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第二章 强激光光束波前畸变源分析一般认为，光束远场与近场的分布存在一简单的傅里叶变换关系. 在一定的聚焦系统下，近场光束质量与远场聚焦特性密切相关。
从前一章可知，实现惯性约束聚变的激光系统庞大复杂，影响光束质量下降的各种噪声源也多种多样。
深入研究各种噪声源对光束的作用机理，定量分析这些噪声对光束质量的影响程度，找出在不同的功率或能量输出条件下，造成光束质量下降的主要的因素，不仅可为保证获得物理实验所需要的焦斑光强分布所必须采取的光束质量控制手段提供参考依据，而且对提高ICF 驱动器的优化设计水平，从而提高系统的性能价格比有重要的意义。
从目前研究情况来看，针对高功率激光，对光束质量尚未有统一的衡量标准。
因此本章首先对描述激光束光束质量的参数进行了归纳总结。
然后通过对ICF 激光驱动器的结构进行深入分析，从中找出影响光束质量下降的主要因素的来源，并分析了这些因素的主要特点，对光束波前和焦斑形态的控制技术进行讨论。
§2.1 描述激光光束质量的参数惯性约束聚变除了对激光驱动器的输出功率（能量）、工作稳定性和效率有很高要求外，输出激光的光束质量也是一个十分重要的衡量指标。
输出激光光束质量的好坏直接决定着光束的聚焦特性。
但长期以来，对于光束质量一直没有一个统一的衡量标准和确切客观的定义，总的来看，衡量激光光束质量的参数主要有* 焦斑尺寸理想情况下，均匀平面波聚焦后爱里斑的大小1为D fa λ22.1= (2-1)其中，f 为聚焦光学系统焦距，D 为光阑孔径。
用焦斑尺寸来衡量光束质量直观简便。
但从公式可知，焦斑大小除了与光束本身特性有关之外，还与聚焦光学系统焦距有关，仅仅采用焦斑尺寸不足以判断光束质量好坏。
* 衍射极限衍射极限定义为实际测量的光束聚焦光斑尺寸与理想爱里斑大小的比值，若比值为N ，则称光束为N 倍衍射极限光束。
* 远场发散角设激光束沿z 轴传输，光束束宽为w(z)。
则高斯光束的远场发散角定义为20)(limw z z w z B πλθ==∞→ (2-2) 其中，λ为激光波长，w 0光束束腰。
波前分析仪——四波横向剪切⼲涉技术介绍背景介绍光束在⽣产和传播过程中，光学材料不均匀性、光学元件的加⼯与装配误差、光学系统相差、⼤⽓扰动等因素都会噪声波前畸变，从⽽降低光束质量。
对波前质量的检测是光学测量领域的研究热点。
随着科学技术的发展，军事、天⽂、医疗等多个领域对波前检测技术的要求越来越⾼，保证⾼测量精度的同时，还需要实现瞬态波前检测。
瞬渺光电推出的基于四波横向剪切技术的波前分析仪（波前传感器）测量精度⾼，可实时检测分析波前数据。
正真意义上满⾜了⼴⼤科研⽤户对⾼精度波前分析仪的需求。
波前测试技术常⽤的波前检测⽅法主要有点衍射法、夏克-哈特曼和剪切⼲涉法。
如下图1所⽰。
1，点衍射法点衍射法检测波前的关键器件点阵列板，待测的汇聚波前经点衍射版上的针孔衍射，产⽣近似理想的参考球⾯波，从点衍射板中直接透射的为携带待测波前信息的测试光波，两者发⽣⼲涉，待测波前的相位分布可以从⼲涉图中解调出来。
点衍射⼲涉法检测波前的精度较⾼，结构较为简单，单由于针孔尺⼨很⼩，调整过程中，汇聚光波与针孔的对准较为困难。
2，夏克-哈特曼波前测量夏克-哈特曼波前检测的基本过程为⼊射光波经过微透镜阵列在其焦⾯处汇聚，通过检测汇聚光斑的质⼼偏移，得到待测波前的梯度信息，进⽽重构待测波前。
侧⽅法检测精度较⾼，但受微透镜尺⼨与数量的限制，采样点数相对较少，空间分辨率不⾼。
3，剪切⼲涉波前测量剪切⼲涉波前测量是将待测波前和其⾃⾝的⼀个微⼩平移进⾏⼲涉的测量技术。
由于剪切⼲涉测量具有不需要参考波前、采⽤共光路系统、可抵抗外界扰动影响、对照明光源的相⼲性和⼲涉装置平台稳定性要求低等特点，既能保证较⾼的波前检测精度，⼜能获得较⾼的空间分辨率，该⽅法在许多实际波前检测中显⽰出其特有的优势。
图1，波前检测⽅法四波横向剪切⼲涉原理介绍当待测波前经过波前分析仪（波前传感器）时，光波通过特制光栅后得到⼀个与其⾃⾝有⼀定横向位移的复制光束，此复制光波与待测光波发⽣⼲涉，形成横向剪切⼲涉，两者重合部位出现⼲涉条纹（图2）。
光学仪器的波前调控与畸变矫正技术光学仪器在科学研究和工业应用中起着至关重要的作用。
