基于横向压电变形镜的超连续谱激光自适应校正技术研究

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随着超连续谱激光输出功率及光谱范围的不断提升,超连续谱激光在光通信、遥感、主动照明、工业检测等多个领域发挥着越来越重要的作用,然而大功率超连续谱激光光束质量一般较差,大大限制了超连续谱激光的实际应用。引入自适应光学技术对超连续谱激光畸变波前进行补偿,是提升超连续谱激光光束质量的一种有效方案。双压电变形镜压电材料整层粘接,相比传统变形镜,其加工更为简单,具有成本低、结构灵活的特点,适于低阶像差校正,且易于实现大校正行程,但采用双压电变形镜对超连续谱光源进行波前校正的相关研究很少。本文以超连续谱激光光束控制为主要研究内容,探究了超连续谱光源输出的近场波前特性,设计加工了针对离焦、像散为主的低阶像差校正的横向压电变形镜,以SPGD算法为优化控制算法,搭建无波前探测闭环系统对变形镜补偿超连续谱激光像差的能力开展了仿真与实验研究。要对超连续谱激光光束进行控制,首先要明确其波前相位信息。搭建实验测量系统对我所自研的一台400nm-1700nm超连续谱光源的近场波前特性进行了测量,该超连续谱光源在各主要波长处的像差类型基本一致,以离焦和像散为主。考虑到双压电变形镜特别适合小口径光学系统低阶像差校正的特点,以双压电变形镜结构为基础,设计了针对低阶像差校正,兼具大行程特点的19单元横向压电变形镜。对其表面变形能力开展仿真研究,变形镜各电极的形变能力比较均衡,加300V驱动电压时,各电极影响函数的PV值都在1μm左右。然后,依上述设计方案加工制造变形镜实镜,测量了变形镜主要的性能指标参数,300V电压下,各电极实际变形量均大幅超过仿真结果,对单晶硅镜面边缘的松固定方式对变形镜行程提升有着显著效果,调节变形镜边缘压紧程度亦能对变形镜形变范围做小幅调整。变形镜的频率响应特性也比较优秀。随后,对SPGD算法控制该变形镜的可行性、算法收敛速度和校正效果进行分析,算法1000次迭代后,波前PV值由校正前的1.135λ减小到0.1526λ,远场光斑SR由0.1提升到0.9907,运算耗时约150s,说明了采用SPGD算法控制该变形镜校正低阶像差可行,且快速、有效。最后,以超连续谱光源、19单元横向压电变形镜、SPGD控制算法、CCD成像器件等为基础建立闭环实验平台,实现了对超连续谱光源全波长输出的闭环校正,系统闭环后的远场光斑发散情况明显好转,表明采用横向压电变形镜补偿超连续谱光源像差,能够获得较好的校正效果。
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