1801 (1974). Д. Фрид, "Обработка сигнала для сигнала с шумом Пуассона", Appl. Opt. 13, 1282–1283 (1974). Д. Фрид, "Отсутствие теплового цветения для равномерно освещенного квадратного апертурного лазерного передатчика высокой мощности", Appl. Opt. 13, 989–991 (1974). H. Hance и D. Fried, "Экспериментальное исследование взаимности усиления оптической антенны", J. Opt. Soc. Am. 63, 1015–1016 (1973). Д. Фрид, "Статистика затухания лазерного луча, вызванного джиттером наведения", Appl. Opt. 12, 422–423 (1973). Д. Фрид, "Статистика счета фотонов для демодуляции бинарного сигнала", Appl. Opt. 11, 1268–1269 (1972). Д. ФРИД и H. YURA, "Взаимность эффективности телескопа для распространения в турбулентной среде", J. Opt. Soc. Am. 62, 600–602 (1972). Д. Фрид, "Спектральная и угловая ковариантность сцинтилляции для распространения в случайной неоднородной среде", Appl. Opt. 10, 721–731 (1971). Д. Фрид и R. Turner, "Фокусирование через плоскую пластину; зависимость аберрации от показателя преломления", Appl. Opt. 9, 2800–2800 (1970). J. Shaffer и D. Fried, "Анализ биморфного сканера Бендера", Appl. Opt. 9, 933–937 (1970). E. TYSON и D. FRIED, "Наблюдение очень слабой оптической силы атмосферной турбулентности", J. Opt. Soc. Am. 58, 1538–1539 (1968). Д. ФРИД, "Диффузионный анализ для распространения взаимной когерентности", J. Opt. Soc. Am. 58, 961–969 (1968). Д. Фрид и R. Schmeltzer, "Влияние атмосферной сцинтилляции на оптический канал данных: лазерный радар и двоичная связь", Appl. Opt. 6, 1729–1737 (1967). Д. ФРИД, "Сцинтилляция наземного лазерного осветителя в космос", J. Opt. Soc. Am. 57, 980–983 (1967). Д. ФРИД, G. MEVERS и M. KEISTER, JR., "Измерения сцинтилляции лазерного луча в атмосфере", J. Opt. Soc. Am. 57, 787–797 (1967). Д. ФРИД, "Проверка приближения Рытова", J. Opt. Soc. Am. 57, 268–269 (1967). Д. ФРИД и J. SEIDMAN, "Сцинтилляция лазерного луча в атмосфере", J. Opt. Soc. Am. 57, 181–185 (1967). Д. Fried и J. Seidman, "Гетеродинные и фотонные счетчики для оптической связи", Appl. Opt. 6, 245–250 (1967). Д. ФРИД, "Распространение сферической волны в турбулентной среде", J. Opt. Soc. Am. 57, 175–180 (1967). Д. ФРИД, "Усреднение апертуры сцинтилляции", J. Opt. Soc. Am. 57, 169–172 (1967). Д. ФРИД и J. CLOUD, "Распространение бесконечной плоской волны в случайно неоднородной среде", J. Opt. Soc. Am. 56, 1667–1676 (1966). Д. ФРИД, "Оптическое разрешение через случайно неоднородную среду для очень длинных и очень коротких экспозиций", J. Opt. Soc. Am. 56, 1372–1379 (1966). Д. ФРИД, "Предельное разрешение при взгляде вниз через атмосферу", J. Opt. Soc. Am. 56, 1380–1384 (1966). Д. ФРИД, "Статистика геометрического представления искажения волнового фронта", J. Opt. Soc. Am. 55, 1427–1431 (1965). Д. Fried, J. Shaffer и R. Turner, "Теоретический анализ производительности ортоикона изображения", Appl. Opt. 4, 785–792 (1965). Д. ФРИД и G. MEVERS, "Атмосферные оптические эффекты: флуктуации поляризации", J. Opt. Soc. Am. 55, 740–741 (1965). Д. Fried, "Шум в фотоэмиссионном токе", Appl. Opt. 4, 79–80 (1965). Д. Fried, W. Read и D. Pollock, "Интерферометрический оптический модулятор", Appl. Opt. 3, 697–701 (1964).

