The influence of high-frequency phase distortion on the phase correction effect in atmospheric turbulence

By using the method of the power-spectrum inversion, the turbulence phase screen has been built up, and the propagation characteristics of high-frequency phase of laser beam in atmospheric turbulence have been analyzed; in addition, the phase correction effect of laser beams by using the adaptive deformable mirror has been simulated, and its affecting factors in turbulence have also been analyzed quantitatively. The results show that the phase correction effect of laser beams in turbulence is mostly determined by the percent of high-frequency phase in distorted wavefront. With the increase of the intensity of atmospheric turbulence and the propagation distance in turbulence, the percent of high-frequency phase in distorted wavefront increases, resulting in the degradation of the phase correction effect.     

大气风速对大气传输光束相位特性的影响

采用功率谱反演法构建湍流相位屏,通过横向平移相位屏的方法模拟大气风速引起的湍流时间变化,进而模拟分析了包括时间进程的激光大气传输特性,从波前相位功率谱密度的角度,定量分析了大气风速引起的激光束在大气湍流中传输时的相位特性变化。在此基础上,采用影响函数模拟变形镜对畸变波前的校正作用,对激光束经大气湍流传输后的自适应校正效果进行了预估,分析了大气风速对校正效果的影响。结果表明,大气风速对边界层湍流中光束相位特性的影响很小,然而,对于自由大气湍流中的传输光束,大气风速越大,波前相位畸变程度越大,畸变波前中高频相位比例也越大;环状光束的校正效果受大气风速的影响比平顶光束更小,并且,随着环状光束阶数的增大,校正效果所受影响逐渐减小;在一定相位畸变范围内,畸变程度越大的环状光束的相位校正效果受大气风速的影响越小。     

变形镜部分驱动器断电失效对校正性能的影响

变形镜在长期工作的过程中,压电陶瓷驱动器因累积疲劳效应会导致其失效,从而导致校正性能的降低。从变形镜的影响函数出发,将失效驱动器的电压置零,采用有限元方法建立变形镜疲劳失效模型,重点分析畸变波前的形态分布、入射光束的类型和驱动器的排布方式等对校正能力的影响。实验结果表明,在部分驱动器失效的情况下,变形镜应当根据高斯型随机畸变波前的形态分布进行失效分析。从低频部分来看,在第1圈驱动器失效的情况下,变形镜对三种入射光束的校正效果几乎相同,当驱动器失效位置在其他圈数时,变形镜对高斯光束的校正效果最差;从高频部分来看,在不同位置驱动器失效的情况下,变形镜对平顶高斯光束的校正效果最佳。     

湍流大气中斜程传输光场的相位特性

运用功率谱反演法对斜程传输大气湍流扰动相位屏进行了数值模拟。通过建立激光束初始畸变相位模型,从波前峰谷值和波前功率谱密度函数两个方面,对激光束通过大气湍流后的相位特性进行了研究,重点分析了湍流传输距离和天顶角对激光束波前相位分布的影响。研究结果表明:激光束在湍流大气斜程传输后,其波前相位会发生明显畸变,且空间高频相位较低频相位所占比例明显增加;通过湍流后的波前相位与传输距离及天顶角密切相关,传输距离越长,天顶角越大,相位畸变程度越大,高频相位所占比例越多。     

畸变波前相位校正效果分析

 以随机相位屏构造波前畸变相位,运用高通滤波的方法模拟变形镜对光束波前畸变相位的校正作用,模拟分析了畸变波前的相位校正效果,定量分析了校正效果与低频相位畸变和高频相位畸变之间的关系,并进一步讨论了变形镜的校正位置对校正效果的影响。研究结果表明:对于给定单元尺寸的变形镜,随着畸变波前中高频相位畸变所占比例的增大,经校正后的远场光束质量明显降低,校正效果也越来越差。此外,光学变形镜所在位置对校正效果存在明显影响,校正效果随校正位置的变化呈现出起伏变化。     

基于远场信息和卷积神经网络的波前重构方法

探测波前相位信息是实现自适应光学波前补偿的关键,使用卷积神经网络（CNN）代替波前传感器进行波前重构,系统简单易于实现,同时重构过程不依赖迭代运算,快速实时。为准确提取远场中的波前特征,CNN需要事先使用大量样本进行训练。研究中根据4～30阶大气湍流泽尼克像差系数与其远场强度的对应关系,仿真制作样本数据集,训练CNN从输入的一帧远场图像中预测出畸变波前的泽尼克像差系数,重构原始波前。验证结果表明,该方法能快速实时地还原出波前相位信息,重构波前较原始波前具有极高的波面吻合度和较小的残差剩余量,有望实现实际自适应光学系统中的闭环校正。     