然而，由于光的传播中存在的一些物理现象，如衍射、散射等，光学仪器在成像过程中会产生波前畸变，从而影响成像质量。
为了解决这一问题，波前调控与畸变矫正技术应运而生。
波前调控技术是指通过改变光的相位和振幅分布，以达到对光波前的精确控制。
其中，相位调控是最常用的方法之一。
通过引入相位调制器，可以对光波前进行实时调整，从而改善成像质量。
相位调制器可以采用液晶空间光调制器（LC-SLM）或电子束曝光系统等。
这些相位调制器能够快速调整光的相位分布，实现对波前的精确控制。
波前调控技术的应用非常广泛。
在光学显微镜中，通过波前调控技术可以实现超分辨率成像，提高显微镜的分辨率。
在激光器中，通过波前调控技术可以改善激光束的质量，使其更加均匀和稳定。
在光学通信中，通过波前调控技术可以抵消光纤传输中的畸变，提高信号传输质量。
在光学传感器中，通过波前调控技术可以实现高精度的测量和检测。
然而，即使使用了波前调控技术，光学仪器在成像过程中仍然会受到波前畸变的影响。
为了解决这个问题，畸变矫正技术应运而生。
畸变矫正技术通过对成像系统进行校正，消除波前畸变的影响，从而提高成像质量。
畸变矫正技术主要包括两种方法：传感器级畸变矫正和后期图像处理。
传感器级畸变矫正是指在成像传感器上引入特殊的结构或材料，以抵消光学系统中的畸变。
例如，通过在传感器上加工微透镜阵列，可以实现对光的波前的调整，从而消除畸变。
后期图像处理是指在成像之后，通过计算机算法对图像进行处理，消除畸变。
这种方法需要对成像系统进行精确的校准，以保证畸变矫正的准确性。
畸变矫正技术的应用非常广泛。
在摄影领域，畸变矫正技术可以消除广角镜头和鱼眼镜头等镜头的畸变，提高图像的几何精度。
在医学影像领域，畸变矫正技术可以消除磁共振成像中的畸变，提高影像的准确性。
在机器视觉领域，畸变矫正技术可以消除相机镜头的畸变，提高图像的质量。
第14卷 第2期强激光与粒子束V o l.14,N o.2 2002年3月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S M ar.,2002 文章编号: 100124322(2002)022*******波前功率谱密度函数评价方法探讨Ξ任 寰, 卓志云, 蒋晓东, 彭 净, 叶 琳, 黄祖鑫, 唐 灿(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要: 波前功率谱密度PSD(Pow er Spectral D en sity)能定量给出波前畸变的空间频率分布、限定波纹度和粗糙度指标,全面反映I CF驱动器对高功率激光光学元件加工质量的特殊要求。
给出了波前功率谱密度PSD的定义及计算方法,并使用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器,对光学磷酸盐钕玻璃透射波前进行了测试实验,获得波前一维PSD分布,证实功率谱密度为高功率激光光学元件波前参数的一种有效表征方式。
同时,还对PSD与均方根RM S之间的关系进行了初步的讨论。
关键词: 高功率激光; 光学元件; 功率谱密度(PSD) 中图分类号: TN247 文献标识码: A 惯性约束聚变(I CF)高功率固体激光驱动器中使用了大量的大口径光学元件,过去广泛采用峰谷值(PV)、表面粗糙度均方根值(RM S)及波前相位梯度等参数来评价光学元件的质量,但这些传统的评价指标缺乏定量化的波前频谱描述功能,难以提供丰富的波前信息,不能准确完整地反映高功率激光系统对光学元件的要求。
基于I CF光学和经典光学的区别,美国的国家点火装置(N IF)和法国的兆焦耳装置(LM J)中对大口径光学元件的质量评价已引入了一些新的光学参数,其中波前功率谱密度(PSD)就是一种描述波前信息的新方法。
1 高功率激光光学元件对波前误差的要求限制 高功率固体激光驱动器采用多路大口径结构,通光口径大,承载激光能量高[1]。
将使用大量大口径、高精度的光学元件,要求其具有高面形精度、超光滑表面及高损伤阈值等特点。
光学实验中的光束分析与波前调制技术光学实验一直是科学研究领域中不可或缺的一部分，而光束分析与波前调制技术则是这个领域中的重要组成部分。
