【摘要】：隨著固體激光系統(tǒng)的泵浦技術(shù)、冷卻技術(shù)以及板條介質(zhì)生產(chǎn)、加工技術(shù)的發(fā)展,基于固體板條MOPA構(gòu)型的大型高能固體激光系統(tǒng)研制和應(yīng)用成為了研究的熱點(diǎn)。由于MOPA構(gòu)型高能固體激光單鏈路功率無法達(dá)到應(yīng)用要求,需采用多路合成實(shí)現(xiàn)更高功率輸出,MOPA構(gòu)型高能固體激光單路及多路合成系統(tǒng)的光束質(zhì)量控制是目前國際上攻關(guān)的重點(diǎn)方向,也是業(yè)界公認(rèn)的難題。本文聚焦于高能固體板條激光系統(tǒng)光束質(zhì)量的主動(dòng)控制技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究。鑒于子束光束波前畸變對合成光束質(zhì)量的巨大影響,本文在分析多鏈路合束對子束光束質(zhì)量和波前空間分布基本要求的基礎(chǔ)上,著重研究高能固體板條激光光束質(zhì)量退化規(guī)律、波前畸變測量分析方法、波面實(shí)時(shí)共軛校正等技術(shù),理論分析、仿真分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合,研究高能固體激光光束質(zhì)量主動(dòng)控制技術(shù)解決方案,并最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證方法的可行性。本文主要研究了以下問題并給出了自己的研究結(jié)論。獲得MOPA構(gòu)型高能板條固體激光輸出波面特性及規(guī)律認(rèn)識(shí)。對高能固體板條激光系統(tǒng)光束波前畸變時(shí)空特性進(jìn)行測量、分析,獲得了典型的MOPA單鏈路輸出光束的波前畸變時(shí)間頻率主要為小于10Hz的低頻成分、波前畸變的空間分布在板條介質(zhì)截面長度方向上存在較大幅度的褶皺形分布以及波前畸變局部梯度大和像差模式構(gòu)成等規(guī)律,為制定優(yōu)化的波前校正策略提供支撐作用。研究了板條固體激光超高分辨率波前測量及大規(guī)模子孔徑HS-WFS的波前重構(gòu)方法。結(jié)合高能固體板條激光系統(tǒng)光束波前畸變的動(dòng)態(tài)范圍大、存在較大局部斜率的波前畸變特性測量分析需求,研究帶縮束器的HS-WFS空間頻譜特性,通過仿真分析獲得了微透鏡空間頻率與可測量的像差模式的關(guān)系。研究了基于FFT的超大規(guī)模、超高分辨率的波前重構(gòu)算法,解決超大規(guī)模子孔徑、超高空間分辨率HS-WFS波前重構(gòu)速度和系統(tǒng)資源需求大的問題,并基于這些方法研制了相關(guān)波前畸變測量分析設(shè)備,為增益模塊透射波前畸變測量、分析以及控制提供了重要的工具。定量研究了光束合成對子束的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)(AO)波面校正的要求。研制了光束傳輸仿真模擬軟件,模擬子束不同的波前殘差模式構(gòu)成對合束光束質(zhì)量的影響進(jìn)行研究。獲得了AO系統(tǒng)對子束光束質(zhì)量主動(dòng)控制的主要目標(biāo),即確保子束β足夠小并確保低階像差被有效校正。