激光束畸变波前高频相位的恢复效果分析

运用逐次逼近迭代法恢复近场畸变波前的高频相位,定量分析了高频相位恢复效果与滤波器截止频率之间的关系,并进一步讨论了近场和远场光强噪声扰动对恢复效果的影响。研究结果表明:随着滤波器截止频率的增大,即对近场波前相位探测器要求的提高,逐次逼近迭代法的高频相位恢复效果会越来越好。此外,高频相位恢复效果随近场或远场光强噪声扰动的增大而变差,其中,近场光强噪声扰动对恢复效果的影响相对较小,而远场光强噪声扰动对恢复效果的影响则明显得多。在实际工作中,为了获得较好的近场高频相位的恢复效果,不仅需要合理地对近场低频相位测量提出要求,而且还必须尽可能减小光强分布测量的误差,特别是尽量减小远场噪声光强的影响。     

高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响

利用有限元分析法结合Fox-Li迭代法,考虑腔内本征模式与腔镜热形变的相互耦合作用,计算模拟了正支共焦非稳腔的本征模式分布,定量分析了高功率激光器腔镜热变形对输出光束质量的影响,重点讨论了腔镜热变形所引起的腔内本征模式相位特性的变化,并从波前功率谱密度、Zernike像差系数及光束质量值等角度对腔镜发生热形变前后的激光器输出光束的光束特性进行比较分析。研究结果表明:高功率激光器腔镜热形变对输出光束的光束质量会产生一定的影响,且随着激光输出功率的增大,镜面热形变引起的输出光束波前相位高频比例及Zernike高阶像差均会有所增大,波前畸变程度也明显变大,光束质量逐渐变差。     

用于快点火的激光驱动器组束方式

 根据实现快点火激光的预估参数要求,分析了非相干组束和相干组束是否可满足快点火所需的激光功率密度和能量。引入与实际情况相当的畸变波前分析远场焦斑,为了满足能量要求非相干组束需要组合更多的光束,并改进驱动器的稳定性将角漂控制在±2 μrad范围内;相干组束可获得更小的焦斑有利于提高功率密度,同时可降低对能量的要求,但仅对单路光分别进行波前补偿并不能提高能量集中度,需要引入复杂的监测和控制设备对整个通光孔径内的波前(包括束内和束间)进行全局控制。基于目前提出的参数要求和波前校正能力,非相干合成更易实现快点火,但相干合成则具有更广泛的应用潜力。     

基于相位复原技术测试高数值孔径光学成像系统

干涉测量的方法已被广泛应用于光学系统的波前测试中。但是由于高数值孔径的标准具加工成本高、风险大,使用干涉测量的方法对高数值孔径光学系统进行测试存在困难。运用相位复原技术对高数值以小孔衍射光束作为高精度测试基准波前进行孔径光学系统波前测试,可以解决上述问题。对不同频率波前形成的点扩散函数模拟,分析了实际测试所需的实验条件。由于缺乏高精度的对比实验条件,引入一种新的误差分析方法,搭建检测平台完成对显微镜光学系统的波前测试。通过验证实验,证明了该测试方法的可靠性。     

固体板条MOPA激光光束质量主动控制

详细介绍了固体板条MOPA激光系统输出光束特性,包括光束近场强度分布、波前畸变空间特性和时间频率特性等,并以此为设计输入,研制了大动态范围高空间分辨率变形镜。研制的自适应光学闭环校正系统在强光条件下,实现了全程闭环控制,光束质量因子平均值从开环7.4提高到4.06。根据当前波前闭环校正残差,提出了进一步提高MOPA系统输出光束质量的方法。     

基于低相干光的阵列透镜束匀滑技术研究

基于激光加载的材料状态方程的实验研究对靶面光强分布的均匀性及稳定性提出了极高的要求,靶面光强的上述两大特性在很大程度上决定了实验结果的精度和可重复性.本文针对传统窄带高相干激光装置在激光加载材料状态方程实验中表现出的靶面光强均匀性和光强分布稳定性两方面可能存在的问题,提出了基于宽带低相干激光,利用消衍射阵列透镜联合诱导非相干技术的束匀滑方案,并重点分析了波前相位畸变对靶面不均匀性及稳定性的影响.模拟结果表明,该方法明显降低了靶面不均匀性,提高了对波前相位畸变的包容度,获得了均匀、稳定的光强分布.统计分析显示,焦斑强度分布极差和不均匀性与波前相位畸变均方根梯度相关性较强.因此,可以根据统计结果以及实验对焦斑强度分布的要求,给出波前相位畸变的容差范围,对状态方程实验中激光驱动器参数的设计与优化具有指导意义.     

