高功率激光反射镜热畸变补偿结构设计与仿真

为了研究激光反射镜热畸变补偿结构的设计,在分析激光腔镜热变形行为的基础上,采用优化镜体结构,提出了一种减少入射激光光斑区域镜面热畸变的途径——热畸变自补偿激光反射镜,并与普通硅镜的热变形情况进行了比较.结果表明,当反射镜反射率为98%、入射激光功率为7kW、激光照射时间分别为2s,4s和10s时,普通硅镜镜面中心与光斑边缘处的热变形之差分别为0.167μm,0.174μm和0.172μm;而热畸变自补偿激光反射镜镜面中心与光斑边缘处的热变形之差分别为0.092μm,0.052μm和0.027μm.该研究结果对提高高能激光腔镜热效应稳定性、改善高能激光光束质量具有一定参考价值.     

变形镜在激光辐照下热畸变有限元模拟

利用有限元分析软件数值模拟了固体激光器系统中由单晶硅（Silicon）、石英（Silica）与超低膨胀玻璃（ULE）等不同材料制作的变形反射镜受激光辐照下的热畸变特性。计算结果表明:当入射激光功率密度为0.225 kW/cm2,激光照射时间为10 s,镜面反射率为99.9%时,三种材料的变形镜的最大温升分别为0.804、6.751与7.122℃,最大热变形分别为0.049 3、0.034 8与0.005 m,相比之下,单晶硅温升较小,超低膨胀玻璃（ULE）的变形与应力最小,ULE是未来比较理想的镜面材料。最后,对变形镜在长脉冲激光辐照下也进行了计算与分析。     

MEMS微变形反射镜校正波前静态畸变实验

微变形反射镜(MEMS-DMs)是用于自适应光学中波前校正的重要元件.对微变形镜波前校正原理进行了分析,设计了基于自适应光学系统的测试系统,通过闭环控制技术成功地利用一种分离式MEMS-DMs校正了实验系统中位相板引入的波前畸变,实验结果显示离焦项Zernike系数相对最大,是造成整个波面畸变的最重要的原因.MEMS-DMs对低阶波前畸变校正较好,高阶波前畸变校正时残余误差比较大,增加控制电极数量可以更好地校正高阶模式的波前畸变.基于自适应光学系统的MEMS-DMs波前畸变校正实验系统,可以为今后全面优化设计微变形反射镜及其更适应自适应光学系统的需要提供实验数据与理论支持.     

高功率CO2激光作用下硅镜热畸变的动态过程研究

以光学干涉方法,实验研究了在CO2激光束入射在硅镜上,硅镜热畸变的动态过程。在变形之初,硅镜镜面的位移量变化迅速。对于一面70mm,厚8mm的硅镜,吸收激光功率140W,作用时间4s时最大挠变形0.76μm.这对于高功率短波长激光器而言是不可忽略的。     

双变形镜自适应光学系统全场补偿实验验证

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了校正.根据双变形镜自适应光学技术的概念,设计了一套基于双变形镜的自适应光学系统,对比了双变形镜和传统单变形镜对波前的空间校正能力,在实验上验证了双变形镜...     

用相位共轭技术实现区域目标的激光传输畸变补偿

相位共轭技术通过“时间反演”过程进行激光传输畸变补偿，具有快响应、高灵敏度、高稳定性，以及结构简单、价格低廉等优点。但通常主动信标光，采用相位共轭方法难以实现区域目标的大气传输畸变补偿。本文介绍我们首次提出了解决方案－成象减裁加阈值共轭镜，并用ＢａＴｉＯ３自泵浦相位共轭镜对静太和模拟湍流畸变进行了原理性实验。     

反射镜热畸变对激光光束质量影响的研究

基于热传导理论,建立了高斯光束辐照硅反射镜的物理模型,利用多物理场数值分析软件COMSOL Multiphysics求解热传导方程,仿真计算得到镜面表面温度分布曲线以及镜面变形曲线,进一步结合光学仿真软件模拟计算,研究得到Si反射镜镜面的热畸变对输出光束质量的影响。结果表明：随着激光辐照时间的增大,反射镜热变形越显著,输出光束质量β因子越大,但β值的变化首先较快而后趋于平缓。随着辐照激光功率的增加,反射镜热变形越大,输出光束质量β因子不断增大。     

