【摘 要】
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高功率固体激光器常用自适应光学光束净化学系统改善光束质量。光束指向稳定是其中的重要目标,准确测量光束指向是基本前提。探测光束指向主要有两种方法:一是基于夏克—哈特曼波前传感器的平均斜率法,将各个子孔径探测到的波前斜率平均后作为光束指向;二是基于远场光斑的探测方法,通过探测远场光斑的位置反映光束指向。由于远场方法需要额外配置高速远场相机以及对应的实时电控系统,许多自适应光学系统中为了减少成本,降低电
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
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高功率固体激光器常用自适应光学光束净化学系统改善光束质量。光束指向稳定是其中的重要目标,准确测量光束指向是基本前提。探测光束指向主要有两种方法:一是基于夏克—哈特曼波前传感器的平均斜率法,将各个子孔径探测到的波前斜率平均后作为光束指向;二是基于远场光斑的探测方法,通过探测远场光斑的位置反映光束指向。由于远场方法需要额外配置高速远场相机以及对应的实时电控系统,许多自适应光学系统中为了减少成本,降低电控系统复杂程度,往往采用平均斜率法探测光束指向。受到高功率固体板条激光器的边缘效应和刮刀镜硬边光阑衍射效应等因素的影响,采用夏克—哈特曼波前传感器探测光束的波前畸变时,光束边缘所对应的子孔径内局部波前斜率往往显著大于其他子孔径,且光斑强度存在闪烁问题,影响了平均斜率法探测光束指向的精度,进一步限制了自适应光学系统的光束指向稳定性能。针对上述问题,本文开展了一系列数值仿真及实验研究。由于光束指向稳定控制的应用目标通常是减小一定时间内光束在作用对象上的散布面积,提高能量密度,改善作用效果,因此本文以远场方法的探测结果作为光束指向的基准。首先采用64项二维Legendre多项式表征固体激光器输出光束的像差,建立了矩形畸变光束指向探测数值仿真模型,分别采用平均斜率法及远场方法计算了包含各项Legendre多项式像差的光束指向,并进行了对比。分析结果表明,受到夏克—哈特曼波前传感器孔径采样率的限制,平均斜率法表征光束整体倾斜存在误差,特别是对于高阶像差。随后搭建了实验系统,采用夏克—哈特曼波前传感器测量了一台高功率固体板条激光器的像差,并采用上述两种方法分别计算了光束指向。结果表明边缘大梯度像差以及光斑闪烁会进一步导致平均斜率法的误差,特别是光强闪烁引入高时间频率测量误差成分。为避免边缘子孔径的不利影响,提出了去除边缘子孔径的平均斜率法,在计算平均斜率时不计入边缘子孔径。基于上述测量结果的数值仿真表明,该方法可以提高光束指向测量精度。最后对上述方法进行了实验验证。首先搭建了验证实验系统,在光束边缘引入了大梯度像差以及强度变化,在夏克—哈特曼波前传感器边缘子孔径内出现了波前斜率偏大以及光斑闪烁的现象。这种情况下对去除边缘子孔径的平均斜率法进行验证,结果表明与平均斜率法相比,该方法可以有效降低校正后的光束指向抖动。随后在一台高功率固体板条激光系统对去除边缘子孔径的平均斜率法进行进一步验证,将光束指向抖动RMS值分别在水平方向和垂直方向上由平均斜率法的1.53μrad、1.30μrad降低到1.12μrad、0.87μrad,表明本文提出的去除边缘子孔径的平均斜率法法在实际高功率板条固体激光系统中有重要的应用价值。
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