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(tǒng)原理示意圖

混合式自適應光束凈化系統(tǒng)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(tǒng)，此系統(tǒng)中采用四片式的光學結構，是三片式校正系統(tǒng)的優(yōu)化結果。四片透鏡各自獨立的安裝于間隔調整系統(tǒng)中，間隔調整系統(tǒng)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(tǒng)，此系統(tǒng)為有波前探測的AO系統(tǒng)，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(tǒng)中采用的DM為59單元連續(xù)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(tǒng)工作流程圖

混合式光束凈化系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)校正后各項Legendre多項式的系數

圖4中給出了僅經LOAC系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(tài)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(tài)呈寬高比為1：5的長條形。經過LOAC系統(tǒng)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(tài)變換為寬高比近似1：1的正方形。經其校正后，滿足了后續(xù)應用中對光束尺寸匹配的要求。

實驗結果表明，經LOAC系統(tǒng)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(tài)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