AO算法改善波前整形技术

光场调控中的波前整形技术解决了相干光透过无序散射介质聚焦问题,以迭代优化方法简化实验装置,以达到加强对漫射光的控制目的。引入AO算法对入射波前进行处理,实现对波前整形技术的改善。实验中进行了与标准粒子群算法(PSO)、灰狼算法(GWO)这类群体智能优化算法的比较,AO算法改善后的波前整形技术具备更佳光学聚焦能力。研究表明,与标准粒子群算法和灰狼算法相比,经过AO算法改善后波前整形技术可得到更高的目标光强值,取得更好的散斑聚焦效果。     

自适应光学技术在惯性约束聚变领域应用的新进展

在惯性约束聚变(ICF)领域,采用自适应光学(AO)技术进行波前控制是解决ICF激光系统中光束质量问题的重要手段.报道了"神光Ⅲ"原型装置中8套工程化自适应光学系统、未来ICF系统发展所需的大口径可拆卸变形镜(DM)样镜研制以及ICF自适应光学波前控制技术的最新研究进展.8套工程化自适应光学系统在"神光Ⅲ"原型装置上实现了到靶点的全系统静态像差校正,改善了靶点焦斑能量分布,验证了校正对打靶时X射线分布的改善效果.所研制的17单元大口径可拆卸变形镜的口径为284 mm×284 mm,行程大于±6μm,谐振频率大于500 Hz.在ICF自适应光学波前控制技术中,采用了基于哈特曼传感器近场相位测量的控制方法和基于靶室远场的随机并行梯度下降(SPGD)控制方法均能取得良好的校正性能.     

遗传算法在激光整形中的应用

同爬山算法相比,遗传算法具有全局优化能力,为了研究遗传算法的波前整形能力,利用32单元变形镜和12项Zernike多项式构成的畸变波前建立了激光波前整形系统仿真模型。基于Zernike多项式的单位正交性特点,得到了两个常数矩阵,简化了算法的运算过程,加快了算法运行时间。然后分别对遗传1000,10000和100000代后的斯特列尔比和整形效果进行了模拟仿真,仿真结果为:进行100000代遗传后,遗传算法可分别将初始畸变波前的斯特列尔比从0.3771整形到0.9049,波前峰谷值从0.8078λ整形到0.3758λ,均方根从0.1572λ整形到0.0503λ,并且随着遗传代数的增加,斯特列尔比逐渐和整形效果均逐渐趋于最优,进一步表明遗传算法是一种优化逼近控制算法,可以通过对变形镜驱动电压的优化控制来实现波前整形,为遗传算法应用于波前整形技术中提供了理论依据。     

时域与空域结合实现光束匀滑的光谱优化分析

为改善焦斑的均匀性以应用于惯性约束聚变(ICF)的实验,从焦斑形态的控制出发,在随机相位板(RPP)和连续相位板(CPP)做空域整形下,用同样带宽和最大谱色散角,模拟了不同光谱形状的匀滑效果,通过焦斑强度的功率谱密度(PSD)和平顶的均方根(RMS)对获得的焦斑进行评价.结果表明,改善光谱形状可以提高匀滑效率,优化光谱相对主流的正弦调频光谱对匀滑效果的均方根值可提高43.7%.同时,设计相位板时考虑焦斑上不同空间频率的权重,有利于匀滑.     

基于多步相位恢复的激光远场焦斑测量方法

为了实现激光远场焦斑的高精度测量,提出一种基于多步相位恢复的激光远场焦斑测量方法。理论推导了基于多步相位恢复的激光远场焦斑重构模型,其中为了解决焦斑计算中出现的欠采样问题,引入了线性调频z变换(CZT)技术,相较于传统的快速傅里叶变换(FFT)补零计算,此方法避免了计算冗余。同时,提出一种基于多步相位恢复的激光远场焦斑重构算法,并仿真分析了扫描步长和探测位置数对所提方法收敛性的影响,确定了最佳扫描步长和探测位置数。为了验证所提方法的有效性,搭建了基于纯相位型液晶空间光调制器(SLM)的实验验证装置,实验结果和理论值的相关系数为0.9976。同时,所提方法与传统长焦距透镜成像法相比,测量精度更高,可为激光远场焦斑高精度测量提供一种技术手段。     

激光光束的整形技术

本文简要概括了激光光束整形技术的发展和研究现状。就几种典型的光束整形技术,如非球面透镜组整形、微透镜阵列整形、衍射光学元件整形、双折射透镜组整形、液晶空间光调制器和圆锥镜等整形技术作了分类评述和讨论。介绍了各种整形的技术特点和实现方法,指出了这些整形技术尚待解决的一些问题,并展望了它们的可能应用领域和发展前景。     

