實驗名稱：高(gao)功率納秒(miao)固體(ti)板條激(ji)光器光束凈化實驗

　　測試設備：電壓放大器、波(bo)前傳感器、傾斜鏡(jing)、變形鏡(jing)、激光器等。

　　實驗過程：

　　圖(tu)1：混合式光束凈化系統原理示意圖(tu)

　　混(hun)(hun)合式自(zi)(zi)適應光(guang)(guang)束(shu)凈化(hua)系(xi)(xi)(xi)統(tong)實(shi)驗裝置圖如圖1所示，其主要(yao)由四(si)部(bu)(bu)分組成：第(di)一部(bu)(bu)分為高(gao)(gao)平均功(gong)率(lv)、高(gao)(gao)重復頻率(lv)的(de)(de)(de)納秒(miao)板條激光(guang)(guang)器(qi)；第(di)二部(bu)(bu)分為低階像差自(zi)(zi)動(dong)校正(zheng)系(xi)(xi)(xi)統(tong)，此(ci)系(xi)(xi)(xi)統(tong)中(zhong)(zhong)采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)四(si)片(pian)式的(de)(de)(de)光(guang)(guang)學結(jie)構，是三(san)片(pian)式校正(zheng)系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)優化(hua)結(jie)果。四(si)片(pian)透鏡(jing)各自(zi)(zi)獨立的(de)(de)(de)安(an)裝于間(jian)隔調整(zheng)系(xi)(xi)(xi)統(tong)中(zhong)(zhong)，間(jian)隔調整(zheng)系(xi)(xi)(xi)統(tong)根據H-S測(ce)量的(de)(de)(de)像差信息(xi)在波前(qian)處理(li)器(qi)的(de)(de)(de)控制下，自(zi)(zi)動(dong)調整(zheng)透鏡(jing)的(de)(de)(de)空氣間(jian)隔，以滿足大幅(fu)值低階像差校正(zheng)以及(ji)光(guang)(guang)束(shu)尺(chi)寸匹配(pei)的(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)；第(di)三(san)部(bu)(bu)分為AO校正(zheng)系(xi)(xi)(xi)統(tong)，此(ci)系(xi)(xi)(xi)統(tong)為有波前(qian)探測(ce)的(de)(de)(de)AO系(xi)(xi)(xi)統(tong)，主要(yao)由傾(qing)斜鏡(jing)(TTM)、變(bian)形鏡(jing)(DM)、電壓(ya)放(fang)大器(qi)、波前(qian)處理(li)器(qi)以及(ji)波前(qian)傳感器(qi)組成。傾(qing)斜鏡(jing)用(yong)(yong)(yong)于校正(zheng)光(guang)(guang)束(shu)的(de)(de)(de)整(zheng)體傾(qing)斜像差，能夠(gou)(gou)有效釋放(fang)DM驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)(de)(de)行程，并且保證出射光(guang)(guang)束(shu)的(de)(de)(de)指(zhi)向，實(shi)驗中(zhong)(zhong)采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)TTM行程為±3′。DM用(yong)(yong)(yong)于產生入射波前(qian)的(de)(de)(de)共軛波前(qian)面型，經其反射后出射光(guang)(guang)束(shu)的(de)(de)(de)波前(qian)像差能夠(gou)(gou)得到(dao)良好的(de)(de)(de)校正(zheng)，混(hun)(hun)合式自(zi)(zi)適應光(guang)(guang)束(shu)凈化(hua)系(xi)(xi)(xi)統(tong)中(zhong)(zhong)采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)DM為59單(dan)元連(lian)續面型的(de)(de)(de)變(bian)形鏡(jing)，驅(qu)動(dong)器(qi)行程能夠(gou)(gou)達到(dao)±3μm。

