实验名称：SPGD光束整形实验系统

　　测试目的：本实验目的在于实现激光束的聚焦整形，提高聚焦光斑的能量集中度。利用SPGD算法控制变形镜，校正由激光束自身光束质量较差、光学系统的加工装调误差等因素引入的波前像差，实现对光束波前的优化，改善激光的位相分布，获得符合实际应用需要的光束。

　　测试设备：高压放大器、激光器、衰减片、扩束镜、偏振分束器等。

　　实验过程：

　　图1：激光束整形实验系统原理图

　　SPGD光束整形实验系统的原理图如图1所示，主要包括激光器、衰减片、扩束镜、偏振分束器、1/4波片、MMDM、成像系统、CCD相机、控制计算机、数模转换器和高压放大器等部分。其中，衰减片起保护作用，避免CCD因采集到的光斑能量过高而损坏；扩束镜用于扩大激光束的光斑尺寸，实现与MMDM的孔径匹配；偏振分束器与1/4波片构成光隔离器，与MMDM垂直反射光束配合使用；成像系统（即透镜）用以实现整形后光束的聚焦；控制计算机包括图像采集模块和SPGD程序模块。

　　实验前需先搭建实验平台。首先调节激光束水平，具体做法为将激光器确定在一定的高度，在靠近激光器发射光束的位置放置一个小孔，调节小孔的位置和高度使光束恰好可以通过，再逐渐向远处平移小孔，同时观察光斑的位置变化情况，据此调节激光器的俯仰角直到在移动小孔的过程中激光束始终可以通过小孔。然后依次调节扩束镜、偏振分束器、MMDM、1/4波片、成像系统、CCD相机，使光路中的各部分等高共轴，到达MMDM和CCD的光束垂直入射。

　　实验过程中，激光器发出的光束先经扩束镜扩束，实现原始光束与MMDM的孔径匹配，再经偏振分束器和1/4波片到达MMDM进行波前位相调制，垂直反射后经由成像系统聚焦到达CCD相机，CCD采集光斑图像传输给控制计算机计算系统的性能评价函数，在此基础上利用SPGD的迭代公式得到下一个控制循环中对MMDM施加的控制信号，由两个40通道的数模转换器并行输出，经高压放大器放大后施加到MMDM上。此外，CCD相机可以将采集到的激光光斑实时显示在计算机上，从而直观地表现出光强的变化情况。

　　实验结果：

　　图2：性能评价函数随迭代次数的变化曲线

　　实验过程中通过设置CCD采集图像的阈值来近似消除背景噪声的影响，具体设置为5灰度值。另外，CCD相机的分辨率为1024×1024像素，而在采集的图像中有较大的区域没有光斑，因此在处理时只提取了光斑附近200×200像素的区域。针对所选的各性能评价函数，综合考虑在整形过程中的收敛速度、收敛精度和稳定性，选取具有较佳整形效果的参数组合。每组实验均进行1000次算法迭代，得到J1、J2、J3随迭代次数的变化曲线如图2所示。由图可以看出，整形过程中三种性能评价函数的收敛速度和稳定性存在差异。J1的初始值为47，在前30次迭代中收敛迅速，但此后存在比较严重的振荡，稳定性较差，光斑半径最终保持在23左右；J2的初始值为0.1277，经过260次迭代后趋于收敛，收敛速度较慢，且存在一定的抖动，收敛值为0.7339；J3的初始值为0.2005，在前140次迭代中收敛速度较快，经过260次迭代后逐渐趋于稳定，抖动较小，收敛值为0.8640。

图3：整形前后的激光光斑及其光强分布

　　如图3所示，为整形前的初始光斑、三种性能评价函数下算法各迭代1000次后的光斑及相应的光强分布。由图可以看出，J1、J2、J3作为性能评价函数时，MMDM对波前畸变都有明显的校正效果，聚焦光斑的能量集中度有大幅提高，光束质量明显变好；但不同的性能评价函数下整形结果存在较大差异。

　　分析得到的比较结果，J1作为性能评价函数，具有收敛速度快的优势，但由于只能取整数，容易出现较大波动，收敛的稳定性较差。此外，光斑的半径与其光强分布并不直接相关，在MMDM整形能力有限的情况下，光斑减小的程度有限，优化过程中的光强变化难以确定，影响整形效果；J2作为性能评价函数，与光强分布直接相关，但形心的位置与光强无关，光强较弱的部分会明显影响形心位置，从而严重影响算法的寻优路径，导致收敛速度变慢；J3作为性能评价函数，能合适地反应聚焦光斑的能量集中度，收敛速度较快，整形效果和稳定性较好。因此，在基于SPGD算法的激光束聚焦整形应用中，以上三种性能指标选择J3最合适。

　　高压放大器推荐：ATA-7050

　　图：ATA-7050高压放大器指标参数

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