基于相干调制成像的新型高功率重频激光放大器热畸变精密在线检测技术研究

In order to realize high-precision on-line measurement of thermal distortion of gain medium of high-power repetition rate laser amplifier, this project studies a new on-line detection technology of high-power laser amplifier thermal distortion by designing new measurement optical path and developing new reconstruction algorithm based on the previous research work, which solves the technical problems that the thermal distortion of the repetition rate laser amplifier has not been accurately measured. The research includes: digitally precise modulation of the heat distortion beam by optimizing the design of the new coding plate; automatic adjustment of the reconstruction constraint under the large gradient thermal distortion condition with the improved convergence optical path; removing the wavefront tilt error by the specially designed algorithm of optimally matching the spatial position of the detector. Because it does not use interference optical path and does not consider focal plane overlap caused by large phase gradient, this technique has the advantages of simple optical path, large measuring range, high resolution, high precision and wide application range, which can completely solves the problems of current thermal distortion detection in the optical path structure, data acquisition, measurement range and spatial resolution. It can not only measures the thermal distortion of the gain medium of the amplifier with high precision, but also combines the deformed mirror to perform wavefront correction, it solves the heat distortion detection and wavefront compensation, which will promote the rapid development of related research in the field of laser inertial confinement fusion.

为实现对高功率重频激光放大器的工作介质热畸变进行高精度在线测量，本项目在申请人前期研究工作的基础上，通过设计新的测量光路和发展新的重建算法，研究一种新的高功率激光放大器热畸变在线检测技术，解决重频激光放大器热畸变一直无法精确测量的技术难题。研究内容包括：用优化设计新的编码板对热畸变光束进行数字化精密调制；用改进的会聚光路实现大梯度热畸变条件下的重建约束的自动化调整；用特别设计的探测器空间位置最佳匹配算法去除波前倾斜误差。由于不采用干涉光路及不考虑大相位梯度导致的焦斑重叠，所研究的技术具有光路简单、测量范围大、分辨率高、精度高和适用范围广等优点，可完全解决现用热畸变检测技术在光路结构、数据采集、测量范围和空间分辨率等方面的诸多技术难题，不仅可以高精度地测量出放大器工作介质的热畸变，还可与变形镜相结合进行波前校正，将热畸变检测和波前补偿合并解决，促进激光惯性约束聚变领域相关研究的快速发展。

为实现对高功率重频激光放大器的工作介质热畸变进行高精度在线测量，本项目在申请人前期研究工作的基础上，通过设计新的测量光路和发展新的重建算法，研究一种新的高功率激光放大器热畸变在线检测技术，解决重频激光放大器热畸变一直无法精确测量的技术难题。. 项目研究过程中，完成了重频高功率激光放大器热畸变精密在线测量系统的关键元器件编码板的设计和加工；完成了光学平台实验系统搭建，开展了离线状态下的编码板标定工作，开展了测量系统集成与测试，实现了小口径光束相位的高精度测量；解决了大相位梯度热畸变情况下的采样间隔自适应调整问题；采用1053纳米重频激光光源，实现了重频激光放大器的相位测量；采用双CCD采集数据，通过图像匹配算法进行修正，保证了相位重建的准确性；完成激光放大器热畸变测量系统数值分析，为单次曝光CMI成像方法在激光放大器热畸变测量领域的应用建立了系统的理论框架。由于该技术不采用干涉光路及不考虑大相位梯度导致的焦斑重叠，所研究的技术具有光路简单、测量范围大、分辨率高、精度高和适用范围广等优点，是一种理想的高功率重频激光放大器热畸变在线测量新技术。. 在本项目的研究工作中，项目团队一共发表科研论文7篇，其中被SCI收录6篇，EI收录1篇，其中Optics Letters1篇，Optics Express3篇，申请国家发明专利8项，部分研究成果荣获2021年第二届全国机械工业设计创新大赛银奖。值得一提的是，在本项目研究中，与中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所和国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室开展合作研究，获得了较好的研究成果。本项目的研究在激光聚变、生物医学成像领域具有重要的应用前景。