　　圖2：混合式(shi)光束(shu)凈(jing)化系(xi)統工作(zuo)流程(cheng)圖

　　混合式光(guang)(guang)(guang)(guang)束凈化(hua)(hua)系(xi)(xi)統的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)流程(cheng)圖如圖2所示，首先，H-S1對板條激光(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)出(chu)(chu)射光(guang)(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)(de)(de)初(chu)始像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)信(xin)息(xi)(xi)進(jin)行測量，并(bing)反(fan)饋(kui)給波前(qian)(qian)處(chu)理器(qi)，波前(qian)(qian)處(chu)理器(qi)驅動低(di)階(jie)(jie)像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)自動校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)正(zheng)系(xi)(xi)統工作(zuo)，采用直接校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)正(zheng)策(ce)略，將(jiang)四(si)片透鏡移動到滿足低(di)階(jie)(jie)像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)正(zheng)以及尺寸(cun)匹配的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)，對工作(zuo)點處(chu)的(de)(de)(de)(de)大(da)幅(fu)值(zhi)(zhi)低(di)階(jie)(jie)像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)成分(fen)進(jin)行初(chu)步(bu)校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)正(zheng)。之(zhi)后(hou)H-S2對經(jing)過LOAC系(xi)(xi)統校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)正(zheng)后(hou)的(de)(de)(de)(de)波前(qian)(qian)信(xin)息(xi)(xi)進(jin)行測量，并(bing)將(jiang)殘(can)余像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)(de)斜率(lv)信(xin)息(xi)(xi)反(fan)饋(kui)給波前(qian)(qian)處(chu)理器(qi)，由波前(qian)(qian)處(chu)理器(qi)進(jin)行判(pan)斷。當殘(can)余像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)(de)波前(qian)(qian)PV值(zhi)(zhi)≥4μm時，驅動低(di)階(jie)(jie)像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)自動校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)正(zheng)系(xi)(xi)統工作(zuo)，并(bing)采用調整校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)正(zheng)策(ce)略解(jie)決工作(zuo)點處(chu)像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)變動的(de)(de)(de)(de)問題；當殘(can)余像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)(de)波前(qian)(qian)PV值(zhi)(zhi)<4μm時，波前(qian)(qian)處(chu)理器(qi)將(jiang)H-S2反(fan)饋(kui)的(de)(de)(de)(de)斜率(lv)信(xin)息(xi)(xi)，轉換為(wei)電壓信(xin)號，發送給電壓放大(da)器(qi)，使其產生(sheng)TTM與DM的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)電壓，最終(zhong)驅動DM產生(sheng)相應的(de)(de)(de)(de)面型，從而實現(xian)殘(can)余像(xiang)(xiang)差(cha)(cha)的(de)(de)(de)(de)精細校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)正(zheng)。經(jing)過上述兩步(bu)校(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)正(zheng)的(de)(de)(de)(de)凈化(hua)(hua)系(xi)(xi)統后(hou)，出(chu)(chu)射光(guang)(guang)(guang)(guang)束能夠達到近衍射極限的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)束質量。

　　實驗結果：

　　圖3：經低階像(xiang)差校正的出(chu)射光(guang)束相關參數。(a)光(guang)束波前信息(μm)，PV=1.91μm，RMS=0.29μm；(b)遠(yuan)場強度分布(bu)，β=2.86

　　經(jing)過LOAC系(xi)(xi)統進行低(di)階像差校正后(hou)的波前信息(xi)與遠場(chang)強(qiang)度(du)分(fen)布信息(xi)可(ke)如圖3所(suo)示。其中(a)圖為僅經(jing)LOAC系(xi)(xi)統校正后(hou)出射光束(shu)的波前信息(xi)，波前PV值(zhi)(zhi)從26.47μm減(jian)小到(dao)1.91μm，RMS值(zhi)(zhi)從6.12μm減(jian)小到(dao)0.29μm。校正后(hou)的遠場(chang)強(qiang)度(du)分(fen)布可(ke)由圖(b)所(suo)示，經(jing)校正后(hou)光束(shu)質量β因子能(neng)夠從18.42倍衍(yan)射極限提升到(dao)2.86倍衍(yan)射極限，光束(shu)質量得到(dao)了顯著(zhu)的提升。

