實(shí)驗(yàn)名稱：高功率納秒固體板條激光器光束凈化實(shí)驗(yàn)

測試設(shè)備：電壓放大器、波前傳感器、傾斜鏡、變形鏡、激光器等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：混合式光束凈化系統(tǒng)原理示意圖

混合式自適應(yīng)光束凈化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示，其主要由四部分組成：第一部分為高平均功率、高重復(fù)頻率的納秒板條激光器；第二部分為低階像差自動(dòng)校正系統(tǒng)，此系統(tǒng)中采用四片式的光學(xué)結(jié)構(gòu)，是三片式校正系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果。四片透鏡各自獨(dú)立的安裝于間隔調(diào)整系統(tǒng)中，間隔調(diào)整系統(tǒng)根據(jù)H-S測量的像差信息在波前處理器的控制下，自動(dòng)調(diào)整透鏡的空氣間隔，以滿足大幅值低階像差校正以及光束尺寸匹配的要求；第三部分為AO校正系統(tǒng)，此系統(tǒng)為有波前探測的AO系統(tǒng)，主要由傾斜鏡(TTM)、變形鏡(DM)、電壓放大器、波前處理器以及波前傳感器組成。傾斜鏡用于校正光束的整體傾斜像差，能夠有效釋放DM驅(qū)動(dòng)器的行程，并且保證出射光束的指向，實(shí)驗(yàn)中采用的TTM行程為±3′。DM用于產(chǎn)生入射波前的共軛波前面型，經(jīng)其反射后出射光束的波前像差能夠得到良好的校正，混合式自適應(yīng)光束凈化系統(tǒng)中采用的DM為59單元連續(xù)面型的變形鏡，驅(qū)動(dòng)器行程能夠達(dá)到±3μm。

圖2：混合式光束凈化系統(tǒng)工作流程圖

混合式光束凈化系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示，首先，H-S1對(duì)板條激光器出射光束的初始像差信息進(jìn)行測量，并反饋給波前處理器，波前處理器驅(qū)動(dòng)低階像差自動(dòng)校正系統(tǒng)工作，采用直接校正策略，將四片透鏡移動(dòng)到滿足低階像差校正以及尺寸匹配的位置，對(duì)工作點(diǎn)處的大幅值低階像差成分進(jìn)行初步校正。之后H-S2對(duì)經(jīng)過LOAC系統(tǒng)校正后的波前信息進(jìn)行測量，并將殘余像差的斜率信息反饋給波前處理器，由波前處理器進(jìn)行判斷。當(dāng)殘余像差的波前PV值≥4μm時(shí)，驅(qū)動(dòng)低階像差自動(dòng)校正系統(tǒng)工作，并采用調(diào)整校正策略解決工作點(diǎn)處像差變動(dòng)的問題；當(dāng)殘余像差的波前PV值<4μm時(shí)，波前處理器將H-S2反饋的斜率信息，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，發(fā)送給電壓放大器，使其產(chǎn)生TTM與DM的工作電壓，最終驅(qū)動(dòng)DM產(chǎn)生相應(yīng)的面型，從而實(shí)現(xiàn)殘余像差的精細(xì)校正。經(jīng)過上述兩步校正的凈化系統(tǒng)后，出射光束能夠達(dá)到近衍射極限的光束質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖3：經(jīng)低階像差校正的出射光束相關(guān)參數(shù)。(a)光束波前信息(μm)，PV=1.91μm，RMS=0.29μm；(b)遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布，β=2.86

經(jīng)過LOAC系統(tǒng)進(jìn)行低階像差校正后的波前信息與遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布信息可如圖3所示。其中(a)圖為僅經(jīng)LOAC系統(tǒng)校正后出射光束的波前信息，波前PV值從26.47μm減小到1.91μm，RMS值從6.12μm減小到0.29μm。校正后的遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布可由圖(b)所示，經(jīng)校正后光束質(zhì)量β因子能夠從18.42倍衍射極限提升到2.86倍衍射極限，光束質(zhì)量得到了顯著的提升。

圖4：經(jīng)LOAC系統(tǒng)校正后各項(xiàng)Legendre多項(xiàng)式的系數(shù)

圖4中給出了僅經(jīng)LOAC系統(tǒng)校正后出射光束各項(xiàng)Legendre多項(xiàng)式的系數(shù)，其中表征離焦和像散像差的第4項(xiàng)和第6項(xiàng)系數(shù)明顯減小，經(jīng)LOAC系統(tǒng)校正后出射光束中的低階像差成分得到了有效的校正，且其殘余像差成分主要為高階像差。其中構(gòu)成球差項(xiàng)(11項(xiàng)、13項(xiàng)和15項(xiàng))中的11項(xiàng)、13項(xiàng)系數(shù)較小，表明經(jīng)過優(yōu)化后，四片式的結(jié)構(gòu)能夠起到抑制自身球差的效果。而第15項(xiàng)、21項(xiàng)、28項(xiàng)系數(shù)的增加主要是由于波前成“M”形突變導(dǎo)致的。波前“M”形的變形，為固體板條激光器較為常見的波前畸變，殘余像差的面型與之前的實(shí)驗(yàn)基本一致。

圖5：校正前后近場光斑強(qiáng)度分布。(a)校正前；(b)校正后

經(jīng)過上述對(duì)波前信息的分析，表明低階像差成分得到了有效的校正，因此還需對(duì)近場光斑形態(tài)的變動(dòng)情況進(jìn)行分析，測量結(jié)果如圖5所示。

校正前入射光束的近場強(qiáng)度分布如圖(a)所示，其光束尺寸為7mm×35mm，光斑形態(tài)呈寬高比為1：5的長條形。經(jīng)過LOAC系統(tǒng)進(jìn)行尺寸變換后的近場強(qiáng)度分布如圖(b)所示，其光束尺寸為42mm×44mm，光斑形態(tài)變換為寬高比近似1：1的正方形。經(jīng)其校正后，滿足了后續(xù)應(yīng)用中對(duì)光束尺寸匹配的要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)LOAC系統(tǒng)校正后，初始入射光束中的大幅值低階像差成分和光斑形態(tài)寬高比較小的問題得到了同時(shí)的解決。

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圖：ATA-2081高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