Wavefront correction of Ti： sapphire terawatt laser with varying precision of phase conjugation between deformable mirror and wavefront sensor

The phase conjugation between the deformable mirror and the wavefront sensor in the aberration correction of a terawatt Ti:sapphire laser is studied experimentally and theoretically in this paper.At varying values of phaseconjugation precision,we focus the corresponding beams into spots of the same size of 5.1 μm× 5.3 μm with a f/4 parabola in the 32 TW/36 fs Ti:sapphire laser system.The results show that the precision of conjugation can induce an intensity modulation but does not significantly affect the wavefront correction.     

20单元双压电片变形镜的性能测试与闭环校正实验研究

测试了20单元双压电片变形镜的影响函数、变形量-电压特性曲线、面形热稳定性和频率响应特性,并搭建基于20单元双压电片变形镜和13×13阵列哈特曼传感器的自适应光学系统,测试了该变形镜对自身初始面形和静态像差板的闭环校正效果.实验结果表明,各分立电极变形量对加载电压的平均灵敏度为0.57 μm/100 V,离焦电极的灵敏度为1.09 μm/100 V;各电极变形量-电压响应曲线均存在迟滞现象,滞后量在最大变形量的10%以内;在温度引起的双压电片变形镜面形变化中离焦项贡献最大,其变化对温度也最为敏感,在13℃ 关键词： 自适应光学 双压电片变形镜 特性分析 闭环校正     

基于模糊控制的自适应光学校正技术

自适应光学中普遍采用的比例-积分-微分(PID)控制严格依赖于变形镜的响应模型,响应模型的标定非常繁琐且性能容易随时间和温度而漂移.采用模糊控制摆脱了对变形镜响应模型的依赖,通过波面的快速重构,从波面中提取波面评价指标,将该评价指标及其微分作为模糊PID控制器的输入.选择模糊输入和输出论域的隶属度函数,设计出模糊规则库,通过模糊推理、解模糊等过程,对PID控制器的3个参数即比例kp、积分ki和微分kd进行模糊自整定,实现了自适应控制.采用高速数字信号处理器(DSP)设计了硬件验证测试平台,通过该平台的测试,证明该方法有效可行,在不需要变形镜响应矩阵的前提下,能够将光斑的衍射极限倍增因子β值从10—12校正到3—4,与传统的PID控制基本一致,但稳定性更好.因无需标定,故降低了变形镜的安装要求.     

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。     

37单元双压电片变形镜板条激光光束净化

为了校正板条激光器输出光束波前像差,改善输出光束质量,提出了基于37单元双压电片变形镜的板条激光光束净化系统。采用柱面反射式单向扩束器使主振荡功率放大结构板条激光器输出光束尺寸与37单元双压电片变形镜有效口径相匹配,利用随机并行梯度下降算法控制双压电片变形镜面形,进行波前像差闭环校正,校正后光束远场归一化桶中功率提高到净化前的2~3倍。     

37单元双压电片变形镜板条激光光束净化

为了校正板条激光器输出光束波前像差,改善输出光束质量,提出了基于37单元双压电片变形镜的板条激光光束净化系统。采用柱面反射式单向扩束器使主振荡功率放大结构板条激光器输出光束尺寸与37单元双压电片变形镜有效口径相匹配,利用随机并行梯度下降算法控制双压电片变形镜面形,进行波前像差闭环校正,校正后光束远场归一化桶中功率提高到净化前的2~3倍。     

双压电片变形镜像差校正能力

利用实测影响函数,通过数值仿真分析了有效孔径、光束入射角度对于20单元双压电片变形镜像差校正能力的影响。仿真结果表明：有效孔径为16 mm时,变形镜对于各阶像差的校正能力较好;而随着光束入射到变形镜角度的增大,变形镜对于像差的校正精度与校正幅度都会出现下降,但是如果能够将入射角控制在25以内,入射角度对变形镜的像差校正能力影响不大。     

双压电片变形镜像差校正能力

利用实测影响函数,通过数值仿真分析了有效孔径、光束入射角度对于20单元双压电片变形镜像差校正能力的影响。仿真结果表明:有效孔径为16 mm时,变形镜对于各阶像差的校正能力较好;而随着光束入射到变形镜角度的增大,变形镜对于像差的校正精度与校正幅度都会出现下降,但是如果能够将入射角控制在25以内,入射角度对变形镜的像差校正能力影响不大。     

