CN101794962A - 一种自适应高阶横模激光相干合成装置 - Google Patents

Abstract

自适应高阶横模激光相干合成装置，由固体激光器、变形镜、光束匹配系统、CCD相机、分光反射镜、高压放大器、聚焦透镜、衰减系统、计算机组成。固体激光器输出的高阶横模激光经光束匹配系统扩束后入射到变形镜上，经变形镜反射的光束再依次经过分光反射镜、衰减系统、聚焦透镜，汇聚在焦点位置的CCD相机，内置于计算机的优化算法沿着让CCD相机上焦斑峰值强度增大的方向迭代计算出电压信号，该电压信号经高压放大器放大后加载到变形镜的各个驱动器上，驱动变形镜产生相应的形变，补偿高阶横模激光整体波前相位中的畸变、补偿高阶横模激光各节线两侧旁瓣π相位跃变、提升高阶横模激光的相干特性和可聚焦能力。本发明可以提升高阶横模光束间的相干性能和可聚焦能力。

Description

一种自适应高阶横模激光相干合成装置

技术领域

本发明涉及一种激光相干合成装置，特别是一种利用自适应光学技术提升高阶横模激光相干特性的单台激光相干合成的装置。

背景技术

高功率(＞1kW)和近衍射极限的高光束质量一直是激光技术的主要研究和发展方向之一。在很多激光应用领域中，人们都希望激光器具有高功率、高光束质量和高的聚焦强度，特别是在诸如惯性约束聚变、高能量密度物理、精密激光加工、激光通信、生物光子研究、激光相干合成等领域更是要求激光具有很好的模式以及高的聚焦功率密度。基模光束相对高阶横模光束而言具有更小的发散角、更好的光束质量以及更高的可聚焦功率密度。为了实现激光的基模输出，传统的方法是在谐振腔内加小孔光阑来降低谐振腔的菲涅尔数(Nf＝a²/λL，a是小孔光阑直径，λ为波长，L为腔长)。这种方法的实质是使得光斑尺寸较小的基模(≤a)无损耗的通过小孔光阑，使光斑尺寸较大(＞a)的高阶横模受到阻拦从而无法起振。小孔光阑限模的方法虽然简便易行，却限制了可利用的横模体积，极大地降低了激光器的输出功率。高阶横模激光的模体积远大于基模体积，因而可以获得更高的输出功率(参见文献1“Improving the output beam quality ofmultimode laser resonators，Optics Express.Vol.13，No.7，2722-2730，2005)。相应的研究结果表明，对同一台激光器，高阶模输出时的功率比基模输出时至少可以提高50％，其中调Q Nd:YAG激光器输出TEM₄₄模时的功率比输出TEM₀₀模时更是提高了5倍多(参见文献2“Very high-order pure Laguerre-Gaussian mode selection in a passive Q-switched Nd:YAG laser，Optics Express.Vol.13，No.13，4952-4962，2005)。但是高阶横模激光的光束质量和可聚焦能力很差，无法满足应用需求。

近年来，国外学者在改善高阶横模激光输出聚焦能力方面做了很多有益的工作(参见文献3“Transformation of a High order mode intensity distribution to a nearly Gaussian beam”，Proceedings of SPIE.Vol.5147，271-275，2003)通过分析描述高阶横模激光束的厄米特—高斯光束和拉盖尔—高斯光束表达式可以发现，高阶横模光束的波前相位实际上为球面，其振幅分布具有若干节线，而且节线两侧存在π相位跃变。这样的相位分布导致高阶横模光束被聚焦后的光斑也存在若干节线，光斑具有多峰的特征，所以其光束质量和光束的可聚焦能力相对较差。补偿高阶横模激光束的波面相位以及节线两侧的π相位跃变，实现将多峰结构高阶横模激光有效地合成转化为高功率密度单主峰激光结构的方法与实验研究，无疑将极大地提高激光的可聚焦能力，促进激光技术和激光应用的发展。最近几年，以色列科学家A.A.Ishaaya的研究小组在研究如何将高阶横模激光转化为近高斯分布激光的理论和实验方面开展了一些有益的探索，其中包括基于多个平面镜的方法，以及基于干涉器件和透射式相位器件的方法(参见文献4-6“Conversion of a high-order mode beam into a nearly Gaussian beamby use of a single interferometric element”，Optics Letters.Vol.28，No.7，504-506，2003；“Efficient Mode Conversion of Laser Beams”，Optics and Photonics News，43，December，2002；“Discontinuous phase elements for transverse mode selection in laser resonators”，AppliedPhysicsLetters.Vol.74，No.10，1373-1375，1999)

基于多个平面镜方法的主要思想是将高阶横模激光束在各个节线处均分为若干束旁瓣，然后调整各旁瓣间的相位，使用一块或多块50％分光镜将其相干合束叠加；而基于干涉器件方法的主要思想是在干涉器件的50％分束镀膜处对这几束旁瓣进行相干叠加。这两类方法都成功的将TEM₀₁模激光转变为近似高斯分布的激光，聚焦光斑也相应地转变为单峰结构。但是在这两种方法中，50％分光镜或者干涉器件50％分光比镀膜使得TEM₀₁模光束能量损失了大约一半。因而尽管实现了多峰结构向单峰结构的转化，但是这种方法是以极大的牺牲激光输出能量为代价。此外，基于多个平面镜的方法还存在对机械振动和热扰动等环境因素非常敏感的问题，实验中往往只能稳定工作20-40分钟左右。基于透射式相位器件方法的主要思想是在光路中放置相位与待补偿高阶横模光束相位跃变规律相反的透射式相位器件，目的在于抑制相位跃变，这种器件多放置在激光谐振腔内；相对于前两种方法，基于透射式相位器件方案的主要优点是无需分光镜，不会导致激光能量严重损失。然而透射式相位器件往往难以承受高功率的激光束，并且在谐振腔内往往需要配合柱透镜才能使用，因而其输出功率和应用领域受到了极大限制。

