實驗名稱：SPGD光束整形實驗系統(tǒng)

測試目的：本實驗?zāi)康脑谟趯崿F(xiàn)激光束的聚焦整形，提高聚焦光斑的能量集中度。利用SPGD算法控制變形鏡，校正由激光束自身光束質(zhì)量較差、光學(xué)系統(tǒng)的加工裝調(diào)誤差等因素引入的波前像差，實現(xiàn)對光束波前的優(yōu)化，改善激光的位相分布，獲得符合實際應(yīng)用需要的光束。

測試設(shè)備：高壓放大器、激光器、衰減片、擴(kuò)束鏡、偏振分束器等。

實驗過程：

圖1：激光束整形實驗系統(tǒng)原理圖

SPGD光束整形實驗系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，主要包括激光器、衰減片、擴(kuò)束鏡、偏振分束器、1/4波片、MMDM、成像系統(tǒng)、CCD相機(jī)、控制計算機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和高壓放大器等部分。其中，衰減片起保護(hù)作用，避免CCD因采集到的光斑能量過高而損壞；擴(kuò)束鏡用于擴(kuò)大激光束的光斑尺寸，實現(xiàn)與MMDM的孔徑匹配；偏振分束器與1/4波片構(gòu)成光隔離器，與MMDM垂直反射光束配合使用；成像系統(tǒng)（即透鏡）用以實現(xiàn)整形后光束的聚焦；控制計算機(jī)包括圖像采集模塊和SPGD程序模塊。

實驗前需先搭建實驗平臺。首先調(diào)節(jié)激光束水平，具體做法為將激光器確定在一定的高度，在靠近激光器發(fā)射光束的位置放置一個小孔，調(diào)節(jié)小孔的位置和高度使光束恰好可以通過，再逐漸向遠(yuǎn)處平移小孔，同時觀察光斑的位置變化情況，據(jù)此調(diào)節(jié)激光器的俯仰角直到在移動小孔的過程中激光束始終可以通過小孔。然后依次調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡、偏振分束器、MMDM、1/4波片、成像系統(tǒng)、CCD相機(jī)，使光路中的各部分等高共軸，到達(dá)MMDM和CCD的光束垂直入射。

實驗過程中，激光器發(fā)出的光束先經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，實現(xiàn)原始光束與MMDM的孔徑匹配，再經(jīng)偏振分束器和1/4波片到達(dá)MMDM進(jìn)行波前位相調(diào)制，垂直反射后經(jīng)由成像系統(tǒng)聚焦到達(dá)CCD相機(jī)，CCD采集光斑圖像傳輸給控制計算機(jī)計算系統(tǒng)的性能評價函數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用SPGD的迭代公式得到下一個控制循環(huán)中對MMDM施加的控制信號，由兩個40通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換器并行輸出，經(jīng)高壓放大器放大后施加到MMDM上。此外，CCD相機(jī)可以將采集到的激光光斑實時顯示在計算機(jī)上，從而直觀地表現(xiàn)出光強(qiáng)的變化情況。

實驗結(jié)果：

圖2：性能評價函數(shù)隨迭代次數(shù)的變化曲線

實驗過程中通過設(shè)置CCD采集圖像的閾值來近似消除背景噪聲的影響，具體設(shè)置為5灰度值。另外，CCD相機(jī)的分辨率為1024×1024像素，而在采集的圖像中有較大的區(qū)域沒有光斑，因此在處理時只提取了光斑附近200×200像素的區(qū)域。針對所選的各性能評價函數(shù)，綜合考慮在整形過程中的收斂速度、收斂精度和穩(wěn)定性，選取具有較佳整形效果的參數(shù)組合。每組實驗均進(jìn)行1000次算法迭代，得到J1、J2、J3隨迭代次數(shù)的變化曲線如圖2所示。由圖可以看出，整形過程中三種性能評價函數(shù)的收斂速度和穩(wěn)定性存在差異。J1的初始值為47，在前30次迭代中收斂迅速，但此后存在比較嚴(yán)重的振蕩，穩(wěn)定性較差，光斑半徑最終保持在23左右；J2的初始值為0.1277，經(jīng)過260次迭代后趨于收斂，收斂速度較慢，且存在一定的抖動，收斂值為0.7339；J3的初始值為0.2005，在前140次迭代中收斂速度較快，經(jīng)過260次迭代后逐漸趨于穩(wěn)定，抖動較小，收斂值為0.8640。

圖3：整形前后的激光光斑及其光強(qiáng)分布

如圖3所示，為整形前的初始光斑、三種性能評價函數(shù)下算法各迭代1000次后的光斑及相應(yīng)的光強(qiáng)分布。由圖可以看出，J1、J2、J3作為性能評價函數(shù)時，MMDM對波前畸變都有明顯的校正效果，聚焦光斑的能量集中度有大幅提高，光束質(zhì)量明顯變好；但不同的性能評價函數(shù)下整形結(jié)果存在較大差異。

分析得到的比較結(jié)果，J1作為性能評價函數(shù)，具有收斂速度快的優(yōu)勢，但由于只能取整數(shù)，容易出現(xiàn)較大波動，收斂的穩(wěn)定性較差。此外，光斑的半徑與其光強(qiáng)分布并不直接相關(guān)，在MMDM整形能力有限的情況下，光斑減小的程度有限，優(yōu)化過程中的光強(qiáng)變化難以確定，影響整形效果；J2作為性能評價函數(shù)，與光強(qiáng)分布直接相關(guān)，但形心的位置與光強(qiáng)無關(guān)，光強(qiáng)較弱的部分會明顯影響形心位置，從而嚴(yán)重影響算法的尋優(yōu)路徑，導(dǎo)致收斂速度變慢；J3作為性能評價函數(shù)，能合適地反應(yīng)聚焦光斑的能量集中度，收斂速度較快，整形效果和穩(wěn)定性較好。因此，在基于SPGD算法的激光束聚焦整形應(yīng)用中，以上三種性能指標(biāo)選擇J3最合適。

高壓放大器推薦：ATA-7050

圖：ATA-7050高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