實驗名稱：SPGD光束整形實(shi)驗系(xi)統

　　測試目的：本實驗目的(de)(de)在于(yu)實現(xian)激(ji)光(guang)束(shu)(shu)的(de)(de)聚(ju)焦整形(xing)，提高聚(ju)焦光(guang)斑的(de)(de)能(neng)量集中(zhong)度。利(li)用SPGD算法控制變形(xing)鏡(jing)，校正由激(ji)光(guang)束(shu)(shu)自(zi)身光(guang)束(shu)(shu)質量較差、光(guang)學系統(tong)的(de)(de)加(jia)工裝調誤(wu)差等因素引(yin)入的(de)(de)波(bo)前像(xiang)差，實現(xian)對光(guang)束(shu)(shu)波(bo)前的(de)(de)優化，改(gai)善激(ji)光(guang)的(de)(de)位相分布，獲得符合實際(ji)應(ying)用需要的(de)(de)光(guang)束(shu)(shu)。

　　測試設備：高壓放大器、激光(guang)器、衰減(jian)片、擴束鏡(jing)、偏(pian)振分束器等。

　　實驗過程：

　　圖(tu)(tu)1：激(ji)光束整形實驗系統原(yuan)理圖(tu)(tu)

　　SPGD光(guang)(guang)束(shu)(shu)整形實(shi)驗(yan)系(xi)統的(de)原理(li)圖(tu)如圖(tu)1所示，主要包括(kuo)激光(guang)(guang)器、衰減片(pian)、擴束(shu)(shu)鏡(jing)(jing)(jing)、偏振分(fen)束(shu)(shu)器、1/4波片(pian)、MMDM、成(cheng)像系(xi)統、CCD相機、控制計算機、數模(mo)轉換器和高壓放大器等部分(fen)。其中，衰減片(pian)起保護作(zuo)用(yong)，避免CCD因采集到的(de)光(guang)(guang)斑能量(liang)過高而損壞；擴束(shu)(shu)鏡(jing)(jing)(jing)用(yong)于擴大激光(guang)(guang)束(shu)(shu)的(de)光(guang)(guang)斑尺寸(cun)，實(shi)現(xian)與(yu)(yu)MMDM的(de)孔徑匹配(pei)；偏振分(fen)束(shu)(shu)器與(yu)(yu)1/4波片(pian)構成(cheng)光(guang)(guang)隔離器，與(yu)(yu)MMDM垂直反射光(guang)(guang)束(shu)(shu)配(pei)合使用(yong)；成(cheng)像系(xi)統（即(ji)透鏡(jing)(jing)(jing)）用(yong)以實(shi)現(xian)整形后(hou)光(guang)(guang)束(shu)(shu)的(de)聚焦；控制計算機包括(kuo)圖(tu)像采集模(mo)塊和SPGD程(cheng)序模(mo)塊。

　　實驗(yan)前需先(xian)搭(da)建實驗(yan)平(ping)臺(tai)。首(shou)先(xian)調(diao)節(jie)激(ji)(ji)光(guang)束(shu)(shu)水平(ping)，具體做法為將激(ji)(ji)光(guang)器確定在一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)度(du)，在靠近激(ji)(ji)光(guang)器發射光(guang)束(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)(zhi)放置(zhi)(zhi)一(yi)個小(xiao)孔(kong)(kong)，調(diao)節(jie)小(xiao)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)(zhi)和高(gao)度(du)使(shi)光(guang)束(shu)(shu)恰(qia)好可以通過，再逐(zhu)漸向遠處平(ping)移小(xiao)孔(kong)(kong)，同時(shi)觀(guan)察光(guang)斑的(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)(zhi)變化情況，據此(ci)調(diao)節(jie)激(ji)(ji)光(guang)器的(de)(de)(de)(de)(de)俯仰角直(zhi)到(dao)在移動小(xiao)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)(de)(de)過程中(zhong)(zhong)激(ji)(ji)光(guang)束(shu)(shu)始終可以通過小(xiao)孔(kong)(kong)。然后依次調(diao)節(jie)擴(kuo)束(shu)(shu)鏡、偏(pian)振分束(shu)(shu)器、MMDM、1/4波片、成(cheng)像系統、CCD相機，使(shi)光(guang)路中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)各部(bu)分等(deng)高(gao)共軸，到(dao)達(da)MMDM和CCD的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)束(shu)(shu)垂直(zhi)入射。