研究結(jié)果表明,AO系統(tǒng)對子束波前畸變中(6,6)階及以下低階像差模式進(jìn)行有效校正后,如果波前畸變殘差滿足RMS0.1λ, PV0.5λ且βsub3,則采用3×3或2×2合束后光束質(zhì)量β5的概率可在95%以上。研究了傳統(tǒng)的AO系統(tǒng)面形響應(yīng)函數(shù)標(biāo)校過程中存在的誤差及其影響,提出了一種離線標(biāo)校、在線定位的AO系統(tǒng)高效校準(zhǔn)方法,提高光束凈化型AO系統(tǒng)的標(biāo)定精度和效率,并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了這一方法的有效性和實(shí)用性。針對高能固體板條系統(tǒng)輸出光束波前畸變的空間分布特征,有針對性的提出了一維變形鏡的設(shè)計(jì)與校正方法。通過實(shí)際應(yīng)用,證明在MOPA板條高能固體激光系統(tǒng)中,利用一維變形鏡實(shí)現(xiàn)對激光波面像差校正的有效性；進(jìn)一步研究了一維變形鏡與二維變形鏡組合實(shí)現(xiàn)高精度校正的技術(shù)方法,仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果都表明這一方法在保護(hù)變形鏡、降低變形鏡使用安全風(fēng)險(xiǎn)和降低波前殘差等方面具有較好的應(yīng)用效果。研究了波前過采樣實(shí)現(xiàn)MOPA型固體激光高精度波前校正方法,給出了AO系統(tǒng)指標(biāo)匹配關(guān)系及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。針對高能固體板條激光光束波前畸變的空間分布特性,提出了基于波前過采樣的AO系統(tǒng)參數(shù)匹配方案,以波前重構(gòu)矩陣條件數(shù)為優(yōu)化目標(biāo),給出波前過采樣AO系統(tǒng)的子孔徑數(shù)目與作動(dòng)器數(shù)目的優(yōu)化匹配關(guān)系。針對實(shí)際AO系統(tǒng)閉環(huán)控制過程中出現(xiàn)的子孔徑缺失的問題,提出了子孔徑斜率置零和動(dòng)態(tài)裁剪變形鏡響應(yīng)函數(shù)的處理方式,仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果都證明的該方法的正確性和有效性。本文搭建了多套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),在強(qiáng)光條件下應(yīng)用本文所研究波前測量和校正方法,獲得了對高能固體板條激光器的連續(xù)穩(wěn)定閉環(huán)校正,在開環(huán)光束質(zhì)量β值約7-9的條件下,閉環(huán)后單路輸出光束質(zhì)量β3,β最小值達(dá)到1.67,波前殘差中,空間低階模式成分和時(shí)間低頻成分被有效的校正,為多光束的合成奠定了重要基礎(chǔ)
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN248
【圖文】：

