自由旋涡气动窗口自适应光学波前校正初步研究

 自由旋涡气动窗口能有效地替代高能激光器传统晶体输出镜，起到密封激光器低腔压的作用。利用现有的37单元室内自适应光学系统，对自由旋涡气动窗口的输出激光波前畸变进行自适应光学波前校正。给出了自适应光学系统对气动窗口畸变波前的校正原理，采用直接斜率法在设计状态下对畸变波前进行了校正实验。结果表明，该自适应光学系统能够较好地校正工作在设计状态下的自由旋涡气动窗口对输出激光所引起的波前畸变。     

用哈特曼法研究自由旋涡气动窗口光束质量

 利用37单元哈特曼波前传感器实验研究不同工作条件下不同时刻自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响。将高速CCD所采集的畸变激光波前传送给高速波前处理机，采用模式法对其进行波前重构，进而计算给出畸变波前的波像差峰谷值、波像差均方根和斯特列尔比值等相关光学参数随气动窗口工作条件不同的变化曲线。结果表明，自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响主要是光束偏转和离焦，特别是气动窗口工作在设计状态时，其余低阶及高阶像差都比较小，能够满足实际需要。哈特曼波前传感器能很好地用于自由旋涡气动窗口对激光波前影响的二维动态测量，并能给出波前畸变的各项Zernike多项式的模式系数得到畸变波前，直接为气动窗口与强激光发射系统的对接和波前校正提供数据。     

内腔自适应光学系统校正激光器畸变

固体激光器中,增益介质由于热沉积产生的热畸变严重影响了激光器的稳定性、输出功率和光束质量。研究了一种内腔自适应光学系统校正激光器腔内畸变的方法,利用微机电变形反射镜作为固体激光器的内腔全反射镜,通过控制变形镜的面型改善激光器输出光束的模式及功率。从腔外引入的一束信标光通过激光器内腔后反射出腔外,用波前探测器可测得激光器工作时腔内畸变对此信标光的影响,并通过搭建的自适应光学系统平台可闭环校正此畸变。实验结果表明,闭环校正后,激光器的输出功率提高了近3倍,且激光光束质量得到了明显的改善。     

自由旋涡气动窗口全流场的数值模拟

建立自由旋涡气动窗口全流场仿真模型,对大密封压比气动窗口的全流场展开数值研究,得到自由旋涡气动窗口的流场结构,发现大密封压比气动窗口形成的自由旋涡射流在光束输出通道内无明显的波系结构.根据模拟结果对自由旋涡气动窗口的性能进行优化,对自由旋涡喷管上壁面型线进行二次粘性修正.优化自由旋涡射流场后,激光器输出光束通道内压力分布稳定上升;增加扩压器外端壁吹气1.19MPa、内端壁吹气1.68MPa时,自由旋涡射流总能提高,气动窗口密封压力从37.5torr降低至6torr.该研究结果对自由旋涡气动窗口技术的发展具有参考意义.     

基于成像自适应光学的水下成像系统研究

水中湍流是影响水下光学系统性能的重要的潜在因素。用波前检测的方法对水中湍流对激光束传输的影响进行实验研究,测量了实验条件下水中湍流产生的波前畸变的大小,对波前畸变进行了Zernike分析,还对波前补偿自适应系统在水下成像的应用进行了探索。结果表明:水中湍流引起的激光束波前的起伏降低了图像的分辨率,自适应光学系统在其校正范围内能有效地校正畸变,提高图像质量。     

基于变形镜本征模式和远场测量的光束净化

利用波前传感器对光束进行净化的自适应光学系统是目前提高光束质量的常用技术,但在实际应用中,该技术需要波前传感器,系统复杂,体积庞大,同时需要较高性能信标源。为解决上述问题,提出了一种基于变形镜本征模式和远场光斑特征分析的无波前自适应光学系统,用于校正激光器输出的方形光束。将变形镜影响函数进行本征模式分解,并用远场光斑的均方半径作为评价函数,建立了畸变波前的模式系数与评价函数之间的关系,通过测量评价函数获得模式系数用于求解校正电压,实现波前共轭校正。仿真校正和实验验证结果表明,该方法可以有效实现静态像差校正,提高远场光斑的能量集中度。     

