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自适应光学波前探测新概念研究

侯静  
【摘要】: 我们全面系统地对共光路/共模块(Common Path/Common Mode)自适应光学作了理论和实验两方面工作,主要针对系统关键器件、数据融合处理、全系统闭环实现以及误差分析等进行了深入地研究,并成功实现了CP/CM系统的闭环实验;同时也对利用非线性光学变频过程拓展哈特曼传感器红外探测波段作了探索性的工作,主要针对位相畸变光束倍频过程作了数值和实验研究。 自适应光学进行光束大气传输波前畸变校正时,要求系统必须能进行光束净化和校正大气湍流造成的波前畸变,并且能够同时有效地克服发射系统制造误差、重力变形以及光路内部气体扰动的影响,得到接近衍射极限的输出激光光束。常规自适应光学系统仅能有针对性校正其中一部分,而CP/CM自适应光学正是针对以上弱点提出的自适应光学新技术,实现了全光路像差的探测与校正,对提高系统的集成性和可靠性都有十分重要的意义。 针对不同的应用环境,提出了四种CP/CM衍生光路;进行了关键器件——角反射器阵列的保真度分析,给出了角反射器阵列作为伪相位共轭器件,与哈特曼—夏克波前传感器的匹配条件,认为角反射器阵列的布局要与哈特曼波前传感器的微透镜阵列布局完全对应,才能达到最优探测效果;提出了四种双哈特曼传感器控制一套波前校正器的数据融合方式,并逐一进行了分析,认为加修正因子斜率融合和电压融合方式在目前工程中是适用的,并进行了相应的数值模拟;给出了哈特曼传感器自身的调整误差分析过程,得到了误差可通过常规标定消除的判断依据;通过数值计算,得到了常规自适应光学系统和CP/CM系统哈特曼传感器和变形镜的对准误差对系统性能的影响,给出了两种系统对于不同对准误差情况下校正效果的变化情况和相应系统容限;以37单元自适应光学系统为基础,搭建了CP/CM自适应光学系统光路,并完成了系列CP/CM功能实现实验,运用双哈特曼传感器数据融合,成功实现了CP/CM自适应光学系统的闭环实验。 这部分工作为CP/CM自适应光学展现了很好的应用前景,为后续CP/CM自适应光学真正走向工程实际应用打下了坚实的理论和实验基础。 另一方面,我们又对利用非线性光学频率变换方法拓宽探测器件的响应波段,做了探索性的工作。重点研究了位相畸变光束的倍频过程中,谐波的位相分布是否能与基波的波前畸变有一定的保真度,二者关系如何。 首次从三维三波相互作用方程组推导得到了位相畸变光束倍频的小信号解;通过建立 国防科学技术人学研究生院学位论文 三维数值模型,编写相应仿真程序,首次得到了位相畸变光束倍频过程的大量计算结果, 深入细致地研究了位相畸变光束经非线性光学频率变换后谐波的转换效率、光强分布、位 相分布以及影响它们的各种因素;得出谐波的远场发散角和光斑二阶矩的变化规律会因为 基波像差的不同而不同,但谐波的远场发散角明显地比相应基波的小的结论;得到了在走 离效应和衍射效应等影响许多因素可以忽略的情况下,位相畸变传递到二次谐波的估算 式;举例分析了KDP三倍频方案中,基波位相畸变对二次谐波和三次谐波的影响;实验 工作中,用哈特曼一夏克传感器分别对IO64nm倍频过程和790飞秒超短脉冲倍频过程中的 基波和谐波的位相分布进行了测量,给出了相应结果。 研究结果表明位相失配和走离效应是影响谐波位相的重要因素;像差在非线性光学过 程中传递结果不是线性叠加的,而是非线性的。这说明利用非线性光学频率变换方法拓宽 波前传感器件的响应波段是很难实现的,但是,通常三波相互作用过程的研究均是建立在 平面波和理想高斯光束之上,因此我们对于位相畸变倍频过程的研究是非线性光学领域一 个重要而有意义的新课题,它有助于人们更加深入理解非线性光学效应,为进一步合理利 用之奠定了理论和实验的基础。


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