實驗名稱：高功率納秒固體板條激光器光束凈化實驗

測試設備：電壓放大器、波前傳感器、傾斜鏡、變形鏡、激光器等。

實驗過程：

圖1：混合式光束凈化系統原理示意圖

混合式自適應光束凈化系統實驗裝置圖如圖1所示，其主要由四部分組成：第一部分為高平均功率、高重復頻率的納秒板條激光器；第二部分為低階像差自動校正系統，此系統中采用四片式的光學結構，是三片式校正系統的優化結果。四片透鏡各自獨立的安裝于間隔調整系統中，間隔調整系統根據H-S測量的像差信息在波前處理器的控制下，自動調整透鏡的空氣間隔，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，此系統為有波前探測的AO系統，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驅動器的行程，并且保證出射光束的指向，實驗中采用的TTM行程為±3′。DM用于產生入射波前的共軛波前面型，經其反射后出射光束的波前像差能夠得到良好的校正，混合式自適應光束凈化系統中采用的DM為59單元連續面型的變形鏡，驅動器行程能夠達到±3μm。

圖2：混合式光束凈化系統工作流程圖

混合式光束凈化系統的工作流程圖如圖2所示，首先，H-S1對板條激光器出射光束的初始像差信息進行測量，并反饋給波前處理器，波前處理器驅動低階像差自動校正系統工作，采用直接校正策略，將四片透鏡移動到滿足低階像差校正以及尺寸匹配的位置，對工作點處的大幅值低階像差成分進行初步校正。之后H-S2對經過LOAC系統校正后的波前信息進行測量，并將殘余像差的斜率信息反饋給波前處理器，由波前處理器進行判斷。當殘余像差的波前PV值≥4μm時，驅動低階像差自動校正系統工作，并采用調整校正策略解決工作點處像差變動的問題；當殘余像差的波前PV值<4μm時，波前處理器將H-S2反饋的斜率信息，轉換為電壓信號，發送給電壓放大器，使其產生TTM與DM的工作電壓，最終驅動DM產生相應的面型，從而實現殘余像差的精細校正。經過上述兩步校正的凈化系統后，出射光束能夠達到近衍射極限的光束質量。

實驗結果：

圖3：經低階像差校正的出射光束相關參數。(a)光束波前信息(μm)，PV=1.91μm，RMS=0.29μm；(b)遠場強度分布，β=2.86

經過LOAC系統進行低階像差校正后的波前信息與遠場強度分布信息可如圖3所示。其中(a)圖為僅經LOAC系統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。校正后的遠場強度分布可由圖(b)所示，經校正后光束質量β因子能夠從18.42倍衍射極限提升到2.86倍衍射極限，光束質量得到了顯著的提升。

圖4：經LOAC系統校正后各項Legendre多項式的系數

圖4中給出了僅經LOAC系統校正后出射光束各項Legendre多項式的系數，其中表征離焦和像散像差的第4項和第6項系數明顯減小，經LOAC系統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。其中構成球差項(11項、13項和15項)中的11項、13項系數較小，表明經過優化后，四片式的結構能夠起到抑制自身球差的效果。而第15項、21項、28項系數的增加主要是由于波前成“M”形突變導致的。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驗基本一致。

圖5：校正前后近場光斑強度分布。(a)校正前；(b)校正后

經過上述對波前信息的分析，表明低階像差成分得到了有效的校正，因此還需對近場光斑形態的變動情況進行分析，測量結果如圖5所示。

校正前入射光束的近場強度分布如圖(a)所示，其光束尺寸為7mm×35mm，光斑形態呈寬高比為1：5的長條形。經過LOAC系統進行尺寸變換后的近場強度分布如圖(b)所示，其光束尺寸為42mm×44mm，光斑形態變換為寬高比近似1：1的正方形。經其校正后，滿足了后續應用中對光束尺寸匹配的要求。

實驗結果表明，經LOAC系統校正后，初始入射光束中的大幅值低階像差成分和光斑形態寬高比較小的問題得到了同時的解決。

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審核編輯 黃宇