电压放大器在纳秒固体板条激光器光束净化实验中的应用
实验名称：高功率纳秒固体板条激光器光束净化实验
测试设备：电压放大器、波前传感器、倾斜镜、变形镜、激光器等。
实验过程：
图1：混合式光束净化系统原理示意图
混合式自适应光束净化系统实验装置图如图1所示，其主要由四部分组成：第一部分为高平均功率、高重复频率的纳秒板条激光器；第二部分为低阶像差自动校正系统，此系统中采用四片式的光学结构，是三片式校正系统的优化结果。四片透镜各自独立的安装于间隔调整系统中，间隔调整系统根据H-S测量的像差信息在波前处理器的控制下，自动调整透镜的空气间隔，以满足大幅值低阶像差校正以及光束尺寸匹配的要求；第三部分为AO校正系统，此系统为有波前探测的AO系统，主要由倾斜镜(TTM)、变形镜(DM)、电压放大器、波前处理器以及波前传感器组成。倾斜镜用于校正光束的整体倾斜像差，能够有效释放DM驱动器的行程，并且保证出射光束的指向，实验中采用的TTM行程为±3′。DM用于产生入射波前的共轭波前面型，经其反射后出射光束的波前像差能够得到良好的校正，混合式自适应光束净化系统中采用的DM为59单元连续面型的变形镜，驱动器行程能够达到±3μm。
图2：混合式光束净化系统工作流程图
混合式光束净化系统的工作流程图如图2所示，首先，H-S1对板条激光器出射光束的初始像差信息进行测量，并反馈给波前处理器，波前处理器驱动低阶像差自动校正系统工作，采用直接校正策略，将四片透镜移动到满足低阶像差校正以及尺寸匹配的位置，对工作点处的大幅值低阶像差成分进行初步校正。之后H-S2对经过LOAC系统校正后的波前信息进行测量，并将残余像差的斜率信息反馈给波前处理器，由波前处理器进行判断。当残余像差的波前PV值≥4μm时，驱动低阶像差自动校正系统工作，并采用调整校正策略解决工作点处像差变动的问题；当残余像差的波前PV值<4μm时，波前处理器将H-S2反馈的斜率信息，转换为电压信号，发送给电压放大器，使其产生TTM与DM的工作电压，最终驱动DM产生相应的面型，从而实现残余像差的精细校正。经过上述两步校正的净化系统后，出射光束能够达到近衍射极限的光束质量。
实验结果：
图3：经低阶像差校正的出射光束相关参数。(a)光束波前信息(μm)，PV=1.91μm，RMS=0.29μm；(b)远场强度分布，β=2.86
经过LOAC系统进行低阶像差校正后的波前信息与远场强度分布信息可如图3所示。其中(a)图为仅经LOAC系统校正后出射光束的波前信息，波前PV值从26.47μm减小到1.91μm，RMS值从6.12μm减小到0.29μm。校正后的远场强度分布可由图(b)所示，经校正后光束质量β因子能够从18.42倍衍射极限提升到2.86倍衍射极限，光束质量得到了显著的提升。
图4：经LOAC系统校正后各项Legendre多项式的系数
图4中给出了仅经LOAC系统校正后出射光束各项Legendre多项式的系数，其中表征离焦和像散像差的第4项和第6项系数明显减��，经LOAC系统校正后出射光束中的低阶像差成分得到了有效的校正，且其残余像差成分主要为高阶像差。其中构成球差项(11项、13项和15项)中的11项、13项系数较��，表明经过优化后，四片式的结构能够起到抑制自身球差的效果。而第15项、21项、28项系数的增加主要是由于波前成“M”形突变导致的。波前“M”形的变形，为固体板条激光器较为常见的波前畸变，残余像差的面型与之前的实验基本一致。
图5：校正前后近场光斑强度分布。(a)校正前；(b)校正后
经过上述对波前信息的分析，表明低阶像差成分得到了有效的校正，因此还需对近场光斑形态的变动情况进行分析，测量结果如图5所示。
校正前入射光束的近场强度分布如图(a)所示，其光束尺寸为7mm×35mm，光斑形态呈宽高比为1：5的长条形。经过LOAC系统进行尺寸变换后的近场强度分布如图(b)所示，其光束尺寸为42mm×44mm，光斑形态变换为宽高比近似1：1的正方形。经其校正后，满足了后续应用中对光束尺寸匹配的要求。
实验结果表明，经LOAC系统校正后，初始入射光束中的大幅值低阶像差成分和光斑形态宽高比较小的问题得到了同时的解决。
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