论文部分内容阅读
在高功率激光系统中,影响其性能的主要因素是系统的增益能力和负载能力,而提高系统的负载能力关键在于提高光学元件的损伤阈值和光束近场分布的均匀性。激光光束在传输和放大过程中,由于光学元件质量,硬边光阑,泵浦噪声,增益饱和,热畸变,灰尘,污染颗粒物,非线性效应,杂物散光和环境噪声等会给近场光束引入振幅调制和相位调制,破坏近场光束分布的均匀性。这些调制又可以归结为单一的遮拦物引起的调制,非周期性随机分布调制和周期性调制三种类型,其中,周期性调制不仅给近场光束引入周期性调制,而且会给远场的焦斑引入旁瓣,此旁瓣的位置对应于周期性调制的空间频率,在高通量运行时,某些频段的周期性调制还会由于非线性效应而迅速增长,引起小尺度自聚焦并对后续光学元件产生损伤威胁。 近场中的周期性调制通常用空间滤波器来滤除,但是空间滤波器在高功率激光系统应用中,还存许多问题,比如等堵孔效应,结构冗长,高真空度的要求等,其中,堵孔效应是影响系统输出能力最重要的因素之一。为了解决这些问题,相关的研究人员提出了对滤波小孔的结构进行改造,滤波小孔历经了垫圈型,四叶型和锥孔型三种类型,其中锥孔型滤波小孔的性能最好,目前已被应用到美国国家点火装置(NIF)的预放系统中。此外,还有研究人员提出了狭缝型空间滤波器,其将传统的凸透镜换成了柱透镜,使焦斑变成了焦线,大大增加了焦面处光场的面积,降低了焦面处的光功率密度。 此外,空间光调制器能调节光场的强度,相位和偏振状态,逐渐被应用到大型激光系统中,不过目前应用最多的是在光束整形方面。考虑到前面提到的空间滤波器在应用中遇到的问题,能不能借助空间光调制器对周期性调制近场光束进行补偿的方法,来避免产生堵孔效应,进而提高近场的光束质量,是所要研究的内容。 本论文主要的研究内容如下: 1、利用迭代权重算法对近场中的周期性调制进行补偿,在迭代权重算法中,针对周期性调制补偿的问题,参数的选择以循环前十次后输出光束的对比度进行比较而得的,这种方法比用尝试法确定参数更有针对性和选择性,此外,对光场相位的提取利用MATLAB中的angle函数,可以避免迭代算法中分母出现为零的情况而使迭代终止。这种方法在使用过程中不需要使用空间滤波器的滤波小孔,因而避免了堵孔效应的发生,最后,数值模拟和实验验证了这种方法的可行性。 2、理论分析和数值模拟了矩形相位载波,二元相位载波,闪耀相位载波和正弦相位载波对周期性调制近场光束的补偿,其中,矩形相位载波和正弦相位载波对周期性调制近场光束的补偿效果最好,不论是振幅型周期性调制还是相位型周期性调制,都可以用这种方法进行补偿。这种方法的原理是通过改变矩形相位载波的相位幅度来控制周期性调制空间频率的强度,另外矩形相位载的周期影响振幅型周期性调制的空间频率强度极大值的位置。这种方法使用时可以考虑使滤波小孔的半径设置的大一点,在避免卡边效应发生的同时也有利于缓解滤波小孔堵孔效应的发生。 3、实验验证了矩形相位载波对周期性调制近场光束的补偿,矩形相位载波的相位分布可以控制周期性调制空间频率的强度,其相位幅度差和振幅型周期性的空间频率强度有关,其相位分布平均值和相位型周期性的空间频率强度有关,此外,合理的选取矩形相位载波的周期来确保相位载波调制后的高阶空间频率全部在滤波小孔的截止频率范围之外。通过对实验结果和数值模拟结果中相位载波调制后的空间频率分布进行对比,证明了这个方法的可行性而且分析了两者存在差异的原因。此外,也对未加载矩形相位载波和加载周期为2个像素的矩形相位载波时输出近场光强分布图及对应的一维平均功率谱密度(PSD)曲线进行了比较分析,周期性调制的空间频率峰值下降了一个数量级,并降低到了本底值附近。