Laser beam cleanup using improved model-based wavefront sensorless adaptive optics

An improved model-based wavefront sensorless adaptive optics algorithm is proposed for laser beam cleanup. Deformable mirror （DM） eigenmodes are used to replace traditional Lukosz modes in order to avoid DM fitting errors. The traditional method is based on a sophisticated calibration process and solving linear equations. In our method, coefficients of DM eigenmodes are estimated by adding bidirectional modal biases into the system and then solving parabolic equations. The calibration process is omitted in our method, which makes it more feasible. From simulation and experimental results, the corrective accuracy of the improved method is higher than the traditional one.

高能激光器波前预补偿技术研究

随着高功率激光技术的发展,目前的以高功率反射式变形镜为核心的波前校正装置只能通过增大口径来避免反射面损伤,还难以解决连续工作加热时的镜面形变问题。本文拟采用低功率变形镜在信号光阶段进行预补偿,达到高功率激光光束质量校正的效果。首先介绍了高能信号光预补偿技术的补偿原理、方法,然后在板条固体激光器输出功率分别为30W和3000W时进行了波前补偿实验,通过预补偿方法激光远场光束质量得到明显的改善和提高:在激光器输出功率为30W时,光束质量从β=10提高到β=15;在激光器输出功率为3000W时,光束质量从β=10提高到β=3,此外,本文还对非平面波前的信号光传输技术以及信号光预补偿技术的校正策略开展了相应的研究与试验。与传统的自适应光学校正方法相比,信号光预补偿技术可以从根本上摆脱强激光对变形镜的加热和损伤问题,无限的扩展了光束净化系统的功率限制。

Photoinjector beam quality improvementby shaping the wavefront of a drive laser with oblique incidence

To increase the quantum efficiency （QE） of a copper photocathode and reduce the thermal emit- tance of an electron beam, a drive laser with oblique incidence was adopted in a BNL type photocathode rf gun. The disadvantageous effects on the beam quality caused by oblique incidence were analyzed qualitatively. A simple way to solve the problems through wavefront shaping was introduced and the beam quality was improved.

采用阵列波带片波前传感的激光波前重构

在高功率激光系统,激光束小尺度相位畸变波前探测是实现激光束中频段波前补偿与控制的重要前提。采用阵列菲涅耳波带片作为激光束波前传感的子孔径分割器,利用区域重构的Southwell模型进行波前重构。并针对波前传感器子孔径数目、小尺度相位畸变波前的参数对波前重构精度影响进行分析与模拟计算,给出了阵列菲涅耳波带片合理的子孔径数目,为20×20～30×30;对小尺度相位畸变,激光束波前的重构误差小于十分之一波长。

Nd:YAG薄片激光器热致波前畸变

理论分析了激光二极管端面泵浦薄片Nd:YAG激光器的激光介质热效应对波前相位分布的影响,给出了薄片激光器波前热畸变的计算公式。数值模拟了理想均匀泵浦及4阶超高斯泵浦下的波前分布,分析了介质厚度和泵浦均匀性与波前畸变量的关系。研究表明,介质越薄,激光泵浦光均匀性越好,泵浦功率密度越小,激光波前畸变越小;与介质厚度、泵浦功率密度相比,泵浦光光强分布对波前的影响更为显著。

激光窗口热效应对光束发散角的影响

以DF激光器CaF_2输出窗口为例计算了三种输出功率(10~3W,10~4W,10~5W)情况下,窗口材料的温升、波阵面畸变及对光束发散角的影响。计算中窗口直径为40mm,厚度为10mm,光束直径为20mm。

穿越流场激光像差特性的动态测量——H-S波前传感器方法

用H-S(Hartmann-Shack)波前传感器可以精确测量穿过超声速流场的激光动态波面及其变化过程,进一步计算还可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。讨论了利用H-S波前传感器测量穿过超声速流场激光波面的原理,并采用模式法进行波前重构,得到了在几种流场条件下的激光波面像差特性如PV和RMS、各阶Zernike像差系数,环围能量分布和Strehl比等。结果表明,采用H-S传感器进行测量、并用模式法进行波前重构可以较好反映流场建立、稳定和结束过程中各阶Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场,激光穿越后产生的最明显变化为离焦A3和低阶像散A5的增大。

基于哈特曼传感器的激光波前分布测量技术

激光波前分布作为ISO新列入的衡量激光光束质量的重要参数,对其有效、准确地测量显得十分重要。根据哈特曼波前测量原理,详细介绍了基于哈特曼传感器的激光波前分布测量装置、哈特曼传感器波前斜率测量方法和常用波前重构算法,引入一种定标哈特曼传感器针孔阵列与CCD间距的方法,分析定标实验数据及使用已定标的哈特曼波前分析仪测量波前的实验结果。实验证明定标方法可靠有效。

两种不同算法重现高功率激光束的相位

介绍了两种不同的波前重构算法及基本原理，并给出了实用的重构算法公式。通过用哈特曼小孔阵列板代替传统的哈特曼－沙克传感器的方法，对“星光Ⅱ” １０Ｗ高功率激光器的波前相位进行了测量和重构，并对两种算法重构的相位进行了比较，得到了一致而令人满意的结果。

板条激光器光束质量控制技术研究进展

随着激光二极管技术的发展,以及一些先进热管理方案和新型加工工艺的涌现,固体激光器的输出功率已达到百千瓦量级,而光束质量的控制问题却日益凸显。本文归纳了板条激光器的光束质量控制技术,对当前已经实现了的几种技术路线进行了深入细致的分析,包括静态相位校正技术、非线性光学校正技术、自适应光学校正技术、几何光学校正技术等,并分别介绍了其工作原理、研究进展以及优缺点。

