IOE OpenIR  > 光电技术研究所博硕士论文
基于自适应光学的激光束整形系统研究
何杰铃
Subtype博士
Thesis Advisor张雨东
2016-05
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Keyword光束整形 自适应光学 系统分析 随机并行梯度下降算法
Abstract
由于自身良好的特性,激光自发明以来就得到广泛的应用。但是随着科学技术的发展,高斯光束已不能满足实际应用中对光束形态与能量分布的要求。激光束整形技术应运而生。利用该技术对高斯光束进行整形,以获取满足应用要求的激光束。在众多激光束整形技术中,基于自适应光学的激光束整形技术最具潜力和发展前景。它通过控制变形镜面形调制入射光场复振幅分布,以实现光束整形,因而具有控制灵活、适应性好、面形多样化、光能传输效率高、损伤阈值高等特点。但是,现有研究缺乏激光束整形系统的系统分析以及变形镜参数对系统性能影响的研究。为了充分了解并发挥基于自适应光学的激光束整形系统的性能,本文对其进行了一系列深入详细的分析研究。
第一, 为了对激光束整形系统性能进行量化分析,本文建立了基于近场调制位相与远场整形光强的系统性能评价指标体系,包括近场调制位相的PV与RMS值,远场整形光强的相关系数与光强偏离残差平方和均值。
第二, 近场调制位相是激光束整形系统研究的重要对象。由于方形或圆形均匀目标光强自身的数学特性,近场调制位相近似解可通过积分渐近近似方法获取。为了解决积分渐近近似法的局限性,本文提出一种基于泽尼克模式的随机并行梯度下降算法以获取近场调制位相。
第三, 目标光强形态大小是激光束整形系统的一个重要参数,不仅对近场调制位相分布有着直接影响,也会影响远场整形光强。本文利用拉格朗日乘数法等数学方法,分析目标光强形态大小对近场调制位相及远场整形光强的影响。
第四, 光瞳截断作用直接影响入射光场及近场调制位相分布,并间接影响远场光强整形性能。在研究光瞳截断作用对远场光强整形性能影响规律的基础上,本文建立远场光强整形性能评价指标关于光瞳半径及目标光强形态大小参数的数学模型。根据数学模型,本文提出一种最优光瞳半径的选取方法。
第五, 变形镜是基于自适应光学的激光束整形系统的核心位相调制元件。变形镜面形由驱动器影响函数及控制电压决定。本文研究了变形镜影响函数数学模型中的参数:驱动器间距、交连值及高斯指数,对激光束整形系统性能的影响。其中的变化规律,为变形镜参数选择提供依据。
第六, 激光束整形系统研究目标是获取与目标光强尽可能相似的远场整形光强。变形镜拟合近场调制位相常用方法是最小二乘法,可以获取最小拟合误差。本文分析了最小拟合误差与最优远场整形性能的关系,发现最小拟合误差并不对应最优远场整形性能。在此基础上,本文提出了一种基于最小二乘法的随机并行梯度下降优化算法,并利用该方法进行近场调制位相拟合,激光束整形系统性能有明显提升。
第七, 本文研究近场调制位相分布特性,并据此选择变形镜,搭建基于Bimorph的无波前探测激光束整形系统,利用随机并行梯度下降控制算法完成方形均匀目标光强整形实验。
第八, 为弥补单变形镜激光束整形系统的不足,本文利用Bimorph变形镜、3mm极间距PZT变形镜以及夏克-哈特曼波前探测器,搭建基于双变形镜的激光束整形系统。利用直接斜率法闭环实现远场方形与圆形均匀目标光强整形实验。为了验证变形镜拟合方法对远场整形性能影响,利用直接斜率法获取的控制电压为初始值,通过双扰动随机并行梯度下降算法继续优化电压。对比发现,随机并行梯度下降算法优化电压有利于远场光强整形性能提升。
Subject Area光学工程
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/7994
Collection光电技术研究所博硕士论文
Affiliation中国科学院光电技术研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
何杰铃. 基于自适应光学的激光束整形系统研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2016.
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