本文将从光束分析的理论基础、常用的光束分析方法以及波前调制技术的应用等方面进行探讨。
光束分析的理论基础是波动光学，在光束传输过程中，光的传播受到波长、衍射、干涉等因素的影响，因此需要对光束进行准确的分析。
其中，光的强度分布、传输特性以及波前形状是光束分析的核心内容。
通常，光束分析可以通过实验手段和数值计算两种方法进行。
在实验手段方面，常用的光束分析方法有干涉法、衍射法以及干涉衍射法等。
干涉法是通过将光束与参考光束进行干涉，观察干涉条纹的变化来分析光束的特性。
衍射法则是通过光束通过狭缝或光栅等物体后的衍射现象来获得光束的信息。
而干涉衍射法则是将干涉与衍射的原理相结合，利用干涉与衍射的特性来进行光束的分析。
此外，数值计算方法也是光束分析的重要手段之一。
数值计算方法可以通过建立光束的传播模型，利用计算机模拟光波传播的过程，从而得到光束的强度分布、波前形状等信息。
常用的数值计算方法有有限差分法、有限元法以及束线跟踪法等。
这些方法通过计算机的高效计算和处理能力，可以对光束进行更加准确的分析和模拟。
光束分析技术在科学研究和工程应用中具有广泛的应用价值。
在科学研究方面，光束分析技术可以用于探测光学器件的性能特征、研究光束的传输特性、分析光束的色散效应等。
在工程应用方面，光束分析技术可以用于光学系统的设计与调试、激光器的调谐与优化、光学材料的表征与选择等。
光束分析技术的发展不仅推动了科学研究的进步，也极大地促进了光电信息技术和光电工程领域的发展。
另外，波前调制技术是光束分析中的一项重要技术。
波前调制技术是通过改变光波的相位和振幅分布，来调整光束的传输特性和光场的分布。
其中，常见的波前调制技术有变焦透镜、空间光调制器以及自适应光学系统等。
这些技术可以实现光束的聚焦、收敛、分布和调制，从而实现光束的准确控制和应用。
涡旋光束的波前校正方法及其在光通信中的
应用研究
涡旋光束是一种具有角动量的特殊光束，因为其旋转的特性，可以实现自由空间光通信中的高速数据传输。
然而，涡旋光束的波前畸变问题限制了其在光通信中的应用。
为了解决这一问题，人们通过波前校正技术来优化涡旋光束，从而提高光通信的品质和效率。
波前校正技术是一种通过调整光束相位的方法来消除波前畸变，使其成为完整的平面波的技术。
利用这种技术，可以对涡旋光束进行相位调整和控制，实现波前的精准校正，从而提高其传输质量。
涡旋光束的波前校正方法有很多，最常用的是基于空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）的方法。
该方法使用SLM的电场调制能力，可控制光束的相位，进而消除涡旋光束的波前畸变，实现波前校正。
除此之外，还有其他例如自适应光学、Wollaston棱镜等技术。
涡旋光束的波前校正技术的应用，主要是在自由空间光通信中。
自由空间光通信具有高速传输、大带宽、节约资源等优势，因此被广泛应用于航天、军事、无线电波信号传输等领域。
与传统光通信技术相比，涡旋光束的波前校正技术可以提高光通信的传输质量和速度，增强信息传输的可靠性和稳定性，具有重大的意义和应用前景。
总之，涡旋光束的波前校正方法及其在光通信中的应用研究，旨
在通过优化涡旋光束的波前校正技术，提高光通信的传输质量和效率，从而推动其在航天、军事、无线电波信号传输等领域的应用，具有重
要的意义和发展前景。
波前重塑光学原理
波前重塑的原理主要基于波前的相位分布对光束的空间特性的影响。
波前的相位扭曲程度直接决定了光束的质量。
波前重建可以用于分析导致波前扭曲的像差，并根据这些像差校正波前相位，从而改善光束特性，提高激光光束质量。
由于直接测量波前相位相当困难，通常会先测量波前倾斜度，再通过波前重建算法间接求解波前相位。
最常用的波前重建算法是模式法，该方法将整个光斑探测区域内的波前相位展开成不同的数学表达式，每个表达式代表一种模式。
然后，利用在整个光斑探测区域中测量到的波前倾斜度（波前斜率）求解各个模式表达式的系数。
这些系数表征不同光学像差，例如离焦、慧差、像散等，系数越大代表该像差所占比重就越大，干扰也就越大。
通过这种原理，波前重塑能够校正各种像差，改善光束质量，提高激光光束的性能。
波前畸变和发散角
波前畸变和发散角是描述光束质量的重要参数。
波前是指光束横截面上的光强分布，理想情况下应为平面。