光谱色散平滑的实验研究

为提高国内惯性约束聚变(ICF)装置的焦斑平滑能力,在对光谱色散平滑(SSD)技术理论分析的基础上,开展相关实验并研究其平滑机制。实验结合另一种焦斑平滑技术———分布式相位板(DPP)比较分析光谱色散平滑技术应用下的焦斑均匀性的变化。实验表明,利用光谱色散平滑技术中的正弦相位调制对光谱展宽并色散后,在色散方向上的焦斑均匀性有明显改善,120μm内的光强调制被平滑,其平滑能力依赖于光谱色散平滑技术参量的选择;焦斑的低频光谱强度变化很小,但中高频光谱强度下降,焦斑质量有良好的改善,焦斑的不均匀性从40%降低到12.5%。结果还表明,光谱色散平滑技术中的关键是色循环的产生,光谱本身加宽产生的平滑作用非常有限。     

方口径压电薄膜变形镜夹持应力控制研究

基于有限元方法,以三点夹持为例,对压电薄膜变形镜(PFDM)的工作特性进行了仿真分析,发现变形镜与镜框之间因夹持带来的接触应力会导致镜面变形与电压之间呈现非线性变化。针对这一问题,提出了两种改进方式,仿真结果表明,两种改进方式均能够有效改善变形镜的非线性响应问题。     

61单元分立式压电变形反射镜的研制

用于校正波前误差的61单元分立式压电变形反射镜是61单元自适应光学系统（AO）的关键器件之一。由于系统对单元数（61单元）和变形量（±3μm）的要求超过以往曾研制的变形镜，对研制工作带来许多困难。我们从理论分析到工艺研究采取措施，使研制的变形镜成功用于AO系统实验。     

分布式相位板联合二维谱色散匀滑的实验研究

在神光II九路装置上,利用谱色散匀滑(SSD)技术结合分布式相位板(DPP)技术,研究了激光焦斑在一维、二维谱色散匀滑下的分布。结果表明,一维谱色散匀滑使焦斑的焦斑通量对比度由0.7634[均方根(RMS)]下降到0.3685(RMS),结合二维匀滑下降到0.2638(RMS);并结合各种评价方法对焦斑进行分析。实验为谱色散匀滑技术在神光II在线应用提供了参考。     

基于电荷驱动的多通道压电变形镜电源设计

压电变形镜具有频率响应高,变形量大,稳定性好等优点,已广泛应用于自适应光学领域,但因在电压驱动方式下压电材料迟滞特性较大,使压电变形镜的精确控制难。为降低压电变形镜的迟滞影响,设计了一种基于电荷驱动的多通道压电变形镜驱动电源,介绍了驱动电源的构成及原理,并搭建了一套基于夏克哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台来验证驱动电源的性能。实验结果表明,该驱动电源可有效降低压电变形镜的迟滞效应,整体迟滞约1%,镜面变形的分辨率均方根误差(RMS)值约1.1 nm,能够满足在自适应光学领域对多通道压电变形镜精确控制的要求。     

913单元变形镜性能测试与分析

为了满足自适应光学系统校正高阶像差和在低温环境下正常使用的要求,研制了一块913单元的分立式连续表面变形镜。利用?300mm口径Veeco干涉仪对变形镜的部分静态性能进行了面形影响函数测量、面形展平测试和Zernike像差拟合测试,并利用4-D动态干涉仪测量了变形镜从20℃~-10℃的面形。结果表明,913单元分立式连续表面变形镜各驱动点的最大变形量为±3.5μm,相邻驱动器之间的交连值为9.3%;展平后的镜面面形波峰波谷值为66.0nm,均方根值为5.0nm;913单元变形镜对Zernike多项式的拟合能力达到了设计要求;变形镜的低温镜面变形不影响系统的正常使用。该913单元变形镜能够满足自适应光学系统的实际使用要求。     

层向多层共轭自适应光学系统的模拟

单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理,研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟,内容包括:如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真,仿真结果表明:层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流,比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。     

基于SPGD算法的激光大气传输湍流效应校正的初步研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是近年来广泛发展的一种无模型优化控制算法,它具有速度快、无需信标光等优点,得以运用于自适应光学系统中.利用相位屏法数值模拟激光大气传输过程,以61单元变形镜为校正器,采用SPGD算法对激光大气传输湍流效应进行了初步校正研究,研究表明: SPGD算法可以用在自适应光学系统中用于校正激光大气传输湍流效应引起的畸变,且不同参数如扰动幅度值、增益系数的选取对校正效果有一定影响,文中给出了不同传输情况下的仿真计算结果.     