微加工薄膜变形镜本征模分析

介绍了变形镜本征模的构造过程及其特点,分析了从荷兰OKO公司购买的37单元微加工薄膜变形镜的本征模,并用前65阶Zernike多项式分析微加工薄膜变形镜的37阶本征模的特性。搭建了以微加工薄膜变形镜作为波前校正器、变形镜本征模为波前复原控制算法以及高分辨率Shack-Hartmann波前传感器为波前探测器的自适应光学实验系统。实验结果表明：变形镜本征模可以实现模式筛选,也可作为自适应光学系统的波前复原算法。     

Thermal stability test and analysis of a 20-actuator bimorph deformable mirror

One of the important characteristic of adaptive mirrors is the thermal stability of surface flatness. In this paper, the thermal stability from 13℃ to 25℃ of a 20-actuator bimorph deformable mirror is tested by a Shack--Hartmann wavefront sensor. Experimental results show that, the surface P--V of bimorph increases nearly linearly with ambient temperature. The ratio is 0.11μm/℃ and the major component of surface displacement is defocused, compared with which, astigmatism, coma and spherical aberration contribute very small. Besides, a finite element model is built up to analyse the influence of thickness, thermal expansion coefficient and Young's modulus of materials on thermal stability. Calculated results show that bimorph has the best thermal stability when the materials have the same thermal expansion coefficient. And when the thickness ratio of glass to PZT is 3 and Young's modulus ratio is approximately 0.4, the surface instability behaviour of the bimorph manifests itself most severely.     

微机械薄膜变形镜校正性能及控制算法

通过对微机械薄膜变形镜影响函数矩阵的奇异值分解,构建了变形镜可以校正的像差模式空间,分析了变形镜对正交基模式的校正能力和校正范围,提出了一种变形镜闭环迭代控制算法。通过对影响函数矩阵低秩近似的方法滤除校正性能较差的基模式的影响,实现了对畸变像差的有选择校正。以人眼出射波前为对象进行实验,通过比较不同模式项数校正时的效果,确定了最优校正模式项数的范围,通过设置残差容限的方法,消除了人眼晃动和眨眼的影响。实验结果表明:控制算法能通过选择合适的校正项数,提高变形镜的校正性能,并获取到了高清晰度的人眼视网膜图像,为眼科疾病诊断和治疗提供了一种新的观察手段。     

分布式电极连续面型微变形反射镜力电耦合特性分析

针对基于MEMS技术制造的连续面型薄膜微变形反射镜,从薄膜理论出发对其力电耦合变形特性进行理论分析,导出了镜面变形表达式。利用该式及响应频率表达式,定量分析了镜面相关尺寸参数对变形量的关系,为变形镜的结构设计提供了可靠的理论依据。结果表明,当镜面厚度为1 μm且与驱动电极间距20 μm时,对控制电压不超过120 V,响应频率大于50 kHz的应用场合,变形镜镜面半径应在2.1～13.8 mm之间进行选择。仿真结果显示,驱动电压较小时,镜面变形与驱动电压平方近似成线性关系。     

微加工薄膜变形镜特性分析

借助测量微加工薄膜变形镜驱动器的面形影响函数,分析了驱动器的电压-位移函数和驱动器之间的线性叠加性;通过对连续面形变形镜拟合像差的理论分析和实验研究,建立了微加工薄膜变形镜电压解耦模型。分析了对前36阶Zernike模式的拟合残差和拟合能力,指出微加工薄膜变形镜仅可用来拟合低级像差并且有较大的拟合能力和较小的拟合残差,而不能拟合高级像差。     

高功率固体激光构型验证装置波前畸变及补偿特性

为了优化高功率固体激光装置波前补偿系统的设计方案,基于构型验证装置开展了波前测试和补偿实验。实验结果显示,虽然等效钕玻璃片数大大增加,但由于主放采用了"U"型反转器技术,扣除离焦量后的静态和动态波前与原型装置相比没有显著提高,主要变化为离焦分量。若不采取任何补偿措施,会影响激光在前级滤波器的顺利过孔,造成近场缺光现象。实验中,为保证激光在动态发射时顺利过孔,采用了调节透镜的方式,使激光在各级滤波小孔位置有合适的预留量。同时,利用原型装置现有的小口径变形镜对扣除离焦后的像差进行补偿,减小激光在末级滤波小孔位置的像差。综合上述两种方法,成功解决了近场缺光的问题。针对未来高功率固体激光装置,伴随着光束口径和等效钕玻璃片数的增加,主放大器内的像差也会大幅度增加,采用上述调节透镜的方式可能无法兼顾静态和动态两种状态下的通光问题,需要在主放大系统内增加主动补偿措施,为腔镜变形镜的应用提供了实验依据。     