D. Fried and T. Clark, "Extruding Kolmogorov type phase screen ribbons," J. Opt. Soc. Am. A 25, 463–468 (2008). J. Barchers and D. Fried, "Optimal control of laser beams for propagation through a turbulent medium," J. Opt. Soc. Am. A 19, 1779–1793 (2002). J. Barchers, D. Fried, and D. Link, "Evaluation of the Performance of Hartmann Sensors in Strong Scintillation," Appl. Opt. 41, 1012–1021 (2002). D. Fried, "Branch point problem in adaptive optics," J. Opt. Soc. Am. A 15, 2759–2768 (1998). H. Yura and D. Fried, "Variance of the Strehl ratio of an adaptive optics system," J. Opt. Soc. Am. A 15, 2107–2110 (1998). D. Fried and R. Szeto, "Wind shear induced stabilization of PCI," J. Opt. Soc. Am. A 15, 1212–1226 (1998). D. Fried, "Analysis of the CLEAN algorithm and implications for superresolution," J. Opt. Soc. Am. A 12, 853–860 (1995). D. Fried, "Horizon irregularity induced by turbulence," J. Opt. Soc. Am. A 12, 950–957 (1995). D. Fried, "Focus anisoplanatism in the limit of infinitely many artificial guide star reference spots," J. Opt. Soc. Am. A 12, 939–949 (1995). D. Fried and J. Belsher, "Analysis of fundamental limits to artificial guide star adaptive optics system performance for astronomical imaging," J. Opt. Soc. Am. A 11, 277–287 (1994). R. Benedict, J. Breckinridge, and D. Fried, "Atmospheric Compensation Technology," J. Opt. Soc. Am. A 11, 257–262 (1994). D. Fried and J. Vaughn, "Branch cuts in the phase function," Appl. Opt. 31, 2865–2882 (1992). D. Fried, "Time delay induced mean square error in adaptive optics," J. Opt. Soc. Am. A 7, 1224–1225 (1990). D. Fried, "Greenwood frequency measurements," J. Opt. Soc. Am. A 7, 946–947 (1990). D. Fried and J. Vaughn, "Dependence of the Knox Thompson transfer function on the difference of spatial frequencies," J. Opt. Soc. Am. A 7, 833–837 (1990). G. Tyler and D. Fried, "Image position error associated with a quadrant detector," J. Opt. Soc. Am. 72, 804–808 (1982). D. Fried and G. Mevers, "Thermal blooming time constant," J. Opt. Soc. Am. 72, 519–521 (1982). D. Fried, "Anisoplanatism in adaptive optics," J. Opt. Soc. Am. 72, 52–52 (1982). D. Fried, "Laser eye safety: the implications of ordinary speckle statistics and of speckled speckle statistics," J. Opt. Soc. Am. 71, 914–916 (1981). D. Fried, "Resolution, signal to noise ratio, and measurement precision: addendum," J. Opt. Soc. Am. 70, 748–749 (1980). D. Fried, "Resolution, signal to noise ration, and measurement precision," J. Opt. Soc. Am. 69, 399–406 (1979). D. Fried, "Probability of getting a lucky short exposure image through turbulence," J. Opt. Soc. Am. 68, 1651–1657 (1978). D. Fried, "Propagation of the mutual coherence function for an infinite plane wave through a turbid medium," Opt. Lett. 1, 104–106 (1977). D. Fried, "Least square fitting a wave front distortion estimate to an array of phase difference measurements," J. Opt. Soc. Am. 67, 370–375 (1977). D. Fried, "Evaluation of ro for propagation down through the atmosphere: correction 2," Appl. Opt. 16, 549–549 (1977). D. Fried, "Statistics of the laser radar cross section of a randomly rough targe," J. Opt. Soc. Am. 66, 1150–1160 (1976). D. Greenwood and D. Fried, "Power spectra requirements for wave front compensative systems," J. Opt. Soc. Am. 66, 193–206 (1976). D. Fried, "Evaluation of r? for propagation down through the atmosphere: correction," Appl. Opt. 14, 2567–2567 (1975). D. Fried and