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基于橫向壓電變形鏡的超連續(xù)譜激光自適應(yīng)校正技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間:2020-09-25 16:11
   隨著超連續(xù)譜激光輸出功率及光譜范圍的不斷提升,超連續(xù)譜激光在光通信、遙感、主動(dòng)照明、工業(yè)檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用,然而大功率超連續(xù)譜激光光束質(zhì)量一般較差,大大限制了超連續(xù)譜激光的實(shí)際應(yīng)用。引入自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)對(duì)超連續(xù)譜激光畸變波前進(jìn)行補(bǔ)償,是提升超連續(xù)譜激光光束質(zhì)量的一種有效方案。雙壓電變形鏡壓電材料整層粘接,相比傳統(tǒng)變形鏡,其加工更為簡(jiǎn)單,具有成本低、結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn),適于低階像差校正,且易于實(shí)現(xiàn)大校正行程,但采用雙壓電變形鏡對(duì)超連續(xù)譜光源進(jìn)行波前校正的相關(guān)研究很少。本文以超連續(xù)譜激光光束控制為主要研究?jī)?nèi)容,探究了超連續(xù)譜光源輸出的近場(chǎng)波前特性,設(shè)計(jì)加工了針對(duì)離焦、像散為主的低階像差校正的橫向壓電變形鏡,以SPGD算法為優(yōu)化控制算法,搭建無波前探測(cè)閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)變形鏡補(bǔ)償超連續(xù)譜激光像差的能力開展了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。要對(duì)超連續(xù)譜激光光束進(jìn)行控制,首先要明確其波前相位信息。搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)我所自研的一臺(tái)400nm-1700nm超連續(xù)譜光源的近場(chǎng)波前特性進(jìn)行了測(cè)量,該超連續(xù)譜光源在各主要波長(zhǎng)處的像差類型基本一致,以離焦和像散為主。考慮到雙壓電變形鏡特別適合小口徑光學(xué)系統(tǒng)低階像差校正的特點(diǎn),以雙壓電變形鏡結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了針對(duì)低階像差校正,兼具大行程特點(diǎn)的19單元橫向壓電變形鏡。對(duì)其表面變形能力開展仿真研究,變形鏡各電極的形變能力比較均衡,加300V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí),各電極影響函數(shù)的PV值都在1μm左右。然后,依上述設(shè)計(jì)方案加工制造變形鏡實(shí)鏡,測(cè)量了變形鏡主要的性能指標(biāo)參數(shù),300V電壓下,各電極實(shí)際變形量均大幅超過仿真結(jié)果,對(duì)單晶硅鏡面邊緣的松固定方式對(duì)變形鏡行程提升有著顯著效果,調(diào)節(jié)變形鏡邊緣壓緊程度亦能對(duì)變形鏡形變范圍做小幅調(diào)整。變形鏡的頻率響應(yīng)特性也比較優(yōu)秀。隨后,對(duì)SPGD算法控制該變形鏡的可行性、算法收斂速度和校正效果進(jìn)行分析,算法1000次迭代后,波前PV值由校正前的1.135λ減小到0.1526λ,遠(yuǎn)場(chǎng)光斑SR由0.1提升到0.9907,運(yùn)算耗時(shí)約150s,說明了采用SPGD算法控制該變形鏡校正低階像差可行,且快速、有效。最后,以超連續(xù)譜光源、19單元橫向壓電變形鏡、SPGD控制算法、CCD成像器件等為基礎(chǔ)建立閉環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)超連續(xù)譜光源全波長(zhǎng)輸出的閉環(huán)校正,系統(tǒng)閉環(huán)后的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑發(fā)散情況明顯好轉(zhuǎn),表明采用橫向壓電變形鏡補(bǔ)償超連續(xù)譜光源像差,能夠獲得較好的校正效果。
【學(xué)位單位】:國防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位年份】:2017
【中圖分類】:TH744.1
【部分圖文】:

照片,超連續(xù)譜,輸出光譜,照片


圖 1.1 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 177W 超連續(xù)譜輸出光譜圖及測(cè)試照片1.2 超連續(xù)譜激光光束特性相關(guān)研究隨著超連續(xù)譜光源的應(yīng)用日漸廣泛,科研工作者們對(duì)超連續(xù)譜激光的光斑模式、光束質(zhì)量、大氣傳輸?shù)忍匦跃_展了一定研究,試圖了解并控制超連續(xù)譜光源特性,使其能夠更加滿足人們生產(chǎn)生活的需要。國防科技大學(xué)的劉通博士對(duì)可見光超連續(xù)譜近場(chǎng)光斑模式進(jìn)行了測(cè)量:532nm泵浦少模光子晶體光纖時(shí),除泵浦波長(zhǎng)外,各波長(zhǎng)輸出為高階模;532nm 泵浦少

示意圖,凈化原理,光束,示意圖


超連續(xù)譜其他湍流效應(yīng)(光強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究還鮮有報(bào)道。人們雖然已經(jīng)利實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣吸收氣體的測(cè)量,但是湍輸影響的相關(guān)研究還處于起步階段。波前畸變自適應(yīng)校正技術(shù)研究進(jìn)展技術(shù)是一項(xiàng)以光學(xué)波前為控制對(duì)象的主實(shí)時(shí)地感知所發(fā)射或接受的光學(xué)信號(hào)中統(tǒng)本身的特性,來消除這種波前畸變的成接近衍射極限的像或使盡可能多的光否存在波前傳感器,可將其分為無波前 系統(tǒng)[31]一般包括三個(gè)基本組成部分:波工作原理如圖 1.2 所示。探測(cè)器對(duì)光學(xué)控制器根據(jù)波前畸變信息計(jì)算得出校正時(shí)控制。

示意圖,多模光纖,光束,實(shí)驗(yàn)裝置


到民用領(lǐng)域[33]。1985 年中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制的 19 單元激統(tǒng),被用于“神光 I”激光慣性約束聚變(ICF)裝置上[34-35];20 世紀(jì) 90 倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)建立了一個(gè)校正激光像散的 AO 系A(chǔ)O 系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于 CO2氣體激光器腔內(nèi)校正[37]、全固體激光器像及飛秒激光脈沖整形等各類光束控制系統(tǒng)[40-41];2008 年,加拿大 200 ALLS 使用 DM 獲得了超過 1.0×1020W/cm2的峰值功率密度[42],此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),當(dāng)時(shí)處于世界領(lǐng)先地位;2010 年,中國科學(xué)院光電技了 61 單元 AO 系統(tǒng) SPGD 算法動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究[43],校正后遠(yuǎn)場(chǎng)光斑峰10 倍;2012 年,該機(jī)構(gòu)采用端抽運(yùn)的 Nd:YAG 激光器進(jìn)行了板條激光[44],采用 SPDG 優(yōu)化算法,實(shí)現(xiàn)了高效、實(shí)時(shí)的閉環(huán)校正效果;20等[45]采用 SPGD 優(yōu)化算法,利用液晶空間光調(diào)制器對(duì)多模光纖激光化實(shí)驗(yàn),光束凈化后,70%的能量集中在中心主瓣內(nèi),PIB 由 0.08 提高近 9 倍;2013 年,向汝建等[46]針對(duì)固體板條 MOPA 結(jié)構(gòu)激光器進(jìn)主動(dòng)控制研究,研制了大動(dòng)態(tài)范圍空間分辨率 DM,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)光正控制,光束質(zhì)量 β 因子平均值從 7.4 改善到 4.06。

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