激光小尺度畸变波前探测精度和误差分析研究

摘要

在驱动聚变的高功率激光系统中，激光束的质量控制是确保激光系统安全运行，激光束能量有效提升的重要前提之一。其中，激光中频段的小尺度波前畸变的探测与控制是波前质量控制的重要研究课题。本文采用阵列菲涅耳波带片作为波前传感器，对激光小尺度波前畸变探测误差和如何提高探测精度进行了理论分析与光学实验研究，得到的主要研究成果如下：　　一、根据哈特曼－夏克波前传感原理，采用振幅型阵列菲涅耳波带片作为波前传感器，分析了菲涅耳波带片的波前测量灵敏度和测量动态范围，实验研究了菲涅耳波带片的聚焦特性。　　二、分析了光源高斯随机噪声和波带片阵列结构对激光波前恢复的影响，为提高激光小尺度波前探测与补偿能力提供了系统设计和实际操作的参考。　　三、通过五种滤波光斑图抑噪方法的分析比较，提出采用两种非线性滤波的光斑图去噪方法。根据图像处理中插值理论，提出基于双立方插值处理的光斑质心探测方法，极大地提高了质心探测精度。　　四、提出另一种提高质心探测精度的新方法---基于优化的探测窗口的光斑质心探测方法，改进质心计算算法，提高了探测波前的重建精度。　　五、针对长焦距透镜和平晶玻璃所引入的波前畸变，分别采用双立方插值法、基于优化的探测窗口法进行激光小尺度畸变波前探测与恢复的实验研究，初步证实了本文提出方法对激光小尺度畸变波前探测的有效性，并给出了波前探测与恢复精度。　　本论文研究为激光工程中激光小尺度畸变波前探测精度提高提供了有益的探索与可行性方法。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1惯性约束聚变激光驱动器中的波前畸变及对系统的影响

1.1.1惯性约束聚变激光驱动器中的波前畸变

1.1.2小尺度畸变波前及其对高功率激光系统的影响

1.2激光波前探测方法

1.2.1干涉波前传感

1.2.2剪切干涉波前传感

1.2.3曲率波前传感技术

1.2.4哈特曼波前传感技术

1.3本论文主要研究内容

第二章阵列菲涅耳波带片波前探测原理

2.1哈特曼-夏克波前检测原理

2.1.1哈特曼—夏克波前传感原理

2.1.2哈特曼—夏克波前重构原理

2.2阵列菲涅耳波带片聚焦特性的研究

2.3菲涅耳波带片的波前测量灵敏度分析

2.4菲涅耳波带片的波前测量动态范围分析

2.5波前重构原理及算法

2.5.1波前重构原理

2.5.2 Southwell波前重构算法

2.6本章小结

第三章影响激光波前恢复精度的因素分析

3.1哈特曼-夏克波前传感器探测误差分析

3.2光源的噪声对波前恢复精度的影响

3.2.1光源信噪比对波前恢复精度的影响

3.2.2不同空间频率的光源噪声对波前恢复误差的影响

3.3阵列菲涅耳波带片的结构对波前恢复精度的影响

3.3.1菲涅耳波带片的阵列数目对波前恢复的影响

3.3.2菲涅耳波带片的阵列尺寸对波前恢复的影响

3.4本章小结

第四章基于双立方插值的光斑质心探测方法

4.1光斑图抑噪预处理的方法分析

4.1.1数据仿真

4.1.2实验光斑图抑噪分析

4.2采样点数对质心计算精度的影响

4.3基于双立方插值的光斑质心探测方法

4.3.1图像不同插值方法分析

4.3.2不同插值方法对质心探测精度影响

4.3.3不同插值方法处理后光斑图比较

4.3.4噪声情况下的双立方插值和三次样条插值方法比较

4.4本章小结

第五章基于优化的探测窗口的光斑质心探测方法

5.1光斑质心坐标探测精度的理论分析

5.2基于优化的探测窗口的光斑质心探测方法

5.2.1优化探测窗口的光斑质心探测新方法

5.2.2探测窗口大小的理论分析

5.2.3探测窗口大小的模拟计算分析

5.3仿真与结果分析

5.3.1无噪情况下的光斑质心探测

5.3.2噪声情况下的质心探测误差

5.3.3不同信噪比下的质心探测误差

5.3.4不同探测窗口下的质心探测误差

5.4本章小结

第六章激光小尺度畸变波前探测实验研究

6.1激光小尺度畸变波前探测实验系统及波前探测实验

6.1.1激光小尺度畸变波前探测实验系统

6.1.2波前探测实验的可行性

6.2双立方插值对波前恢复影响的实验研究

6.2.1长焦距透镜波前探测实验研究

6.2.2平晶玻璃波前探测实验研究

6.3基于优化的探测窗口的质心探测方法的实验研究

6.3.1长焦距透镜波前探测实验研究

6.3.2平晶玻璃波前探测实验研究

6.4本章小结

第七章结论

参考文献

致 谢

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