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。     

基于滤波函数的分立变形镜波前校正效果预估

采用变形镜影响函数对畸变波前的校正过程进行模拟,并利用超高斯滤波函数对模拟的校正效果进行拟合和统计,确定出变形镜交连值与滤波函数平滑因子的定量关系,进而建立和完善了基于滤波函数的分立变形镜波前校正预估模型。在此基础上,针对具有随机畸变波前的环状光束,对波前校正预估模型的有效性和适应性进行了验证和分析。在实际工作中,只要给定分立变形镜的驱动器间距和变形镜交连值,即可利用给出的超高斯滤波函数波前校正预估模型,从而简便而准确地预估变形镜对不同畸变波前的校正效果。     

基于变形镜本征模式法校正大气热晕的数值模拟

由于相位补偿不稳定性的存在,大气热晕效应的相位校正一直是研究人员十分关心的问题。对变形镜驱动器影响函数耦合矩阵进行正交化获得了按照空间频率划分的变形镜本征模式,建立了采用变形镜本征模式进行波前重构的数值模型,对基于该波前重构方法的自适应光学系统校正大气热晕进行了数值模拟。数值模拟结果表明,与直接斜率法相比,变形镜本征模式法可以通过本征模式的选择,改变校正相位的空间频率成分,消除空间高频成分对热晕校正的影响,从而抑制相位补偿不稳定性的发生,提高自适应光学系统闭环控制的稳定性和对大气热晕的校正效果。     

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。     

变形镜结构参数对高功率激光相位特性的影响

在高功率连续激光辐照下,变形镜(DM)表面产生的热形变会对入射激光引入附加相位畸变,进而降低光束质量。利用有限元分析软件ANSYS建立了变形镜模型,分析比较了变形镜与高反镜热形变的特点,并讨论了变形镜结构参数对入射激光相位特性的影响。研究结果表明:与高反镜相比,变形镜的热形变更为明显;变形镜极头间距越小,热形变带来的高频相位畸变越多;极头长度对高频成分的影响较大,极头长度越短,热形变带来的高频成分越多,因而适当增加极头长度能够降低热形变带来的高频相位畸变;增大极头直径能使高频畸变所占比例有所降低,但会减弱变形镜的校正能力,因而在实际设计时应综合考虑。计算结果可为变形镜的参数优化设计提供一定参考价值。     

组合变形镜对板条固体MOPA激光波前畸变校正（英）

提出了一种利用组合变形镜校正板条MOPA固体激光器像差的方法,并通过实验验证其有效性。通过将一个11单元的一维变形镜和一个67单元的二维变形镜组合,有效降低了单个二维变形镜波前校正过程中驱动器间的电压差,从而提高了二维变形镜的使用安全性,并在一定程度上改善了校正后波前畸变的空间分布,降低了波前畸变残差。实验结果表明,一维变形镜与二维变形镜的组合能高效地校正板条MOPA固体激光器的波前畸变,波前残差均方根值小于0.08 m,远场光束质量因子可达1.67。     

基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法

针对大遮拦比窄环宽薄管激光光束质量提升需求,提出了一种基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法.采用直角锥面实现薄管激光离轴像差的自校正,再利用驱动单元控制直角锥面变形镜的形变来进一步校正残余像差,进而实现对薄管激光光束质量的提升.以48单元直角锥面变形镜为例,利用有限元分析方法建立了直角锥面变形镜的物理模型,分析了直角锥面变形镜对薄管激光畸变波前的校正能力.结果表明,基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法能够有效校正大遮拦比窄环宽薄管激光的波前畸变,显著提升薄管激光光束质量.     