　　圖4：經LOAC系(xi)統校(xiao)正(zheng)后各(ge)項Legendre多項式(shi)的系(xi)數(shu)

　　圖4中(zhong)給出了僅經LOAC系(xi)統(tong)校正后(hou)出射光束各項(xiang)Legendre多項(xiang)式的(de)(de)(de)(de)系(xi)數，其(qi)中(zhong)表征離焦和(he)像散像差的(de)(de)(de)(de)第4項(xiang)和(he)第6項(xiang)系(xi)數明顯減小，經LOAC系(xi)統(tong)校正后(hou)出射光束中(zhong)的(de)(de)(de)(de)低(di)階像差成(cheng)(cheng)分(fen)得(de)到了有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)校正，且其(qi)殘余像差成(cheng)(cheng)分(fen)主要為高階像差。其(qi)中(zhong)構成(cheng)(cheng)球差項(xiang)(11項(xiang)、13項(xiang)和(he)15項(xiang))中(zhong)的(de)(de)(de)(de)11項(xiang)、13項(xiang)系(xi)數較小，表明經過(guo)優化后(hou)，四(si)片式的(de)(de)(de)(de)結構能夠(gou)起到抑制自身球差的(de)(de)(de)(de)效(xiao)果。而(er)第15項(xiang)、21項(xiang)、28項(xiang)系(xi)數的(de)(de)(de)(de)增加主要是由于波(bo)前(qian)成(cheng)(cheng)“M”形突變(bian)導致(zhi)的(de)(de)(de)(de)。波(bo)前(qian)“M”形的(de)(de)(de)(de)變(bian)形，為固體板條激光器較為常(chang)見的(de)(de)(de)(de)波(bo)前(qian)畸變(bian)，殘余像差的(de)(de)(de)(de)面型與之前(qian)的(de)(de)(de)(de)實驗(yan)基本(ben)一致(zhi)。

　　圖5：校(xiao)正(zheng)前后(hou)近(jin)場光斑強(qiang)度分布。(a)校(xiao)正(zheng)前；(b)校(xiao)正(zheng)后(hou)

　　經過上述對波前信息(xi)的分析，表明低階(jie)像(xiang)差成(cheng)分得(de)到(dao)了有效的校正，因此還需對近場(chang)光斑形態的變動情況(kuang)進行分析，測量結果如(ru)圖5所示。

　　校正(zheng)前入射光(guang)(guang)束(shu)的(de)(de)(de)近(jin)場強度分(fen)布如圖(tu)(a)所示(shi)，其光(guang)(guang)束(shu)尺(chi)寸(cun)(cun)為7mm×35mm，光(guang)(guang)斑(ban)形(xing)態(tai)呈寬(kuan)高比為1：5的(de)(de)(de)長條形(xing)。經過LOAC系(xi)統進行尺(chi)寸(cun)(cun)變換后的(de)(de)(de)近(jin)場強度分(fen)布如圖(tu)(b)所示(shi)，其光(guang)(guang)束(shu)尺(chi)寸(cun)(cun)為42mm×44mm，光(guang)(guang)斑(ban)形(xing)態(tai)變換為寬(kuan)高比近(jin)似1：1的(de)(de)(de)正(zheng)方形(xing)。經其校正(zheng)后，滿足了后續應用中(zhong)對光(guang)(guang)束(shu)尺(chi)寸(cun)(cun)匹配的(de)(de)(de)要求。

　　實驗結果表(biao)明，經LOAC系統校正(zheng)后，初始入射光束中(zhong)的(de)大幅值低階像差成分和光斑形態寬高比(bi)較小的(de)問題得到了(le)同時的(de)解決。

　　電(dian)壓放(fang)大器(qi)推(tui)薦：ATA-2081

　　圖：ATA-2081高壓放大器指標參數

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