高能固体板条激光器光束质量主动控制技术研究

发布时间：2020-08-20 08:54

【摘要】：随着固体激光系统的泵浦技术、冷却技术以及板条介质生产、加工技术的发展,基于固体板条MOPA构型的大型高能固体激光系统研制和应用成为了研究的热点。由于MOPA构型高能固体激光单链路功率无法达到应用要求,需采用多路合成实现更高功率输出,MOPA构型高能固体激光单路及多路合成系统的光束质量控制是目前国际上攻关的重点方向,也是业界公认的难题。本文聚焦于高能固体板条激光系统光束质量的主动控制技术及实验研究。鉴于子束光束波前畸变对合成光束质量的巨大影响,本文在分析多链路合束对子束光束质量和波前空间分布基本要求的基础上,着重研究高能固体板条激光光束质量退化规律、波前畸变测量分析方法、波面实时共轭校正等技术,理论分析、仿真分析与试验研究相结合,研究高能固体激光光束质量主动控制技术解决方案,并最终通过试验验证方法的可行性。本文主要研究了以下问题并给出了自己的研究结论。获得MOPA构型高能板条固体激光输出波面特性及规律认识。对高能固体板条激光系统光束波前畸变时空特性进行测量、分析,获得了典型的MOPA单链路输出光束的波前畸变时间频率主要为小于10Hz的低频成分、波前畸变的空间分布在板条介质截面长度方向上存在较大幅度的褶皱形分布以及波前畸变局部梯度大和像差模式构成等规律,为制定优化的波前校正策略提供支撑作用。研究了板条固体激光超高分辨率波前测量及大规模子孔径HS-WFS的波前重构方法。结合高能固体板条激光系统光束波前畸变的动态范围大、存在较大局部斜率的波前畸变特性测量分析需求,研究带缩束器的HS-WFS空间频谱特性,通过仿真分析获得了微透镜空间频率与可测量的像差模式的关系。研究了基于FFT的超大规模、超高分辨率的波前重构算法,解决超大规模子孔径、超高空间分辨率HS-WFS波前重构速度和系统资源需求大的问题,并基于这些方法研制了相关波前畸变测量分析设备,为增益模块透射波前畸变测量、分析以及控制提供了重要的工具。定量研究了光束合成对子束的自适应光学系统(AO)波面校正的要求。研制了光束传输仿真模拟软件,模拟子束不同的波前残差模式构成对合束光束质量的影响进行研究。获得了AO系统对子束光束质量主动控制的主要目标,即确保子束β足够小并确保低阶像差被有效校正。研究结果表明,AO系统对子束波前畸变中(6,6)阶及以下低阶像差模式进行有效校正后,如果波前畸变残差满足RMS0.1λ, PV0.5λ且βsub3,则采用3×3或2×2合束后光束质量β5的概率可在95%以上。研究了传统的AO系统面形响应函数标校过程中存在的误差及其影响,提出了一种离线标校、在线定位的AO系统高效校准方法,提高光束净化型AO系统的标定精度和效率,并通过仿真和试验验证了这一方法的有效性和实用性。针对高能固体板条系统输出光束波前畸变的空间分布特征,有针对性的提出了一维变形镜的设计与校正方法。通过实际应用,证明在MOPA板条高能固体激光系统中,利用一维变形镜实现对激光波面像差校正的有效性；进一步研究了一维变形镜与二维变形镜组合实现高精度校正的技术方法,仿真分析和试验结果都表明这一方法在保护变形镜、降低变形镜使用安全风险和降低波前残差等方面具有较好的应用效果。研究了波前过采样实现MOPA型固体激光高精度波前校正方法,给出了AO系统指标匹配关系及优化设计方法。针对高能固体板条激光光束波前畸变的空间分布特性,提出了基于波前过采样的AO系统参数匹配方案,以波前重构矩阵条件数为优化目标,给出波前过采样AO系统的子孔径数目与作动器数目的优化匹配关系。针对实际AO系统闭环控制过程中出现的子孔径缺失的问题,提出了子孔径斜率置零和动态裁剪变形镜响应函数的处理方式,仿真分析和试验结果都证明的该方法的正确性和有效性。本文搭建了多套自适应光学系统,在强光条件下应用本文所研究波前测量和校正方法,获得了对高能固体板条激光器的连续稳定闭环校正,在开环光束质量β值约7-9的条件下,闭环后单路输出光束质量β3,β最小值达到1.67,波前残差中,空间低阶模式成分和时间低频成分被有效的校正,为多光束的合成奠定了重要基础
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248
【图文】：