波前畸变会破坏光束质量，导致光束难以聚焦，从而增加光束发散角。
对于单色光束，原则上可以通过使用相位掩模来精确补偿波前畸变，从而恢复光束质量。
然而，在实践中，这通常很困难，即使在畸变是静态的情况下也是如此。
在高功率激光器中，波前畸变通常是由增益介质中的热效应、孔径衍射或寄生反射等因素引起的。
这些因素会导致光学元件在高功率密度激光照射下发生变形和破坏，从而加剧波前畸变和发散角。
因此，对于高功率激光器，如何减少波前畸变和发散角对于提高光束质量和传输特性至关重要。
第17卷 第6期强激光与粒子束Vol.17,No.6 2005年6月H IGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS J un.,2005 文章编号: 100124322(2005)0620841204光学元件波前梯度的数值计算方法3柴立群, 许 乔, 石琦凯, 邓 燕(成都精密光学工程研究中心,四川成都610041) 摘 要: 惯性约束聚变系统中光学元件的波前梯度均方根是一个关键参数,对其数值计算涉及到的空域处理、频域滤波及梯度算法等关键技术进行了理论分析。
分别采用最简单差分算法、中心差分算法、最小二乘拟合算法、“五点法”对实测波前数据进行了梯度均方根值计算。
结果表明波前数据的空域处理采用Quad2flip技术较为合适;频域滤波器的选用上应着重考虑滤波的有效性。
对于原始波前,4种算法计算梯度均方根值的差别小于0.01λ/cm(λ=632.8nm);而对于截止频率为0.0303线/mm的低通滤波后波前,其差别小于0.001λ/cm,该差别对计算结果的影响可以忽略。
关键词: 波前梯度均方根; 光学检测; 傅里叶变换 中图分类号: O436 文献标识码: A 惯性约束聚变(ICF)的光学系统由上万件大口径的光学元件组成。
波前梯度均方根(GRMS)是针对元件低频波前的一个关键参数,最终影响系统的聚焦性能。
美国的数值模拟表明:为满足ICF系统需求,GRMS通常应小于0.016λ/cm,且对应的波前空间频率小于0.0303线/mm[1,2]。
由于GRMS的数值计算涉及到空域处理、频域滤波及梯度算法等关键技术,且GRMS的指标值相对较小,对同一波前,不同的计算方法将会产生较大差异。
商业化干涉仪软件不能满足强激光系统的特殊算法要求。
本文对GRMS数值计算的关键技术进行了详细的理论与实验分析,以期为我国ICF系统中大口径光学元件的波前检测[3,4]算法标准化提供参考。
1 波前梯度数值计算的关键技术 梯度表示一个矢量场沿某一个方向的变化快慢,引入到波前分析中可认为梯度是波前相位分布函数在x、y方向上的变化率,一个波前相位<(x,y)的梯度为[3]σxy=σx(x,y)2+σy(x,y)2, σx=5<(x,y)5x, σy=5<(x,y)5y(1) ICF系统中GRMS的计算流程如图1所示。
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本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)波前畸变的解释的全部内容。
关于波前畸变的理解首先应该知道：波前是指“光波振动相位相同的点所构成的面”，也叫波面。
通常波前畸变是通过干涉仪来测量的，其原理是光程差的变化.透射波前畸变反映了材料的光学均匀性，因此很多激光材料都需要对此参数进行度量。
关于光学均匀性与波前畸变的关系，我认为可以这样说：如果给你一块光学均匀性很差的晶体，那么你很难通过加工得到很理想的波前畸变(我们叫pv值)。
单纯的看加工后的面型，用标准平板就可以应该说是光经过光学元器件时光程不等造成的信号畸变,直观的表现就是由面形和平行度以及材料均匀性决定的!有些时候面形不好但平行度好（也就是我在使用范围内等厚）,波前畸变也可以很好的波前畸变由入射表面，出射表面，和介质均匀性综合决定，如果光学材料内部条纹和包络（尤其是晶体内部有断层，位错等情形)比较严重时，面型再好，波前畸变也不能做的很好,想通过面型来修正波前畸变的话，除非那个抛光的兄弟是高手中的高手我理解的透过波前畸变产生的原因就是一束光波经过零件时光程n＊d不相等，n是材料折射率,d是光在零件中走过的路程。