G. Mevers, "Evaluation of ro for Propagation Down Through the Atmosphere," Appl. Opt. 13, 2620–2622 (1974). D. Fried, "Signal Processing for a Signal with Poisson Noise: Author?s Reply to Comments," Appl. Opt. 13, 2463–2464 (1974). D. Fried, "Nonlinear Resonance Scanning," Appl. Opt. 13, 1796–1801 (1974). D. Fried, "Signal Processing for a Signal with Poisson Noise," Appl. Opt. 13, 1282–1283 (1974). D. Fried, "Absence of Thermal Blooming for a Uniformly Illuminated Square Aperture High Power Laser Transmitter," Appl. Opt. 13, 989–991 (1974). H. Hance and D. Fried, "Experimental test of optical antenna gain reciprocity," J. Opt. Soc. Am. 63, 1015–1016 (1973). D. Fried, "Statistics of Laser Beam Fade Induced by Pointing Jitter," Appl. Opt. 12, 422–423 (1973). D. Fried, "Binary Signal Demodulation Photon Count Statistics," Appl. Opt. 11, 1268–1269 (1972). D. FRIED and H. YURA, "Telescope Performance Reciprocity for Propagation in a Turbulent Medium," J. Opt. Soc. Am. 62, 600–602 (1972). D. Fried, "Spectral and Angular Covariance of Scintillation for Propagation in a Randomly Inhomogeneous Medium," Appl. Opt. 10, 721–731 (1971). D. Fried and R. Turner, "Focusing through a Flat Plate; Dependence of Aberration on the Refractive Index," Appl. Opt. 9, 2800–2800 (1970). J. Shaffer and D. Fried, "Bender Bimorph Scanner Analysis," Appl. Opt. 9, 933–937 (1970). E. TYSON and D. FRIED, "Observation of Very Weak Optical Strength of Atmospheric Turbulence," J. Opt. Soc. Am. 58, 1538–1539 (1968). D. FRIED, "Diffusion Analysis for the Propagation of Mutual Coherence," J. Opt. Soc. Am. 58, 961–969 (1968). D. Fried and R. Schmeltzer, "The Effect of Atmospheric Scintillation on an Optical Data Channel?Laser Radar and Binary Communications," Appl. Opt. 6, 1729–1737 (1967). D. FRIED, "Scintillation of a Ground to Space Laser Illuminator," J. Opt. Soc. Am. 57, 980–983 (1967). D. FRIED, G. MEVERS, and M. KEISTER, JR., "Measurements of Laser Beam Scintillation in the Atmosphere," J. Opt. Soc. Am. 57, 787–797 (1967). D. FRIED, "Test of the Rytov Approximation," J. Opt. Soc. Am. 57, 268–269 (1967). D. FRIED and J. SEIDMAN, "Laser Beam Scintillation in the Atmosphere," J. Opt. Soc. Am. 57, 181–185 (1967). D. Fried and J. Seidman, "Heterodyne and Photon Counting Receivers for Optical Communications," Appl. Opt. 6, 245–250 (1967). D. FRIED, "Propagation of a Spherical Wave in a Turbulent Medium," J. Opt. Soc. Am. 57, 175–180 (1967). D. FRIED, "Aperture Averaging of Scintillation," J. Opt. Soc. Am. 57, 169–172 (1967). D. FRIED and J. CLOUD, "Propagation of an Infinite Plane Wave in a Randomly Inhomogeneous Medium," J. Opt. Soc. Am. 56, 1667–1676 (1966). D. FRIED, "Optical Resolution Through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures," J. Opt. Soc. Am. 56, 1372–1379 (1966). D. FRIED, "Limiting Resolution Looking Down Through the Atmosphere," J. Opt. Soc. Am. 56, 1380–1384 (1966). D. FRIED, "Statistics of a Geometric Representation of Wavefront Distortion," J. Opt. Soc. Am. 55, 1427–1431 (1965). D. Fried, J. Shaffer, and R. Turner, "A Theoretical Analysis of Image Orthicon Performance," Appl. Opt. 4, 785–792 (1965). D. FRIED and G. MEVERS, "Atmospheric Optical Effects?Polarization Fluctuation," J. Opt. Soc. Am. 55, 740–741 (1965). D. Fried, "Noise in Photoemission Current," Appl. Opt. 4, 79–80 (1965). D. Fried, W. Read, and D. Pollock, "An Interferometric Optical Modulator," Appl. Opt. 3, 697–701 (1964).