自适应光学技术与激光光束质量

在许多应用中,亮度是对激光光束的最重要指标,光束质量因子甚至比激光功率更为重要.自适应光学技术实时测量和校正光束波前误差,从而可以改善光束质量.在激光传输的不同环节,采用自适应光学技术可以进行光束稳定、净化和大气湍流校正. 1985年我们研制了世界上首套用于ICF的激光波前校正系统.研制了数套光束稳定系统用于校正强激光的方向漂移,又进行了强激光光束净化试验. 还研制了37和61单元两套自适应光学系统,先后完成室内湍流模拟池校正试验、公里级水平光路大气补偿试验和上行传输试验. 从1981年起研制了多种变形反射镜和高速倾斜镜. 在光束质量诊断方面研制了紫外、可见到红外波段的哈特曼传感器系列,采样频率从25 Hz到2900 Hz,已用于光束质量诊断、光学系统检验、强光下的镜面变形测量和大气湍流测量.(OG6)     

高功率激光反射镜热变形补偿的实验研究

研制了一套由环形半导体温控片、半导体温控片温度施加机构和温度控制电路组成的反射镜变形动态补偿系统。圆形反射镜在环形温度控制下,产生曲率可变的内凹或外凸球面变形,由此补偿激光反射镜自身热变形或激光系统中透射元件热变形产生的离焦量。采用口径为50 mm,厚度为10 mm平面反射镜进行了“施温-变形”以及“辐照—施温-变形”实验,利用干涉仪对面形进行监测。获得了温度-面形变化曲线,镜体中心位移和温度保持线性关系,在50 ℃温度下,中心最大变形量超过2.5 μm,温度-变形系数为0.088 μm/℃。在激光功率162 W辐照下,反射镜的热变形补偿量由0.3 μm减小到0.08 μm,对系统中透射元件的热变形量从0.28 μm补偿至0.066 μm。     

自适应变形镜激光应用技术

自适应变形镜技术在激光加工、激光发射和远距离输出、聚焦系统等方面的应用正日益受到重视，不断发展。它是激光光束质量和聚焦特性自适应控制的关键技术。本文着重论述高功率强激光加工中自适应变形镜技术及其对“飞行光学”聚焦特性控制的新技术。     

热退偏损耗完全补偿的千赫兹电光调Q Nd:YAG激光器

为了同时补偿固体增益介质的热致双折射及热透镜效应,进一步提高重复频率1 kHz激光二极管(LD)侧向抽运高平均功率电光调QNd∶YAG激光器的输出功率,设计了一种完全消除热退偏损耗的双调Q开关谐振腔结构,此结构在传统调Q谐振腔的基础上沿着偏振片的退偏方向增加了一个调Q谐振支路,并使得激光从增益介质方向输出.实验结果表明,此激光器的单脉冲能量比单Q开关结构的非补偿腔输出能量高出74.7%.当侧面抽运的激光二极管输出脉冲能量达到307 mJ时,激光输出能量达到26.2 mJ,光-光转换效率为8.5%,光束发散角为1 mrad.     

利用内腔变形反射镜补偿激光器畸变的研究

固体激光器中,增益介质由于热沉积产生的热畸变严重影响了激光器的稳定性和输出功率以及光束质量。为了补偿激光器腔内畸变,采用了一种利用变形反射镜作为内腔反射镜的方法,运用静电力作用于变形薄膜反射镜,来改变谐振腔的结构。从外部引入一束参考光通过激光腔,利用波前探测器可测得腔内畸变对参考光的影响,并利用变形反射镜校正此畸变。实验结果表明,该方法能对腔内畸变进行有效的补偿,提高激光器的输出功率及光束质量。     

基于Zernike模式法的变形反射镜补偿面型求解方法

针对变形反射镜校正非垂直入射畸变波前时,补偿面型求解的复杂性,借助波前补偿原理,提出利用变形反射镜对系统Zernike波像差的响应矩阵求解变形镜补偿面型的方法。结合Zernike模式法复原波前,利用CODEV仿真分析变形镜补偿畸变波前过程。以某红外自适应光学系统为例,仿真验证补偿效果。此方法能够简化变形反射镜控制算法,加深对自适应光学原理的认识。     