能量图,固体激光系统,固体激光,能量

图１．１氋能固体激光系统能力持续发展过程逡逑尽管通过多束合成可１：＾解决光束能量／功率的需求，但受固体激光增益介质在高能逡逑量密度粟浦条件下波前崎变的制约，随着固体激光系统输出功率／能量的不断提升，影逡逑响激光应用效果的光束质量问题越来越难Ｗ克服，特别是参与合束子束的光束质量现已逡逑成为固体激光系统走向工程应用的最后一道、也是最难的一道技术障碍。逡逑

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光增益介质在累浦条件下的崎变对信标激光的影响，来测量并替代谐振腔内的主激光波逡逑前崎变，自适应光学系统系统对探测激光进行补偿后，测量主激光光束参数，其系统架逡逑构如图１．９所示。很显然，该系统的闭环校正是基于ＨＳ－ＷＦＳ波前测量并通过一定的波逡逑前重构算法进行反馈进而实现闭环控制的。相对于没有Ａ０系统校正的输出参数，校正逡逑后激光器激输出功率提高３倍，光束质量也有较大幅度改善，基本验证了谐振腔模式逡逑下，基与波前探测的ＡＯ系统校正策略的可行性，该系统在Ａ０未校正和校正后的输出逡逑光束远场强度分布如图１．１０所示。逡逑１逦韦邋ｅｏｎｉｐａｃｒ＇＇］逡逑Ｉ逡逑ＤＭ逦ｂｅａｍ邋ｅｘｐａｎｄｅｒ逦ｏｕｔｐｕｔ邋ｎｕｒｒａｒ逡逑Ｉ邋：／「－广７！寒邋Ｉ逡逑Ｉ邋／邋ｒ邋—巧邋１！＾－邋［邋ｗＥ逡逑Ｉ逦ｗ化邋ｗ邋。逦；邋＇邋＇邋Ｉ逦ｒ}0逡逑图１．９杨振刚等人的腔内ＡＯ系统示意图逡逑Ｂｎ逡逑（ａ）Ａ０校正前逦作）ＡＯ校正肩逡逑图１．１０腔内ＡＯ校正效果逡逑２００６年和２０１０年间，中物院分别于在研制的ＳＩＬＥＸ－Ｉ装置（超短脉冲激光）上逡逑开展了全系统波前崎变校正的实验研究ｔｉＷＷ，在试验中验证了邋ＡＯ系统对主激光的波逡逑前空间分布、焦斑光强分布的改善效果，并最终提升了鞭目y区域光斑能量集中度。相逡逑关试验结果表明，经ＡＯ系统校正后，光束的波前崎变残差ＰＶ值约为化４３８ｙｍ，均逡逑方根值（ＲＭＳ）约为０．０５２ｕｍ

示意图,子孔径,波前,光斑

逦ｒｅｎｔｍｉｄｓ逡逑图２．２平面波前和巧变波前在ＨＳ－ＷＦＳ子孔径内光斑质也偏移示意图逡逑如图２．２所示，在入射光波前没有受到扰动（保持等相位面为平面）时，透过微透逡逑镜阵列后，在成像器件上会可获得排布均匀、间隔相等的二维光斑阵列，通过系统标校，逡逑此时每个子孔径（微透镜）焦斑的位置就是理想波面质必位置，也成为参考位置。逡逑当入射光束波前受到光源内部或传输路径上的扰动产生崎变（不再是平面）时，假逡逑设微透镜足够小（空间分辨率足够高），单个子孔径（微透镜）对应的局部波前可Ｗ用逡逑一个只有Ｘ、ｙ方向倾斜的小平面替代，则该子孔径对入射光束采样后，在其对应的图逡逑像象区域的光斑就会出现偏移参考位置，光斑与参考位置的偏移量在计算过程中采用焦逡逑斑质也（强度一阶矩）与理想位置差表征。逡逑ＨＳ－ＷＦＳ焦斑阵列处理过程中，子孔径的焦斑强度分布质也可用下式计算：逡逑＇ＹｊＸｙＰｙ逦＾ｙｉＪ＾Ｕ逡逑、节邋Ｙｃ—－古逦口－１）逡逑ｉｊ逦ｉｊ逡逑式中

【参考文献】