Adaptive correction of vortex laser beam in a closed-loop system with phase only liquid crystal spatial light modulator

We propose and demonstrate the wave front correction of a vortex laser beam by using dual phase only liquid crystal spatial light modulators (LC-SLMs) and a stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. One phase only LC-SLM is used to generate vortex laser beam by loading spiral phase screen onto the wave front of input quasi-Gaussian beam. The other phase only LC-SLM under SPGD controller based on the subzone control method adaptively compensates the wave front of vortex laser beam. Numerical simulation and experimental results show that after correction, vortex doughnut like beam is focused into a beam with airy disk pattern distribution in the far field. The adaptive corrections of vortex laser beam with different optical topological charges are studied. The results show that the optical topological charge has little influence on adaptive correction. The powers in the main lobe of far field intensity distributions of vortex laser beams with different optical topological charges are all greatly improved by adaptive correction. The technique proposed in this paper can be used in optical communication, relay mirror and atmospheric turbulence correction.     

相位光栅型曲率传感器的波前校正算法

 针对相位光栅曲率传感器能够测量波前曲率在光瞳面上分布的特点,提出了一种采用整个空间分布的曲率信号来实现波前校正的算法。用曲率型变形镜影响函数的曲率信号在光瞳面上的分布来拟合待校正波前的曲率信号,采用最小二乘方法得到变形镜的控制电压,实现波前校正过程。数值模拟了一种41单元曲率型自适应光学系统采用该算法的波前校正过程。结果表明,对4至28阶Zernike像差体现了校正效果,对曲率为0的Zernike像差校正效果略好于曲率不为0的Zernike像差。与传统分区法的校正效果相比,整体法对Zernike像差的校正效果基本相当。整体法无需对光瞳面上的曲率信号进行与电极分布相同的分区,降低了对系统校准的要求。     

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。     

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。     

基于液晶纯相位光调制器的4f系统去噪方法

分析了4f系统的噪声来源,提出使用液晶空间光调制器实时去除系统噪声.通过使用Zemike多项式拟合透镜等光学器件引入的像差,根据液晶纯相位光调制器利用位相共轭波进行静态波面校正的工作原理,提出了一种新的相位校正算法,模拟仿真美国BNS公司反射式256×256纯相位液晶空间光调制器,通过重构并逼近畸变波面,产生相位共轭波...     

液晶空间光调制器相位调制测量及波前校正

提供了一种简单且精度较好的测量液晶空间光调制器相位调制特性的方法,即相位与电压(灰度)之间的关系。采用数字波面移相干涉仪,由干涉仪直接给出不同灰度对应的相位差,从而得到液晶空间光调制器的相位调制曲线。利用液晶空间光调制器实现了波前校正。由干涉仪作波前测试,对待校正的畸变波前进行泽尼克多项式描述,根据液晶空间光调制器的相位与灰度的关系,产生相应的灰度图,获得畸变波前的共轭波前,从而完成静态波前的校正,使相关参数如PV值、RMS值和Strehl比值得到了改善。     

BaTiO3自泵浦相位共轭镜

首次报道用国产光折变晶体BaTiO_6制成的反射率大于30%的自泵浦相位共轭镜(SPPCM).并使用它成功地完成了畸变像复原实验.文中给出了自泵浦相位共轭信号的建立与入射光强度.入射光和晶体晶轴夹角的依赖关系及其擦洗速率的实验结果.文中还首次提出了一种使用单块BaTiO_3晶体,使多束入射光同时获得各自相位共轭波的方法.     

Near-diffraction-limited dark hollow beam generated by using a hybrid control way

We propose and demonstrate the generation of dark hollow beam with plane wavefront in the near field based on a hybrid control way by using dual phase only liquid crystal spatial light modulators (LC-SLMs). One phase only LC-SLM redistributes the intensity to the target distribution based on refractive beam shaping system and the other phase only LC-SLM adaptively compensates the wavefront of the output beam by using stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Compared with conventional refractive beam shaping system, the hybrid control way can not only improve the far-field energy concentration of the output beam, but also can correct the phase distortion of the system. Influences of phase distortion on laser beam shaping are analyzed in detail. The theoretical and experimental results show that the near-diffraction-limited dark hollow beam can be successfully generated by using this hybrid control way. The power in the main lobe of the airy disk pattern area in the far field is 2.3 times larger than that without being adaptively compensated.