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随机并行梯度下降自适应光学技术在光束净化中的应用

王三宏  
【摘要】: 自适应光学(Adaptive Optics: AO)是一门研究实时自动改善光波波前质量的新兴学科。随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent: SPGD)算法是一种通过对所有变量同时扰动来测量各变量梯度估计的梯度下降算法,它较之传统的最优化方法具有快速收敛的明显优势,这使得基于该方法的波前畸变校正技术成为目前自适应光学领域的研究热点。该方法避免了基于波前测量的自适应光学系统中测量波前畸变所带来的一系列问题,且其系统结构简单紧凑、成本低,在一些工作带宽要求不是很高的应用场合具有很大的优势。本文主要研究这种基于随机并行梯度下降算法的自适应光学(SPGD AO)技术及其用于光束净化以改善激光器输出光束质量的可行性。论文的主要工作及创新点如下: 一、本文在阐述SPGD AO系统工作原理的基础上,建立了SPGD AO系统的数值模型,以实现光束净化及激光束大气传输等应用的数值模拟实验。从理论上详细分析了影响SPGD AO系统的收敛极限及收敛速度的限制因素,并采用SPGD AO数值模拟系统进行了相关的模拟实验。结果表明扰动幅度及增益系数的选择对收敛极限和收敛速度有较大影响,实际应用中需要综合考虑对收敛极限和收敛速度的要求以优化系统的整体性能。 二、本文提出了SPGD算法实现上的两种新方法——分区域耦合法与多级校正法。分区域耦合法采用SPGD算法控制高分辨率波前校正器与由其虚拟产生的低分辨率波前校正器同步工作,低分辨率波前校正器用于快速校正波前畸变中空间尺度较大、时间变化较慢的成分以提高SPGD AO系统的收敛速度。多级校正法中先用低分辨率的波前校正器完成对大尺度波前畸变的校正,然后再换用较高分辨率的波前校正器来校正残余的较小尺度的波前畸变。该方法避免了双波前校正器耦合工作时的互相干扰。数值模拟结果证实这两种方法,特别是多级校正法,不仅提高了SPGD AO系统的收敛速度,而且保持了较好的收敛极限。 三、本文建立了SPGD AO实验系统,并提出了在实验中确定扰动幅度和增益系数的方法。该系统以CCD像机测量得到的远场光斑图像的清晰度作为系统性能评价函数,通过在计算机上运行SPGD控制程序控制一台37单元的变形镜来校正波前畸变。通过在变形镜上按时序引入逐渐增强的相位畸变,并利用SPGD算法控制同一变形镜对此动态相位畸变进行校正,仿真了SPGD AO系统对高能激光束的动态净化过程。实验结果显示,引入净化过程后,激光束质量始终维持在较高水平上而没有恶化,从而达到了光束净化的目的。为提高SPGD AO系统的工作带宽,改用光电探测器测量焦斑上针孔内的光功率,并以针孔内的光功率作为系统性能评价函数建立了迭代速率达100 Hz以上的SPGD AO系统。新系统对人工湍流的动态校正实验结果显示,校正后针孔内的光功率达到了校正前的2.2倍,且时间零频分量得到了增强。这证明该系统在现有硬件基础上具备了对动态波前畸变的校正能力。 通过测量性能评价函数扰动量随扰动幅度的变化关系,并令性能评价函数扰动量的测量值大于测量噪声的两倍,即可确定扰动幅度的最小取值;通过测量性能评价函数扰动量为正值的概率随扰动幅度的变化关系,令此概率大于某一阈值即可确定扰动幅度的最大取值。通过令增益系数与性能评价函数扰动量的乘积的绝对值为1,即可确定增益系数的合理取值。 四、本文首次采用SPGD AO技术对MOPA结构的固体激光器的输出光束进行了净化实验。为克服激光功率起伏对性能评价函数测量的不利影响,在上述SPGD AO实验系统中另加一个光电探测器用于测量激光的总功率,改用远场光斑的桶中功率作为系统性能评价函数。为得到待校正的激光束,使用波长为532 nm的指示激光穿过激光放大器中的Nd:YAG晶体,从放大器输出的指示激光的功率不会增大但波前却会发生热致畸变从而降低光束质量。对此波前畸变激光束的净化结果表明:SPGD AO系统可以改善激光束的质量,但随着泵浦电流的提高,热致波前畸变增强,净化后的光束质量有所下降。然后,使用波长为1064 nm的激光穿过上述激光放大器,建立了主振荡功率放大(Master Oscillator Power Amplifier: MOPA)结构的固体激光器系统,对此激光器系统输出光束的净化结果同样表明SPGD AO系统可以不同程度地改善不同畸变情况下激光束的质量。 综上所述:SPGD AO系统用于激光器的腔外光束净化是可行的,净化效果与待校正波前的畸变程度、SPGD AO系统的空间分辨率及系统工作带宽有关。


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