實驗名稱：SPGD光束整形實驗系統

測試目的：本實驗目的在于實現激光束的聚焦整形，提高聚焦光斑的能量集中度。利用SPGD算法控制變形鏡，校正由激光束自身光束質量較差、光學系統的加工裝調誤差等因素引入的波前像差，實現對光束波前的優化，改善激光的位相分布，獲得符合實際應用需要的光束。

測試設備：高壓放大器、激光器、衰減片、擴束鏡、偏振分束器等。

實驗過程：

圖1：激光束整形實驗系統原理圖

SPGD光束整形實驗系統的原理圖如圖1所示，主要包括激光器、衰減片、擴束鏡、偏振分束器、1/4波片、MMDM、成像系統、CCD相機、控制計算機、數模轉換器和高壓放大器等部分。其中，衰減片起保護作用，避免CCD因采集到的光斑能量過高而損壞；擴束鏡用于擴大激光束的光斑尺寸，實現與MMDM的孔徑匹配；偏振分束器與1/4波片構成光隔離器，與MMDM垂直反射光束配合使用；成像系統（即透鏡）用以實現整形后光束的聚焦；控制計算機包括圖像采集模塊和SPGD程序模塊。

實驗前需先搭建實驗平臺。首先調節激光束水平，具體做法為將激光器確定在一定的高度，在靠近激光器發射光束的位置放置一個小孔，調節小孔的位置和高度使光束恰好可以通過，再逐漸向遠處平移小孔，同時觀察光斑的位置變化情況，據此調節激光器的俯仰角直到在移動小孔的過程中激光束始終可以通過小孔。然后依次調節擴束鏡、偏振分束器、MMDM、1/4波片、成像系統、CCD相機，使光路中的各部分等高共軸，到達MMDM和CCD的光束垂直入射。

實驗過程中，激光器發出的光束先經擴束鏡擴束，實現原始光束與MMDM的孔徑匹配，再經偏振分束器和1/4波片到達MMDM進行波前位相調制，垂直反射后經由成像系統聚焦到達CCD相機，CCD采集光斑圖像傳輸給控制計算機計算系統的性能評價函數，在此基礎上利用SPGD的迭代公式得到下一個控制循環中對MMDM施加的控制信號，由兩個40通道的數模轉換器并行輸出，經高壓放大器放大后施加到MMDM上。此外，CCD相機可以將采集到的激光光斑實時顯示在計算機上，從而直觀地表現出光強的變化情況。

實驗結果：

圖2：性能評價函數隨迭代次數的變化曲線

實驗過程中通過設置CCD采集圖像的閾值來近似消除背景噪聲的影響，具體設置為5灰度值。另外，CCD相機的分辨率為1024×1024像素，而在采集的圖像中有較大的區域沒有光斑，因此在處理時只提取了光斑附近200×200像素的區域。針對所選的各性能評價函數，綜合考慮在整形過程中的收斂速度、收斂精度和穩定性，選取具有較佳整形效果的參數組合。每組實驗均進行1000次算法迭代，得到J1、J2、J3隨迭代次數的變化曲線如圖2所示。由圖可以看出，整形過程中三種性能評價函數的收斂速度和穩定性存在差異。J1的初始值為47，在前30次迭代中收斂迅速，但此后存在比較嚴重的振蕩，穩定性較差，光斑半徑最終保持在23左右；J2的初始值為0.1277，經過260次迭代后趨于收斂，收斂速度較慢，且存在一定的抖動，收斂值為0.7339；J3的初始值為0.2005，在前140次迭代中收斂速度較快，經過260次迭代后逐漸趨于穩定，抖動較小，收斂值為0.8640。

圖3：整形前后的激光光斑及其光強分布

如圖3所示，為整形前的初始光斑、三種性能評價函數下算法各迭代1000次后的光斑及相應的光強分布。由圖可以看出，J1、J2、J3作為性能評價函數時，MMDM對波前畸變都有明顯的校正效果，聚焦光斑的能量集中度有大幅提高，光束質量明顯變好；但不同的性能評價函數下整形結果存在較大差異。

分析得到的比較結果，J1作為性能評價函數，具有收斂速度快的優勢，但由于只能取整數，容易出現較大波動，收斂的穩定性較差。此外，光斑的半徑與其光強分布并不直接相關，在MMDM整形能力有限的情況下，光斑減小的程度有限，優化過程中的光強變化難以確定，影響整形效果；J2作為性能評價函數，與光強分布直接相關，但形心的位置與光強無關，光強較弱的部分會明顯影響形心位置，從而嚴重影響算法的尋優路徑，導致收斂速度變慢；J3作為性能評價函數，能合適地反應聚焦光斑的能量集中度，收斂速度較快，整形效果和穩定性較好。因此，在基于SPGD算法的激光束聚焦整形應用中，以上三種性能指標選擇J3最合適。

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圖：ATA-7050高壓放大器指標參數

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審核編輯 黃宇