自适应光学系统中波前重建的快速求解

当激光在大气中传输时,光通道中介质折射率的随机变化,引起激光波前的畸变,导致激光的扭曲、畸变,降低了光学系统的性能.波前畸变可以由自适应光学进行补偿、校正.为了进行实时补偿,补偿必须能快速响应波前畸变的信息.基于这一思想,文章对有关波前重建的三种基本方式进行研究.利用变化矩阵的稀疏特性,根据各自的特点发展了存储单元少、反映速度快的计算方案.并分别对不同形状的波前进行了重建,以示对方案的检验.     

哈特曼波前探测及波前校正的仿真与误差分析

报道了以３７单元自适应光学系统为原型的波前校正计算机仿真模型，讨论了系统波前哈特曼探测误差，拟合误差以及变形镜波前复原误差，提出了自适应光学系统在校正大气湍流引直怕波前位相畸变时存在最佳有效孔径的设想。     

随机并行梯度下降湍流场光束净化的实时校正实验研究

自适应光学技术可用于补偿高能激光系统出射光束的波前畸变以改善光束质量.为研究随机并行梯度下降(SPGD)自适成光学方法用于光束净化的可行性,分别采用高速光电探测器和高速变形镜作为系统性能评价函数的测量器件和波前校正器件,搭建了迭代速率为100 Hz的SPGD自适应光学系统,并且对通电电阻丝产生的湍流所造成的动态波前畸变进行了实时校正.实验结果显示,此套自适应光学系统能够对在4 Hz以下频率范围内缓慢变化的动态波前畸变进行实时校正,针孔中远场光斑的能量提高2.2倍,稳定性提高1.4倍.这表明SPGD自适应光学系统用于光束净化是町行的.     

西安理工大学无线光通信系统自适应光学技术研究进展

总结了国内外自适应光学技术在无线光通信系统应用中的研究进展和技术分类,同时介绍了西安理工大学在该领域的工作,包括有波前测量的自适应光学系统、无波前测量的自适应光学系统、液晶空间光调制器波前校正、偏摆镜和变形镜组合的波前校正、空间光光纤耦合自适应光学波前校正等。自适应光学技术可有效修正无线光通信系统中由大气湍流引起的畸变波前,提高耦合效率和通信性能。虽然这些方法在理论分析和工程实际中尚不完善,但不失为人们在该领域进行的有益探索。     

Studies on the Aero-optical Phenomena of Free-vortex Aerodynamic Window′s Jet

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｏａｔｔａｉｎｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｇａｓｄｙｎａｍｉｃｌａｓｅｒｃｈｅｍｉｃａｌｌａｓｅｒ ,ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄｇａｓｆｌｏｗｔｏｒｅｍｏｖｅｗａｓｔｅｈｅａｔｉｓｒｅｑｕｉｒｅｄ .ＥｓｐｅｃｉａｌｌｙａｔａｎａｖｅｒａｇｅｐｏｗｅｒｌｅｖｅｌｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｅｎｓｏｆｋＷ ,ｏｎｌｙｈｉｇｈｓｐｅｅｄｇａｓｆｌｏｗｃａｎｅｎｓｕｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｈｅａｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ .Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｌａｓｅｒｇａｓｍｅｄｉｕｍｏｆ…     

Studies on the Aero-optical Phenomena of Free-vortex Aerodynamic Window′s Jet

The concept of the free-vortex aerodynamic windows(FADW) is one of the best effective methods taking the place of the conventional beam output crystal windows of high power laser. An experimental model of the supersonic free-vortex aerodynamic window has been designed and made in our latest study. This paper studies the aero-optical phenomena of the FADW′s supersonic jet to study the laser optical quality degradation caused by the free-vortex jet, and to find out the relation of output laser beam quality through the FADW to the structure of the FADW′s supersonic jet. First it studies the beam quality using the methods of far-field beam profile measurement and lateral shearing interferometry, and then it uses the principle of matrix-optics interpreting the large-scale phase distortion in detail. At last the structure of FADW′s jet has been studied by means of shadowgraphy.     