光纤激光相干合成中倾斜和锁相同时控制的实验研究

光纤激光的相干合成是获得高能量密度、高光束质量激光输出的有效方法之一。在相干合成中,各个单元光束的倾斜波前畸变和活塞相位误差对合成的效果具有重要影响。搭建了两路光纤激光相干合成系统,利用光纤自适应准直器和相位调制器对相干合成中倾斜波前畸变和活塞相位误差进行校正。实验系统以高速相机采集的光斑数据作为评价依据,通过计算机程序进行控制,控制算法为随机并行梯度下降算法。在倾斜和锁相控制前,合成光斑的条纹对比度为0.03,桶中功率为8.03;在倾斜和锁相控制后,合成光斑的条纹对比度达到了0.59,桶中功率达到了32.89,说明实验中倾斜和锁相控制显著提高了相干合成的效果。

气流加热对气动光学效应的影响

以光束穿过三维高速流场为物理模型,研究了由于辐射加热气流对流场的干扰及激光束穿过流场后光束远场的分布。应用二维哈特曼波前测量系统,对高功率光束在风洞高速气流传输中的气动光学效应进行了测量。结果表明,气流未电离情况下,激光与高速气流相互作用对气流的温度、密度等参数影响很小,通过该区域流场的光束波前基本没有变化。

高功率超短脉冲钛宝石激光系统波前测量实验

为表征SILEX-Ⅰ超强超短脉冲钛宝石激光装置的性能,利用高空间分辨的哈特曼波前传感器实验研究了该系统的光束波前畸变特性。实验中采用俄罗斯科学院激光和信息技术研究所研制的自缩束哈特曼波前测量系统,哈特曼波前传感器的最大入射口径可达95mm,测量精度为0.08μm。得到激光脉冲在压缩前的P-V值仅为0.13λ(λ=800nm),RMS值为0.02λ;压缩后P-V值为0.63,λRMS值为0.09λ,并对实验结果进行了分析和讨论。结果表明,该激光装置具有良好的光束质量,其主要波前畸变来源于压缩池。

环形激光光束的波前复原算法比较

针对环形激光光束净化自适应光学系统中的波前传感器子孔径与变形反射镜驱动器布局，仿真比较了直接斜率法、区域法的Ｆｒｉｅｄ模式和Ｓｏｕｔｈｗｅｌ模式三种波前复原算法，其中，直接斜率法的波前校正能力及稳定性均为最好。

环形区域上Zernike模式法波前重构

针对激光技术领域常见的环形激光光束 ,利用圆域 Zernike多项式和环域 Zernike多项式进行模式法波前重构 ,结果显示 :如果环形激光光束波前相位畸变主要由低空间频率成分组成 ,则可以直接利用圆域 Zernike多项式进行波前重构 ;如果环形激光光束波前相位畸变含有较多的高阶频率成分 ,则利用环域 Zernike多项式进行波前重构。

高斯光束质量与波像差之间的关系

为了考察光阑截断时高斯光束质量与波像差之间的关系,采用高斯光束β值作为截断高斯光束质量的评价参量,通过数值仿真的方法分析光学系统波像差对截断高斯光束质量的影响,给出了高斯光束β值与波像差间的拟合关系。讨论了高斯光束质量与Kolmogoroff大气湍流强度间的关系,并给出了二者间的拟合公式。结果表明,该拟合公式的计算结果在相当广的湍流强度范围内与数值仿真结果较好吻合,这也进一步验证了高斯光束β值与波像差拟合关系的正确性。

用H-S波前传感器测量穿过超声速流场的激光像差特性

用Hartmann-Shack(H-S)波前传感器可以准确测量穿过超声速流场的激光波面及其变化过程,进一步计算可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。给出了H-S方法测量穿过超声速流场激光波面的原理,采用模式法进行了波前重构,计算了在几种流场条件下的激光波面像差特性PV值,RMS值和Zernike像差系数、Strehl比和环围能量曲线等。结果表明,H-S法可以很好地反映流场建立、稳定和结束过程中Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场,激光穿越后产生的最明显的像差变化为离焦和低阶像散的增大。在相同流场参数下,无模型时光束质量好于有模型时光束质量。

三路矩形光束相干合成波像差与光束质量

根据相干合成的原理,建立了三路矩形光束相干合成的数学仿真模型,根据数学模型编写了仿真程序;模拟计算了1～21阶泽尼克像差下,单路矩形光束和三路矩形拼接光束的波像差与光束质量β因子关系的拟合系数;建立了波像差与β因子关系的计算表达式。分析了影响拟合系数的因素,结果表明:拟合系数总体上随着泽尼克像差系数增大而增加。比较了单路矩形光束与三路矩形拼接光束拟合系数的相似点和不同点,并分析了造成拟合系数不同的原因。

超高阈值Pick-off反射镜的研制

采用水中抛光技术抛制了 90 mm× 60 mm× 1 0 mm的 K9玻璃基片 ,表面粗糙度达 1 nm。在 APS1 50 4镀膜机上 ,摸索了电子束蒸发镀膜的最佳工艺条件 ,较稳定地在该超光滑玻璃表面上镀制了对波长 1 0 54nm、入射角 4 5°、反射率 R≥ 99.5%的反射膜。膜层的抗激光损伤阈值可达 2 6J/cm2( 1 0 54nm,1 ns) ,镀膜后该玻璃基片反射波前可达 λ/1 0 ( p-v) ,最终制备了超高阈值

面向空间激光通信的光束偏转与波前畸变补偿机制研究

文章首先对光束角度偏转技术、影响因素以及具体应用方案展开分析,并将其作为研究基础;其次,对光束波前畸变检测技术及应用详细研究,确定不同技术的优劣势,制定针对性的方案;最后,制定波前畸变补偿方案,保证结果的精准性,为相关方面研究工作提供借鉴和支持。