当n一定时，即使单个面的面形很差，但如果能做到两个面面形互补（即处处d相同),那么透过波前畸变同样会很好.反射波前畸变指零件的表面面形有缺陷，引起的一束光波经反射后波前变形。
这个问题比较好回答：平面度衡量的是一个光学元件加工后其面形精度；波前畸变反映的是当一个标准平面波被反射和被透射后的情况;一个反映的是平面度，一个是波面情况单独解释"波前畸变”的话,应该是和光学材料加工工艺没有关系的一个纯物理概念。
基于液晶空间光调制器的波前畸变补偿研究李祥之1，2，韩诚山2，文明2，孙兆伟1，赵庆磊2，姜肖楠2【摘要】针对液晶空间光调制器控制单元数多，直接进行波前相位畸变补偿时计算量大的问题，将控制输入与描述波前畸变的Zernike多项式系数形成映射，极大地减小了优化维数，有效地提高了计算效率。
引入单纯形算法，通过使设计的性能指标达到最优，得到最佳的Zernike多项式，实现了精确的波前畸变补偿。
针对传统的单纯形算法易收敛于局部极点，无法实现全局最优的特点，对单纯形算法进行了改进，仿真结果表明，改进后的算法可以通过强制初始化达到全局最优，同时分析了各种改进算法的特点，为实际应用提供了依据。
【期刊名称】激光与红外【年(卷),期】2011(041)002【总页数】5【关键词】自适应光学；波前畸变补偿；改进型单纯形算法；液晶空间光调制器【文献来源】https:///academic-journal-cn_laser-infrared_thesis/0201236275977.html1 引言大气湍流造成的传输光束动态波前畸变是个困扰了光学界几百年的难题［1］，自适应光学技术被认为是目前最有效，也是最具有实用前景的补偿方法［2］。
变形反射镜校正单元数较少，通常为数十个到上百个，生产成本较高，应用范围受到一定的限制。
液晶空间光调制器是新型的波前相位畸变校正器，以其上万个的控制单元、较小的体积和质量、低功耗和低廉的加工成本等优点正逐渐成为新的研究热点［3］。
本文采用液晶光调制器作为自适应波前校正器，利用单纯形算法迭代寻优，得到最佳的控制输入，同时对该算法易收敛到局部极点的问题进行了改进。
2 液晶空间光调制器相位调制原理液晶空间光调制器的相位调制原理是通过改变液晶上下极板电压使液晶分子的偏转状态不同，从而改变液晶层等效折射率，最终实现对通过液晶的偏振光的调制作用［4］。
图1为液晶分子指向矢在电场控制下变化的示意图。
对于单轴液晶分子，当光波经过液晶分子传播时，设沿着液晶分子长轴方向具有非寻常折射率ne，垂直分子长轴方向具有寻常折射率no。
强激光系统光学元件波前相位梯度分析
张蓉竹;石琦凯;江腾蛟;蔡邦维
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2003(015)002
【摘要】介绍了在高功率固体激光系统中用于评价光学元件对光束聚焦特性影响的参数--波前相位梯度及其检测原理和计算方法,并与常用的光学元件评价参数P-V值、RMS值以及新引入的评价方式--PSD进行了比较.得到了高功率激光系统中几种典型光学元件的相位梯度分析结果,结果表明利用相位梯度分析方法能够有效的对光学元件的加工质量进行评价.
【总页数】3页(P129-131)
【作者】张蓉竹;石琦凯;江腾蛟;蔡邦维
【作者单位】四川大学,电子信息学院,光电系,四川,成都,610064;成都精密光学工程研究中心,四川,成都,610041;成都精密光学工程研究中心,四川,成都,610041;四川大学,电子信息学院,光电系,四川,成都,610064;四川大学,电子信息学院,光电系,四川,成都,610064
【正文语种】中文
【中图分类】TN241
【相关文献】
1.基于波前编码的红外无热化光学系统相位掩模板热效应特性分析 [J], 陈守谦;范志刚;许志高;肖昊苏
2.高功率光学元件校正波前的梯度均方根指标 [J], 黄晚晴;张颖;刘兰琴;耿远超;王文义
3.高功率光学元件畸变波前位相均方根梯度计算 [J], 陈源画;郑万国;陈文静;贺少勃;粟敬钦;陈远斌;袁静
4.光学元件波前梯度的数值计算方法 [J], 柴立群;许乔;石琦凯;邓燕
5.大口径平面光学元件波前梯度数控抛光 [J], 黄金勇; 赵恒; 胡庆; 高胥华
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