基于横向压电变形镜的超连续谱激光自适应校正技术研究

发布时间：2020-09-25 16:11

　　随着超连续谱激光输出功率及光谱范围的不断提升,超连续谱激光在光通信、遥感、主动照明、工业检测等多个领域发挥着越来越重要的作用,然而大功率超连续谱激光光束质量一般较差,大大限制了超连续谱激光的实际应用。引入自适应光学技术对超连续谱激光畸变波前进行补偿,是提升超连续谱激光光束质量的一种有效方案。双压电变形镜压电材料整层粘接,相比传统变形镜,其加工更为简单,具有成本低、结构灵活的特点,适于低阶像差校正,且易于实现大校正行程,但采用双压电变形镜对超连续谱光源进行波前校正的相关研究很少。本文以超连续谱激光光束控制为主要研究内容,探究了超连续谱光源输出的近场波前特性,设计加工了针对离焦、像散为主的低阶像差校正的横向压电变形镜,以SPGD算法为优化控制算法,搭建无波前探测闭环系统对变形镜补偿超连续谱激光像差的能力开展了仿真与实验研究。要对超连续谱激光光束进行控制,首先要明确其波前相位信息。搭建实验测量系统对我所自研的一台400nm-1700nm超连续谱光源的近场波前特性进行了测量,该超连续谱光源在各主要波长处的像差类型基本一致,以离焦和像散为主。考虑到双压电变形镜特别适合小口径光学系统低阶像差校正的特点,以双压电变形镜结构为基础,设计了针对低阶像差校正,兼具大行程特点的19单元横向压电变形镜。对其表面变形能力开展仿真研究,变形镜各电极的形变能力比较均衡,加300V驱动电压时,各电极影响函数的PV值都在1μm左右。然后,依上述设计方案加工制造变形镜实镜,测量了变形镜主要的性能指标参数,300V电压下,各电极实际变形量均大幅超过仿真结果,对单晶硅镜面边缘的松固定方式对变形镜行程提升有着显著效果,调节变形镜边缘压紧程度亦能对变形镜形变范围做小幅调整。变形镜的频率响应特性也比较优秀。随后,对SPGD算法控制该变形镜的可行性、算法收敛速度和校正效果进行分析,算法1000次迭代后,波前PV值由校正前的1.135λ减小到0.1526λ,远场光斑SR由0.1提升到0.9907,运算耗时约150s,说明了采用SPGD算法控制该变形镜校正低阶像差可行,且快速、有效。最后,以超连续谱光源、19单元横向压电变形镜、SPGD控制算法、CCD成像器件等为基础建立闭环实验平台,实现了对超连续谱光源全波长输出的闭环校正,系统闭环后的远场光斑发散情况明显好转,表明采用横向压电变形镜补偿超连续谱光源像差,能够获得较好的校正效果。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH744.1
【部分图文】：

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图 1.1 国防科学技术大学 177W 超连续谱输出光谱图及测试照片1.2 超连续谱激光光束特性相关研究随着超连续谱光源的应用日渐广泛，科研工作者们对超连续谱激光的光斑模式、光束质量、大气传输等特性均开展了一定研究，试图了解并控制超连续谱光源特性，使其能够更加满足人们生产生活的需要。国防科技大学的刘通博士对可见光超连续谱近场光斑模式进行了测量：532nm泵浦少模光子晶体光纤时，除泵浦波长外，各波长输出为高阶模；532nm 泵浦少

示意图,净化原理,光束,示意图

超连续谱其他湍流效应（光强实验研究还鲜有报道。人们虽然已经利实现了对大气吸收气体的测量，但是湍输影响的相关研究还处于起步阶段。波前畸变自适应校正技术研究进展技术是一项以光学波前为控制对象的主实时地感知所发射或接受的光学信号中统本身的特性，来消除这种波前畸变的成接近衍射极限的像或使尽可能多的光否存在波前传感器，可将其分为无波前系统[31]一般包括三个基本组成部分：波工作原理如图 1.2 所示。探测器对光学控制器根据波前畸变信息计算得出校正时控制。

示意图,多模光纤,光束,实验装置

到民用领域[33]。1985 年中国科学院光电技术研究所研制的 19 单元激统，被用于“神光 I”激光惯性约束聚变(ICF)装置上[34-35]；20 世纪 90 伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)建立了一个校正激光像散的 AO 系AO 系统被广泛应用于 CO2气体激光器腔内校正[37]、全固体激光器像及飞秒激光脉冲整形等各类光束控制系统[40-41]；2008 年，加拿大 200 ALLS 使用 DM 获得了超过 1.0×1020W/cm2的峰值功率密度[42]，此项关键技术，当时处于世界领先地位；2010 年，中国科学院光电技了 61 单元 AO 系统 SPGD 算法动态实验研究[43]，校正后远场光斑峰10 倍；2012 年，该机构采用端抽运的 Nd:YAG 激光器进行了板条激光[44]，采用 SPDG 优化算法，实现了高效、实时的闭环校正效果；20等[45]采用 SPGD 优化算法，利用液晶空间光调制器对多模光纤激光化实验，光束净化后，70%的能量集中在中心主瓣内，PIB 由 0.08 提高近 9 倍;2013 年，向汝建等[46]针对固体板条 MOPA 结构激光器进主动控制研究,研制了大动态范围空间分辨率 DM，设计实现了强光正控制，光束质量 β 因子平均值从 7.4 改善到 4.06。

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