自适应光学方法提升高阶横模激光相干特性研究

本项目结合自适应光学技术的特点和优势，主要开展自适应光学方法校正高阶横模光束的波前、高阶横模光束各节线两侧旁瓣π相位跃变、提升高阶横模激光束的相干特性研究，同时开展自适应光学方法补偿高阶横模光束中各种畸变的技术研究；基于远场光斑特征与近场相位关系研究自适应光学方法提升高阶横模激光相干特性的控制算法，明晰影响不同模式相干合成效果的关联因素及其相互间的制约关系；通过理论计算和实际研究明晰高阶横模子瓣光相干合成光与基模相干合成光在长距离传输、可聚焦能力等方面的等价关系；探索与高阶横模光束波前相位分布和变化特征相适应的自适应光学系统设计和控制方法。本项目的成功实施，可提供一种自适应光学方法提升高阶横模激光束相干特性的新思路，可能获得一种有效产生高功率和高光束质量激光的新途径，在工业激光、激光相干合成、生物光子研究、惯性约束聚变和国防等领域具有潜在的应用，也将对拓展自适应光学的应用领域产生积极影响。

获取高质量、高功率输出始终是激光技术的研究重点。由于高阶模光束对增益介质的利用更加充分，而且光束质量比混合模式光束质量更高，因而可以看作光束质量和输出功率的一种折中。但是高阶模光束的远场中包含多个环形或瓣装结构，与基模高斯光束单个主瓣的远场强度分布相比，峰值功率和能量集中程度都比较低。本项目旨在利用变形镜同时补偿高阶模光束的相位跃变和像差，在远场实现更高的能量集中度。首先分析了高阶模光束的校正原理，阐明补偿相位跃变可以显著提高远场亮度。然后计算了变形镜补偿几种高阶模光束相位跃变的能力，证明了变形镜补偿相位跃变的可行性。此外还分析了基于夏克—哈特曼波前传感器的自适应光学系统补偿高阶模光束的可行性，发现夏克—哈特曼波前传感器无法探测光束的相位跃变，因而采用了基于优化算法的无波前传感结构。为此评估了几种优化算法中常用的评价指标，发现环围能量最为适合。最后开展了校正TEM10、TEM20和TEM30模光束的实验，成功将这几种光束的远场强度分布由多个瓣的结构转变为单个亮斑。在补偿TEM10 模光束的实验中，校正后远场峰值强度的提升超过了140%。本项目验证了变形镜能够有效的校正高阶模光束的相位跃变和像差，显著提升远场中的能量集中度。本项目的研究成果对于推动高阶模光束在激光加工等多个领域的实用化具有一定的意义。