人眼像差校正线性二次高斯优化控制研究

为获得清晰的高分辨率人眼眼底视网膜图像,自适应光学系统中变形镜必须能够实时跟踪并补偿人眼中随时间变化的像差信息。对波前像差特别是动态像差的校正能力不仅取决于变形镜等硬件的性能,还与自适应光学系统中的控制算法密切相关。在不加大硬件复杂度的基础上,介绍了一种基于Kalman滤波的线性二次高斯(LQG)人眼像差校正最优控制模型。首先分析了自适应光学系统的离散性,证明在离散模式下研究自适应光学系统的可行性;然后建立了基于Kalman滤波的LQG优化控制模型,并给出基于LQG优化控制的像差校正控制算法;最后通过仿真实验验证了基于LQG优化控制的像差校正算法对动态人眼波前像差校正的可行性和有效性。     

液体激光系统流场特性对热畸变的影响

液体介质的循环流动为消除激光系统的热效应提供了有效途径,对改善激光系统的光束质量具有重要意义.根据液体介质的流场特性,结合Fluent6.53软件模拟计算,分析了抽运区介质流速、湍流强度与附面层厚度、温度扰动的关系及时激光热畸变的影响.增大抽运区介质流速能有效减小热畸变和附面层厚度;在给定抽运条件下,采用光阑限孔的方法进一步减小热畸变,流速为20 m/s时的光程差(OPD)最人差值由 10个波长下降到5个波长.     

轴棱锥椭圆加工误差产生畸变无衍射光束的修正

轴棱锥的斜入射和加工误差对产生零阶贝塞耳光的光束质量有很大影响,而轴棱锥的加工误差常常是轴棱锥圆形横截面被加工成椭圆.由衍射理论和几何光学方法出发,分析了圆轴棱锥的斜入射和椭圆轴棱锥的正入射对产生贝塞耳光束质量影响的等价性.根据理论计算,模拟了圆轴棱锥的斜入射和椭圆轴棱锥加工误差的衍射光斑图.提出利用轴棱锥旋转法修正椭圆轴棱锥对无衍射贝塞耳光束质量的影响,获得了近似理想的贝塞耳光束,理论分析与模拟和实验结果基本相符.     

高功率半导体激光器端面泵浦Nd：YVO4固体激光器热致损耗的研究

本文提出了一种测量端面泵浦固体激光器热致损耗的方法。研究了Ｎｄ＾３＋浓度分别为０．５％和２％两种Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体,基模半径与泵浦光斑半径之比Ｗ１／Ｗｐ分别为０．５和１情形下热致损耗随泵浦功率的变化,结果表明,热致损耗随泵浦功率的增加而增大,且强烈依赖于Ｗ１／Ｗｐ,大的基模半径会导致严重的热损耗,Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体的Ｎｄ＾３＋浓度对热致损耗也有很大影响,在大模半径情形,高浓度晶体的热致损耗远大于低     

自适应滤波用于失真补偿的探讨

提出用自适应滤波原理补偿系统失真，通过在系统前面插入一非线性自适应滤波器对系统进行逆模拟来实现减少系统失真的目的。将RLS算法用于伏特拉自适应滤波器，通过仿真得到了一些结果。     

Performance of an Adaptive Optics System with Dual Deformable Mirrors

One deformable mirror （DM） in conventional adaptive optics system can not meet the needs of large scale and high order aberration compensation. In this paper, a dual DMs way is presented, which needs the decoupling of dual DMs. In dual DMs adaptive optics （AO） system, the decoupling algorithm of dual DMs is deduced. Stroke of one of DMs is large, spatial frequency of the other is high. According to the algorithm, the large stroke DM （LSDM） corrects low order aberration only, and the high spatial frequency DM （HSFDM） corrects other aberration. The experimental result for two 61-DM AO system is presented. The result indicates that the experimental performance of dual DMs AO system is almost the same with that of the conventional AO system using single DM with ideal stroke and equivalent spatial frequency.     

Performance of an Adaptive Optics System with Dual Deformable Mirrors

One deformable mirror (DM) in conventional adaptive optics system can not meet the needs of large scale and high order aberration compensation. In this paper, a dual DMs way is presented, which needs the decoupling of dual DMs. In dual DMs adaptive optics (AO) system, the decoupling algorithm of dual DMs is deduced. Stroke of one of DMs is large, spatial frequency of the other is high. According to the algorithm, the large stroke DM (LSDM) corrects low order aberration only, and the high spatial frequency DM (HSFDM) corrects other aberration. The experimental result for two 61-DM AO system is presented. The result indicates that the experimental performance of dual DMs AO system is almost the same with that of the conventional AO system using single DM with ideal stroke and equivalent spatial frequency.