圖１．１氋能固體激光系統(tǒng)能力持續(xù)發(fā)展過程逡逑盡管通過多束合成可１：＾解決光束能量／功率的需求，但受固體激光增益介質(zhì)在高能逡逑量密度粟浦條件下波前崎變的制約，隨著固體激光系統(tǒng)輸出功率／能量的不斷提升，影逡逑響激光應(yīng)用效果的光束質(zhì)量問題越來越難Ｗ克服，特別是參與合束子束的光束質(zhì)量現(xiàn)已逡逑成為固體激光系統(tǒng)走向工程應(yīng)用的最后一道、也是最難的一道技術(shù)障礙。逡逑

光增益介質(zhì)在累浦條件下的崎變對信標(biāo)激光的影響，來測量并替代諧振腔內(nèi)的主激光波逡逑前崎變，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)對探測激光進(jìn)行補(bǔ)償后，測量主激光光束參數(shù)，其系統(tǒng)架逡逑構(gòu)如圖１．９所示。很顯然，該系統(tǒng)的閉環(huán)校正是基于ＨＳ－ＷＦＳ波前測量并通過一定的波逡逑前重構(gòu)算法進(jìn)行反饋進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的。相對于沒有Ａ０系統(tǒng)校正的輸出參數(shù)，校正逡逑后激光器激輸出功率提高３倍，光束質(zhì)量也有較大幅度改善，基本驗(yàn)證了諧振腔模式逡逑下，基與波前探測的ＡＯ系統(tǒng)校正策略的可行性，該系統(tǒng)在Ａ０未校正和校正后的輸出逡逑光束遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布如圖１．１０所示。逡逑１邐韋邋ｅｏｎｉｐａｃｒ＇＇］逡逑Ｉ逡逑ＤＭ邐ｂｅａｍ邋ｅｘｐａｎｄｅｒ邐ｏｕｔｐｕｔ邋ｎｕｒｒａｒ逡逑Ｉ邋：／「－廣７！寒邋Ｉ逡逑Ｉ邋／邋ｒ邋—巧邋１�。蓿澹坼澹鳎佩义希蛇姡骰澹麇�。邐；邋＇邋＇邋Ｉ邐ｒ}0逡逑圖１．９楊振剛等人的腔內(nèi)ＡＯ系統(tǒng)示意圖逡逑Ｂｎ逡逑（ａ）Ａ０校正前邐作）ＡＯ校正肩逡逑圖１．１０腔內(nèi)ＡＯ校正效果逡逑２００６年和２０１０年間，中物院分別于在研制的ＳＩＬＥＸ－Ｉ裝置（超短脈沖激光）上逡逑開展了全系統(tǒng)波前崎變校正的實(shí)驗(yàn)研究ｔｉＷＷ，在試驗(yàn)中驗(yàn)證了邋ＡＯ系統(tǒng)對主激光的波逡逑前空間分布、焦斑光強(qiáng)分布的改善效果，并最終提升了鞭目y區(qū)域光斑能量集中度。相逡逑關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)ＡＯ系統(tǒng)校正后，光束的波前崎變殘差ＰＶ值約為化４３８ｙｍ，均逡逑方根值（ＲＭＳ）約為０．０５２ｕｍ

邐ｒｅｎｔｍｉｄｓ逡逑圖２．２平面波前和巧變波前在ＨＳ－ＷＦＳ子孔徑內(nèi)光斑質(zhì)也偏移示意圖逡逑如圖２．２所示，在入射光波前沒有受到擾動(dòng)（保持等相位面為平面）時(shí)，透過微透逡逑鏡陣列后，在成像器件上會(huì)可獲得排布均勻、間隔相等的二維光斑陣列，通過系統(tǒng)標(biāo)校，逡逑此時(shí)每個(gè)子孔徑（微透鏡）焦斑的位置就是理想波面質(zhì)必位置，也成為參考位置。逡逑當(dāng)入射光束波前受到光源內(nèi)部或傳輸路徑上的擾動(dòng)產(chǎn)生崎變（不再是平面）時(shí)，假逡逑設(shè)微透鏡足夠�。ǹ臻g分辨率足夠高），單個(gè)子孔徑（微透鏡）對應(yīng)的局部波前可Ｗ用逡逑一個(gè)只有Ｘ、ｙ方向傾斜的小平面替代，則該子孔徑對入射光束采樣后，在其對應(yīng)的圖逡逑像象區(qū)域的光斑就會(huì)出現(xiàn)偏移參考位置，光斑與參考位置的偏移量在計(jì)算過程中采用焦逡逑斑質(zhì)也（強(qiáng)度一階矩）與理想位置差表征。逡逑ＨＳ－ＷＦＳ焦斑陣列處理過程中，子孔徑的焦斑強(qiáng)度分布質(zhì)也可用下式計(jì)算：逡逑＇ＹｊＸｙＰｙ邐＾ｙｉＪ＾Ｕ逡逑、節(jié)邋Ｙｃ—－古邐口－１）逡逑ｉｊ邐ｉｊ逡逑式中

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王三宏;梁永輝;馬浩統(tǒng);許曉軍;于起峰;;隨機(jī)并行梯度下降自適應(yīng)光學(xué)對主振蕩功率放大器激光系統(tǒng)的光束凈化實(shí)驗(yàn)[J];中國激光;2009年10期

2 馬慧敏;張鵬飛;張京會(huì);范承玉;王英儉;;自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)并行梯度下降算法[J];強(qiáng)激光與粒子束;2010年06期

本文編號：2797786