　　實(shi)(shi)驗過程中，激(ji)光(guang)(guang)器(qi)發出(chu)的(de)(de)光(guang)(guang)束(shu)先經(jing)擴(kuo)束(shu)鏡擴(kuo)束(shu)，實(shi)(shi)現原(yuan)始光(guang)(guang)束(shu)與MMDM的(de)(de)孔徑匹配，再經(jing)偏振分束(shu)器(qi)和(he)1/4波片到(dao)(dao)達MMDM進行(xing)(xing)波前位相(xiang)調制，垂(chui)直(zhi)反射(she)后(hou)經(jing)由成像(xiang)系統聚(ju)焦到(dao)(dao)達CCD相(xiang)機(ji)，CCD采集光(guang)(guang)斑圖(tu)像(xiang)傳輸(shu)給控制計算機(ji)計算系統的(de)(de)性能評價函(han)數，在此基(ji)礎上利用SPGD的(de)(de)迭代公式得到(dao)(dao)下一個(ge)(ge)控制循(xun)環中對MMDM施加(jia)的(de)(de)控制信號(hao)，由兩個(ge)(ge)40通道(dao)的(de)(de)數模轉換器(qi)并行(xing)(xing)輸(shu)出(chu)，經(jing)高壓放(fang)大(da)器(qi)放(fang)大(da)后(hou)施加(jia)到(dao)(dao)MMDM上。此外，CCD相(xiang)機(ji)可以將采集到(dao)(dao)的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)斑實(shi)(shi)時顯示在計算機(ji)上，從而直(zhi)觀(guan)地表(biao)現出(chu)光(guang)(guang)強(qiang)的(de)(de)變化(hua)情(qing)況(kuang)。

　　實驗結果：

　　圖2：性能(neng)評價(jia)函數隨迭代次(ci)數的變(bian)化曲線

　　實驗過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)通過(guo)(guo)(guo)設置CCD采(cai)集圖(tu)(tu)像的(de)(de)(de)(de)閾值(zhi)來近似消除背(bei)景(jing)噪聲(sheng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，具體設置為(wei)5灰度(du)(du)值(zhi)。另(ling)外，CCD相機的(de)(de)(de)(de)分辨率為(wei)1024×1024像素，而在(zai)采(cai)集的(de)(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像中(zhong)(zhong)(zhong)有(you)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)區(qu)域沒有(you)光(guang)斑(ban)，因(yin)此(ci)在(zai)處理(li)時只提取了(le)光(guang)斑(ban)附近200×200像素的(de)(de)(de)(de)區(qu)域。針對所選的(de)(de)(de)(de)各性(xing)能(neng)評價(jia)函(han)數，綜合考慮(lv)在(zai)整(zheng)形過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)收(shou)(shou)斂(lian)速(su)度(du)(du)、收(shou)(shou)斂(lian)精度(du)(du)和穩(wen)定(ding)(ding)(ding)性(xing)，選取具有(you)較(jiao)(jiao)(jiao)佳整(zheng)形效果的(de)(de)(de)(de)參數組(zu)合。每組(zu)實驗均進行1000次(ci)算法迭代(dai)，得到J1、J2、J3隨(sui)迭代(dai)次(ci)數的(de)(de)(de)(de)變化曲線(xian)如圖(tu)(tu)2所示。由圖(tu)(tu)可以看出(chu)，整(zheng)形過(guo)(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)三種性(xing)能(neng)評價(jia)函(han)數的(de)(de)(de)(de)收(shou)(shou)斂(lian)速(su)度(du)(du)和穩(wen)定(ding)(ding)(ding)性(xing)存在(zai)差異(yi)。J1的(de)(de)(de)(de)初始值(zhi)為(wei)47，在(zai)前30次(ci)迭代(dai)中(zhong)(zhong)(zhong)收(shou)(shou)斂(lian)迅速(su)，但此(ci)后(hou)(hou)存在(zai)比較(jiao)(jiao)(jiao)嚴重的(de)(de)(de)(de)振(zhen)蕩，穩(wen)定(ding)(ding)(ding)性(xing)較(jiao)(jiao)(jiao)差，光(guang)斑(ban)半(ban)徑最終保(bao)持在(zai)23左(zuo)右；J2的(de)(de)(de)(de)初始值(zhi)為(wei)0.1277，經(jing)過(guo)(guo)(guo)260次(ci)迭代(dai)后(hou)(hou)趨于收(shou)(shou)斂(lian)，收(shou)(shou)斂(lian)速(su)度(du)(du)較(jiao)(jiao)(jiao)慢，且存在(zai)一定(ding)(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)抖動(dong)，收(shou)(shou)斂(lian)值(zhi)為(wei)0.7339；J3的(de)(de)(de)(de)初始值(zhi)為(wei)0.2005，在(zai)前140次(ci)迭代(dai)中(zhong)(zhong)(zhong)收(shou)(shou)斂(lian)速(su)度(du)(du)較(jiao)(jiao)(jiao)快，經(jing)過(guo)(guo)(guo)260次(ci)迭代(dai)后(hou)(hou)逐漸趨于穩(wen)定(ding)(ding)(ding)，抖動(dong)較(jiao)(jiao)(jiao)小，收(shou)(shou)斂(lian)值(zhi)為(wei)0.8640。