用远场法研究自由旋气动窗口的光学特性

 采用He-Ne激光,对穿过自由旋气动窗口的远场聚焦光斑进行图象采集和数据处理,研究本气动窗口对透过其输出通道的激光束所带来的偏转和随机抖动现象,计算分析气动窗口对激光束发散特性的影响,定义和实验研究气动窗口的光束质量β因子。同时,分析讨论气动窗口对激光束远场聚焦光斑光强分布的影响,并提出气动窗口光束质量和气动窗口设计的进一步研究思路。     

激光窗口热透镜效应对光束质量的影响

 分析了高功率激光通过窗口时，引起的窗口热透镜效应及其对激光光束质量的影响。用冲量定理方法，推导了二维热传导方程的广义傅里叶级数解，然后按照平面热应力问题，运用有限元方法数值计算热变形。考虑热变形、折射率随温度变化，忽略光弹性效应，解出出光面的波前相差分布，讨论了远场光束质量。以空心环形光束为例，计算了熔融石英(SiO₂)和白宝石(Al₂O₃)两种常用窗口的温升分布、热变形、波前相差和光束质量，分析了冷却、辐照时间、光强分布的空间梯度和各种材料参数对光束质量的影响。     

随机并行梯度下降光束净化实验研究

利用自适应光学技术进行光束净化是高能激光系统中一项重要的研究内容.为实现光束净化系统的小型化和低成本,基于系统性能评价函数无模型最优化的波前畸变校正方法是适合的技术方案.就随机并行梯度下降(SPGD)最优化算法在光束净化系统中的应用展开研究.针对高能激光束常见的像差分布进行了SPGD波前校正的数值模拟,在此基础上构建了37单元自适应光学光束净化实验平台,讨论了双边扰动梯度估计和迭代增益系数自适应变化对算法收敛特性的影响.数值模拟与实验结果验证了SPGD算法对不同程度波前畸变的校正能力,表明了SPGD光束净化方案的可行性.     

矩形大口径激光光束质量评价光学系统设计

自适应光学校正技术可有效提升固体板条激光器的光束质量,但随着激光器输出功率的提升,输出光束口径逐渐增加,系统体积逐渐增大,自适应光学校正系统的设计难度也增加了.因此,在满足自适应光学校正系统中共轭探测等需求的前提下,统筹优化系统的尺寸参数,同时实现波前相位、光束质量评估等多参数的检测具有一定的研究意义.本文在系统整体尺...     

Adaptive aberration correction based on ant colony algorithm for solid-state lasers: numerical simulations

We describe an adaptive aberration correction technique based on an ant colony algorithm for solid-state lasers and a general class of other adaptive optics systems. We show that it is possible to compensate phase aberrations without wavefront sensing in this approach, which iteratively adjusts the control voltages of a deformable mirror to maximize certain system performance metrics of the far-field intensity distribution of the laser beam. The effectiveness of this approach is analyzed numerically by use of a 37-element piezoelectric deformable mirror and a variation of the Strehl ratio as the metric. Results demonstrate that this approach can effectively compensate the phase distortions of laser beams and significantly improve beam quality. A comparison indicates that this approach is much faster than a genetic algorithm while achieving almost the same beam quality.     

Fast wavefront sensing using a hardware parallel classifier chip

In most applications of laser technology and optics the beam quality, the ability to focus a laser beam and the achievement of a good optical resolution play an important role. The compensation of distortions using adaptive optics requires fast wavefront measurement. Classical wavefront analysis schemes use matrix operations, which show a nonlinear computation time dependence with matrix size, making it difficult to achieve high-speed control loops at a high resolution. A novel wavefront sensor system is presented using a massively parallel k-nearest neighbor classifier chip in an embedded hardware setup. Our miniaturized sensor is able to detect one optical distortion within about 80 μs allowing its use for high-speed adaptive optics applications.