腔内双压电变形镜光强分布优化

报道了把20单元双压电变形镜作为闪光氪灯泵浦的Nd:YAG激光器的腔镜,优化激光器输出光束远场强度分布的实验结果。变形镜由随机并行梯度下降算法控制,以相机采集到的激光束远场环围能量作为算法的评价指标,控制双压电变形镜的面形向远场能量分布更加集中的方向变化。结果表明：系统在20 s内将远场光斑中的多个亮斑校正为单个亮斑,峰值光强与优化前相比提高了5倍;在腔镜倾斜较大时,实验系统将激光器的输出功率由0.006~0.051 W提升至0.330 W,验证了实验系统的有效性。     

腔内双压电变形镜光强分布优化

报道了把20单元双压电变形镜作为闪光氪灯泵浦的Nd:YAG激光器的腔镜,优化激光器输出光束远场强度分布的实验结果。变形镜由随机并行梯度下降算法控制,以相机采集到的激光束远场环围能量作为算法的评价指标,控制双压电变形镜的面形向远场能量分布更加集中的方向变化。结果表明:系统在20 s内将远场光斑中的多个亮斑校正为单个亮斑,峰值光强与优化前相比提高了5倍;在腔镜倾斜较大时,实验系统将激光器的输出功率由0.006~0.051 W提升至0.330 W,验证了实验系统的有效性。     

高功率固体激光构型验证装置波前畸变及补偿特性

为了优化高功率固体激光装置波前补偿系统的设计方案,基于构型验证装置开展了波前测试和补偿实验。实验结果显示,虽然等效钕玻璃片数大大增加,但由于主放采用了“U”型反转器技术,扣除离焦量后的静态和动态波前与原型装置相比没有显著提高,主要变化为离焦分量。若不采取任何补偿措施,会影响激光在前级滤波器的顺利过孔,造成近场缺光现象。实验中,为保证激光在动态发射时顺利过孔,采用了调节透镜的方式,使激光在各级滤波小孔位置有合适的预留量。同时,利用原型装置现有的小口径变形镜对扣除离焦后的像差进行补偿,减小激光在末级滤波小孔位置的像差。综合上述两种方法,成功解决了近场缺光的问题。针对未来高功率固体激光装置,伴随着光束口径和等效钕玻璃片数的增加,主放大器内的像差也会大幅度增加,采用上述调节透镜的方式可能无法兼顾静态和动态两种状态下的通光问题,需要在主放大系统内增加主动补偿措施,为腔镜变形镜的应用提供了实验依据。     

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。     

基于自适应光学技术控制光束近场场强

在双变形镜自适应光学系统中,需要主激光出射时与信标光的振幅分布一致、相位共轭,当主激光到达目标时光波的分布与目标上发射的信标光光波分布相同,主激光的振幅和相位都得到校正。根据双变形镜自适应光学技术的概念,提出一种基于自适应光学技术控制光束近场场强的方法,从而实验验证双变形镜技术的可行性。该方法利用哈特曼传感器探测到的波前信息,对变形镜进行控制,实现了对光束近场场强的控制。仿真结果表明该系统对光束近场强度能进行较好地校正,使校正前后光束振幅的残余均方差值从0.310 0降为0.052 2,同时实验也验证了这种方法的可行性。     

快速响应的硅基纯相位液晶器件对动态大气湍流波前的校正能力研究

液晶相位调制器的响应时间延迟是影响液晶自适应光学系统性能的一个主要因素, 为了提高系统的响应速度, 开发了一种快速响应的向列相液晶材料, 并制成了反射式硅基液晶器件(LCOS). 分析了该LCOS的相位调制特性及其对静态畸变波前和扰动波前的校正能力. 首先, 测量了LCOS的电光响应特性, 得出其780 nm相位调制量的响应时间为2 ms. 其次, 测量了LCOS的相位调制特性, 并对相位调制进行了线性化处理. 再次, 测量了用该LCOS搭建的液晶自适应光学系统的闭环和开环3 dB带宽, 它们分别为16和18 Hz. 最后, 给出了开环液晶自适应光学系统校正大气湍流的数值模拟结果, 结果表明. 系统的Strehl比由校正前的0.025上升到了校正后的0.225. 因此, 该液晶自适应光学系统可以对Greenwood频率为30 Hz以下的大气湍流进行较良好的校正.