Decentralized Youla parameterized adaptive regulation with application to surface shape control for magnetic fluid deformable mirrors

The magnetic fluid deformable mirror (MFDM) is a new type of wavefront corrector which has advantages compared to conventional wavefront correctors, such as higher stroke and lower fabrication cost. In this paper, a Youla (Q) parameterized adaptive regulation approach is proposed for the MFDM to correct both random and deterministic dynamic aberrations based on the dynamic model of the MFDM. The parameter Q is tuned online by a recursive least squares (RLS) algorithm so that it converges to the desired value. An adaptive optical system with a prototype MFDM is setup to verify the effectiveness of the adaptive controller. The control performance is also compared with a H_∞ controller to show the improvement of the wavefront residue RMS error. The result illustrates that the proposed adaptive control method can effectively control the mirror surface for the unknown dynamic aberration correction, especially to the deterministic disturbances in adaptive optics systems.     

横向压电驱动变形镜的迟滞特性及其闭环校正

横向压电驱动变形镜在自适应光学系统中应用广泛,其利用了压电陶瓷的横向逆压电效应驱动镜片实现变形。在高电场强度下变形镜迟滞曲线存在特殊的蝴蝶形,增加了控制难度,且变形镜无法正常工作。针对这一问题利用压电陶瓷极化及铁电材料的电滞回线理论进行了分析,明确了蝶形曲线产生的原因。通过实验确定了变形镜矫顽场强度在-500~-400 V/mm之间,迟滞曲线回归一般的柳叶形状。根据迟滞曲线的特点设计了静态的PID闭环校正系统,并进行了校正实验。结果表明,闭环校正后线性度得到明显提升,迟滞率可降低至1.8%。     

腔镜位置变形镜波前补偿与实验研究

在多程放大系统中,激光一般要经过腔反射镜两次,将变形镜置于腔反射镜位置能够有效提高其校正量.在某些多程放大系统设计过程中,为了降低输出端激光的像差,采用了90°旋转的"U"型反转器和变口径技术,激光两次经过腔反射镜的位置和坐标关系都发生了变化.采用数学的方法对这种情况下腔反射镜位置的面形解存在性进行了证明,并在带有90°旋转"U"型反转器的星光-拍瓦(XG-PW)装置上对腔反射镜位置大口径变形镜的应用进行了实验验证.理论和实验研究结果为后续大型激光装置的自适应光学波前补偿方案设计提供了依据.     

Magnetic fluid based deformable mirror for aberration correction of liquid telescope

A magnetic fluid based deformable mirror (MFDM) that could produce a large stroke more than 100 μm is designed and demonstrated experimentally with respect to the characteristics of the aberration of the liquid telescope. Its aberration correction performance is verified by the co-simulation using COMSOL and MATLAB. Furthermore, the stroke performance of the MFDM and the decentralized linear quadratic Gaussian (LQG) mirror surface control approach are experimentally evaluated with a prototype of MFDM in an adaptive optics system to show its potential application for the large aberration correction of liquid telescopes.     

人眼波前畸变的实时动态校正

以自适应光学技术为基础塔建了高分辨视网膜成像系统.利用微变形反射镜(DMs)作为波前校正器件,将镜面的形貌、波前及镜面的响应函数表示为泽尼克Zernike多项式的线性组合,利用直接迭代算法及控制电压矩阵改变镜面形貌,从而实现对眼睛波前畸变的适时校正.校正后残余误差的平方根值小于λ/7,接近衍射的极限分辨率.实验表明此闭环系统带宽小于5 Hz,能校正多数情况下眼睛的动态波前畸变,能对眼科医学的诊断提供一定的帮助.     

无波前传感自适应光学技术及其在大气光通信中的应用

无波前传感自适应光学(AO)系统不依赖波前传感器可直接对系统性能进行优化。基于随机并行梯度下降(SPGD)算法,32单元变形镜,CCD成像器件等建立了无波前传感自适应光学系统实验平台。实验结果表明,参量选取合适时,系统对畸变波前具有较好的校正能力,但受限于较低的CCD采样频率,仅能校正静态或缓慢变化的像差。根据实验结果讨论了基于随机并行梯度下降控制算法的无波前传感自适应光学技术在大气光通信中的应用可能和应用方法,指出采用高速光电探测器件、高速数据处理及响应速度高的波前校正器与随机并行梯度下降算法相配合可用于补偿大气光通信中的大气湍流扰动。