组合变形镜对板条固体MOPA激光波前畸变校正（英文）

提出了一种利用组合变形镜校正板条MOPA固体激光器像差的方法,并通过实验验证其有效性。通过将一个11单元的一维变形镜和一个67单元的二维变形镜组合,有效降低了单个二维变形镜波前校正过程中驱动器间的电压差,从而提高了二维变形镜的使用安全性,并在一定程度上改善了校正后波前畸变的空间分布,降低了波前畸变残差。实验结果表明,一维变形镜与二维变形镜的组合能高效地校正板条MOPA固体激光器的波前畸变,波前残差均方根值小于0.08μm,远场光束质量因子可达1.67。     

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。     

High-frequency phase recovery of distorted wavefront and analysis on phase correction effect

By constructing a distorted wavefront with random phase screen, the correction process of distorted wavefront has been simulated, and the correction effect of deformable mirror has been simulated and analyzed with the method of high-pass filtering. The variations of correction effect and high-frequency phase distortion have been quantitatively analyzed. The results show that the beam quality of the corrected beam degrades obviously with the increase of high-frequency phase. In addition, a new method has been presented to recover the high-frequency phase of distorted wavefront according to the given intensity distribution and low-frequency phase in near field and the intensity distribution in far field. It shows that the method is very effective to recover the high-frequency phase of distorted wavefront.     

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.     

双变形镜自适应光学系统像差解耦研究

对由大行程变形镜和高空间频率变形镜组成的双变形镜自适应光学系统中的像差解耦原理和限定像差校正算法做了理论分析。认为在高空间频率变形镜的斜率响应矩阵中加入限定像差向量,根据直接斜率法分别计算出两个变形镜的控制电压,可以实现两个变形镜分别对低阶像差和高阶像差的闭环校正。仿真研究了19单元变形镜和61单元变形镜组成的双变形镜自适应光学系统对低阶像差和高阶像差分别校正的情况,结果说明双变形镜自适应光学系统的校正效果与理想行程的单变形镜自适应光学系统的校正效果相当,避免了制作同时具有大行程和高空间频率两个特征的变形镜。     

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。     

高功率光学元件校正波前的梯度均方根指标

对高功率固体激光装置中,光学元件波前经过变形镜校正后的梯度均方根指标开展了研究。建立了变形镜校正效果的等效分解方法,分析了校正波前的部分相干叠加特性,对校正波前的梯度均方根与焦斑尺寸的对应关系进行了研究。解决了在有变形镜校正时,如何制定元件波前梯度均方根指标的问题。研究结果对高功率固体激光装置的光学元件波前指标制定有指导意义。     

双变形镜自适应光学全场补偿模拟

在双变形镜自适应光学系统中 ,实现全场补偿的关键步骤之一是使得变形镜 2上主激光的振幅分布具有信标光振幅分布。根据 Y-G波场恢复理论 ,编制了波前恢复程序 ,研究了实现振幅和相位校正湍流问题。研究表明 ,相对于纯相位补偿 ,全场补偿使得 Strehl比提高了 1 .2 7～ 2 .50倍。在变形镜 1和变形镜 2之间的距离为 1 0 m时 ,也使得 Strehl比提高 1 .1 3～ 1 .50倍。     

四程放大系统腔镜位置变形镜的面形解

 根据在大型高功率固体激光装置中自适应光学技术的应用研究，将变形镜置于腔镜位置，有利于提高自适应光学系统的校正动态范围。基于变口径90°翻转四程放大系统的光路特点，从理论上比较完整地解决了四程放大系统腔镜位置变形镜面形解的存在性问题，并对口径变换比值(缩束比)与面形求解之间的关系问题进行了数值模拟，结果表明:只要缩束比小于1，对应系统连续波前畸变的腔镜位置面形解是存在的，且随着缩束比减小，解的收敛性增强。     

水冷式离焦变形镜技术研究

根据非稳腔薄片激光器腔内离焦的特点和主动校正的应用需求,针对性地设计离焦变形镜,对激光器腔内离焦进行实时补偿。采用压电陶瓷作为驱动器,圆形镜面圆心处设置1个驱动器,圆周上均布4个驱动器的5通道布局模式,仿真分析了筋板厚度和镜片厚度对离焦的校正效果影响,在优化设计的基础上研制出水冷式离焦变形镜,其静态面形PV值为0.34 m,波前动态范围为16 m。在离焦变形镜和二维变形镜组合模式下进行了薄片激光器强光主动光学校正试验,谐振腔腔内像差PV值从6.76减小到1.44,光束质量从19.5提高到6.5,有效地改善了输出光束质量,验证了离焦变形镜对非稳腔薄片激光器离焦校正的有效性和实用性。