基于近场干涉全局-局部实时评估的不稳定谐振腔自动化对准方法研究

为解决不稳定谐振腔镜片失调导致输出光束性能下降的问题，研究人员创新性地通过建立基于近场干涉条纹图像的双重"全局-局部"评价函数体系，实现了主副镜失调的实时协同识别。实验表明该方法对准精度达3.4 μrad，显著优于人工校准，具有算法简化、硬件配置简单、效率高等优势，在采用不稳定谐振腔结构的激光装置中展现出重要应用潜力。

　　

在追求极限光束质量的高功率激光领域，不稳定谐振腔（Unstable Resonator）因其大基模体积和接近衍射极限的输出特性，成为DPALs（碱金属蒸气激光）、CO₂激光等系统的核心组件。然而这个"光学心脏"极其脆弱——环境温度波动、机械振动甚至镜片热变形都会导致微弧度级的镜面偏转，轻则功率衰减，重则完全"停跳"。更棘手的是，传统人工校准如同"蒙眼调琴"，而现有自动对准技术只能识别单镜失调，面对实际系统中主副镜同时偏移的常态时，补偿后仍会出现光束瞳孔位移的顽疾。

中国工程物理研究院的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表的这项研究，犹如给激光器装上了"智能眼镜"。他们发现近场干涉条纹的形态变化暗藏玄机：主镜失调时条纹整体偏移（全局特征），副镜失调则导致局部扭曲。据此构建的双重评价函数体系，配合高精度电动光学调整架（控制精度0.28 μrad），首次实现了双镜失调的实时鉴别与协同补偿。实验数据显示，该方法将不稳定谐振腔的对准精度锁定在3.4 μrad，比经典单镜补偿法的11 μrad提升3倍以上，更将人工校准的181 μrad误差压缩了98%。

关键技术包括：1）基于角谱理论的近场干涉建模；2）全局评价函数（整体条纹偏移量）与局部评价函数（条纹对称性）的并行计算；3）配备精密丝杠的电动调整架（步进电机分辨率0.9 μrad）；4）正支共焦不稳定谐振腔的工程化应用验证。

【基本原理】
通过理论推导证明，正支共焦不稳定谐振腔中，引导光形成的近场干涉条纹对主镜倾斜敏感表现为整体平移（全局特征），对副镜倾斜则呈现局部畸变（局部特征）。据此设计的双评价系统，通过实时分析CCD采集的条纹图像特征量，可解耦计算出双镜各自的失调角度。

【电动调整架结构与角度控制精度测试】
自主研发的调整架采用双步进电机驱动精密丝杠结构（图13a），实测单步角度分辨率0.9 μrad，重复定位精度0.28 μrad。通过激光自准直仪验证，其X/Y方向控制误差小于1 μrad，满足亚微弧度级补偿需求。

【结论与意义】
该研究突破性地解决了不稳定谐振腔自动对准领域的三大瓶颈：首次实现双镜失调的定量区分，将理论检测精度提升至3.4 μrad量级，并通过双镜协同补偿消除光束偏移。相比文献报道的SPGD算法（17.5 μrad）和单镜补偿法（11 μrad），新方法在保持硬件简洁性的同时，使CO₂激光器等设备的长期工作稳定性获得质的飞跃。作者团队特别指出，这套评价函数体系可拓展应用于负支不稳定腔、环形腔等多种谐振结构，为下一代激光武器的机动平台部署提供了关键技术支撑。