基于电寻址空间光调制器的光束控制关键技术研究

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高功率激光装置系统中,为了提高激光光束的近场填充因子,提高能量利用率,需要对前端系统注入的高斯光束进行空间整形。主动光束整形器件——液晶空间光调制器(liquid crystal spatial light modulator,简称LC-SLM)凭借其高对比度,高分辨率,可编码等优点,已经成为重要的空间整形器件。电寻址液晶空间光调制器已实现高度商品化,振幅型和位相型调制器也被广泛应用于科学研究。本文对电寻址液晶空间光调制器所存在的一些问题进行了分析,并研究了利用纯位相型空间光调制器进行光束复振幅调制的整形方案,理论分析了复振幅调制技术在高功率激光装置中的整形能力。主要内容分为三个部分:  (1)从液晶的光学偏振特性出发分析液晶对透过率和附加位相的影响,得出了电寻址液晶光阀的Jones矩阵,并分析了液晶的振幅调制和位相调制模式的差异:从材料上来说,振幅调制模式需要扭曲向列型液晶,而位相调制模式需要向列型液晶;从调制效果来说,液晶光阀可以实现纯位相调制,但无法实现纯振幅调制,在振幅调制时会引入附加位相。通过数值拟合,得到了振幅调制时透过率和附加位相的对应关系,并对附加位相在高功率激光装置中的影响进行了分析。  (2)理论分析并去除电寻址液晶空间光调制器的“黑栅”效应。具体工作如下:  Ⅰ.基于电寻址液晶光阀的寻址结构,理论分析了“黑栅”效应对光束整形的影响。黑栅会使成像结果变得模糊,降低分辨率,还会产生多级衍射像,降低衍射光的利用率。  Ⅱ.提出了小孔滤波去除“黑栅”效应的方案,通过MATLAB仿真计算最大滤波半径rmax和最佳滤波半径rbest。计算发现,当黑栅结构保持不变时,入射光束口径对滤波孔衍射极限倍数选取起重要作用。另外,小孔滤波对空间能量的利用率为83.59%,可保证能量的有效通过。  Ⅲ.研究了电寻址液晶光阀的开口率对整形效果的影响,为了达到更高的精度控制能力,使整形误差小于2.25×10-5,空间光调制器的开口率最好大于64%。  (3)利用纯位相型液晶空间光调制器和空间滤波器实现了光束的复振幅调制,大大降低整形光路的复杂性。具体工作如下:  Ⅰ.根据高功率激光系统的要求将高斯光束整形成中心反抛物线,边缘超高斯分布的目标光束,并同时将位相整形成目标分布,证明了复振幅调制技术的整形效果。  Ⅱ.以平顶超高斯光束为目标光束,分析了高功率激光系统中,滤波小孔大小和位相调制周期对整形结果的影响。得出结论:位相板周期数越小整形精度越高,但出于成本和制作难度考虑,周期数取8或16像素为宜;若系统要求的误差水平为均方根误差小于10%,滤波孔半径的变化范围为20-40倍衍射极限。  Ⅲ.理论计算了强度调制中不同截止频率对应的滤波孔选取范围:利用呈中心对称的周期性正弦函数强度分布,研究了高功率激光系统中,不同频率成分的强度调制误差随滤波孔大小的变化情况,并由此分析为了让强度分布中高频成分通过,滤波孔的合理选取范围。  Ⅳ.分析了系统“预屏蔽”能力,研究当系统滤波孔取不同大小时,屏蔽小孔的最小半径。若系统要求的误差水平为均方根误差小于10%,当滤波孔取10DL(10倍衍射极限,diffraction limit,简称DL)时,最小屏蔽孔直径为0.77mm(n=8);滤波孔取20DL时,最小屏蔽孔直径为0.38mm(n=16);滤波孔取30DL时,最小屏蔽孔直径为0.25mm(n=25);滤波孔取40DL时,最小屏蔽孔直径为0.18mm(n=34)。
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