圖3：整形前后的(de)激光光斑及(ji)其(qi)光強分布

　　如(ru)圖3所(suo)示(shi)，為整形(xing)前的(de)(de)初(chu)始光斑、三種性能評價函(han)數下(xia)算(suan)法各迭代1000次后的(de)(de)光斑及(ji)相應的(de)(de)光強分布。由(you)圖可以看出，J1、J2、J3作為性能評價函(han)數時，MMDM對波前畸(ji)變都有明顯的(de)(de)校正效果(guo)，聚焦光斑的(de)(de)能量集中度有大幅(fu)提高，光束質量明顯變好(hao)；但不同的(de)(de)性能評價函(han)數下(xia)整形(xing)結果(guo)存在較大差異。

　　分(fen)析得到的(de)(de)(de)(de)比較(jiao)(jiao)結果(guo)，J1作(zuo)為性(xing)(xing)能(neng)評(ping)價函(han)數，具(ju)有(you)收(shou)(shou)斂速度(du)快的(de)(de)(de)(de)優勢，但由于只能(neng)取整(zheng)數，容易出現(xian)較(jiao)(jiao)大(da)波動，收(shou)(shou)斂的(de)(de)(de)(de)穩定(ding)性(xing)(xing)較(jiao)(jiao)差。此(ci)外，光(guang)(guang)(guang)斑(ban)的(de)(de)(de)(de)半徑與其光(guang)(guang)(guang)強分(fen)布(bu)(bu)并(bing)不直(zhi)接相關，在MMDM整(zheng)形(xing)能(neng)力有(you)限(xian)的(de)(de)(de)(de)情況下，光(guang)(guang)(guang)斑(ban)減小的(de)(de)(de)(de)程度(du)有(you)限(xian)，優化過程中的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)強變(bian)化難以(yi)確定(ding)，影(ying)(ying)響整(zheng)形(xing)效果(guo)；J2作(zuo)為性(xing)(xing)能(neng)評(ping)價函(han)數，與光(guang)(guang)(guang)強分(fen)布(bu)(bu)直(zhi)接相關，但形(xing)心(xin)的(de)(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)(zhi)與光(guang)(guang)(guang)強無(wu)關，光(guang)(guang)(guang)強較(jiao)(jiao)弱的(de)(de)(de)(de)部分(fen)會明顯影(ying)(ying)響形(xing)心(xin)位(wei)置(zhi)(zhi)，從而嚴重影(ying)(ying)響算法的(de)(de)(de)(de)尋優路(lu)徑，導致收(shou)(shou)斂速度(du)變(bian)慢；J3作(zuo)為性(xing)(xing)能(neng)評(ping)價函(han)數，能(neng)合適地反(fan)應聚焦光(guang)(guang)(guang)斑(ban)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量集中度(du)，收(shou)(shou)斂速度(du)較(jiao)(jiao)快，整(zheng)形(xing)效果(guo)和穩定(ding)性(xing)(xing)較(jiao)(jiao)好。因此(ci)，在基于SPGD算法的(de)(de)(de)(de)激光(guang)(guang)(guang)束聚焦整(zheng)形(xing)應用中，以(yi)上三(san)種性(xing)(xing)能(neng)指標(biao)選擇J3最合適。

　　高壓(ya)放大器推薦：ATA-7050

　　圖：ATA-7050高壓放大器指標參數

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