更值得注意的是，以上几类方法均缺乏通用性。基于多个平面镜的方法需要针对不同的模式设计不同的光路，当应用于高阶横模时必须同时采用多个分光镜来合成光束，因而光路会变得非常复杂，可靠性变差；基于干涉器件和透射式相位器件的方法需要针对不同模式的光束设计不同的器件，给激光系统带来极大的不便。同时，这几种方法都要求激光束与光学器件严格准直，否则基于多个平面镜和干涉器件的方法无法实现光束的均分，而基于透射式相位器件的方法不能完全补偿π相位的跃变。此外，必须看到这几种方法都仅仅对高阶模式光束节线两侧π相位跃变进行了补偿，并没有研究如何对高阶横模的球面波前进行校正，也无法对激光器本身热畸变等因素造成的静态和动态畸变实现补偿，因而虽然能够在一定程度上实现聚焦光斑的近似单峰分布，但是聚焦峰值强度并没有得到有效提高。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有提升高阶横模光束相干性能的方法的缺点，提供一种采用自适应光学方法校正高阶横模激光波前、高阶横模激光光束各节线两侧旁瓣光束π相位跃变、提升高阶横模激光的相干特性和可聚焦能力，控制单台高阶横模激光器实现相干合成输出的装置。

本发明的技术解决方案是：一种自适应高阶横模激光相干合成装置包括：固体激光器、光束匹配系统、变形镜、分光反射镜、衰减系统、聚焦透镜、CCD相机、计算机和高压放大器；固体激光器输出的高阶横模激光经过光束匹配系统扩束入射到变形镜上，经变形镜反射的光束再经过分光反射镜分光，绝多数能量的光束被反射输出，少数能量的透射光经过衰减系统和聚焦透镜会聚到CCD相机上，内置于计算机的优化算法用来处理计算机采集到的CCD相机上的光斑信号，沿着使光斑峰值光强增大的方向，不断迭代计算出所需要的控制电压，该控制电压经过高压放大器放大后施加在变形镜的各个驱动器上，驱动变形镜产生相应的形变，补偿高阶横模激光整体波前相位中的畸变、补偿高阶横模光束各节线两侧旁瓣π相位跃变、使高阶横模激光各个旁瓣在远场实现很好的相干合成，从而提升高阶横模激光束的相干特性，实现单台高阶横模激光相干合成输出。

所述的优化算法是随机并行梯度下降算法SPGD，优化算法要优化的目标为CCD相机上焦斑的峰值光强，按照峰值光强增大的方向不断迭代更新电压值，具体实现步骤如下：

(1)性能指标：以CCD相机上焦斑的峰值光强值为优化目标，同时作为算法的性能指标J^(k)＝J(u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，)，其中，u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，是算法在第k代运行时加载到变形镜上的电压值，下标n代表变形镜的驱动器编号；

(2)在确定了性能指标后，随机产生一组相互独立且同为伯努利分布的扰动电压值δu^k _1，，δu^k _2，，...，δu^k _n，并将该组电压值施加在u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，上；

(3)在当前电压值u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，上施加扰动δu^k _1，，δu^k _2，，...，δu^k _n，然后计算正方向性能指标J₊ ^(k)＝J(u^k ₁+δu^k _1，，u^k ₂+δu^k ₂，...，u^k _n+δu^k _n)和负向性能指标J_- ^(k)＝J(u^k ₁-δu^k _1，，u^k ₂-δu^k ₂，...，u^k _n-δu^k _n)；

(4)计算u_i ^k+1＝u_i ^k+γδu^k _i(J^k ₊-J^k _-)，其中，γ是增益系数，δ为扰动系数；

(5)判断是否满足算法结束条件。如满足条件则结束算法迭代过程；如不满足则进行第k+1次迭代，转步骤(1)。

所述的固体激光器为可产生高阶横模输出的固体激光器。

所述的光束匹配系统是无焦扩束系统，可将激光光束口径扩大到与变形镜的口径相一致。

所述的变形镜具有很高的空间分辨率，即能校正前65阶zernike多项式表征的波前像差，既能产生π相位，又能产生各种复杂的波前相位，能够补偿高阶横模激光各旁瓣的π相位跃变以及整体波前相位中的畸变。

本发明的工作原理是：本发明从激光相干合成理论出发，把高阶横模激光等效为由各条节线划分成的具有相同频率、相同振动方向和固定相位差为π的旁瓣光束相干合成的光束，利用SPGD优化算法控制变形镜，采用焦斑上峰值光强作为性能指标，将高阶横模激光各旁瓣光束相位差和整体波前相位有效校正，当峰值光强达到最大时，在远场实现有各旁瓣光束的相干合成，从而显著提高高阶横模激光的相干特性、输出峰值功率和可聚焦能力，通过单台高阶横模激光实现相干合成输出。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)自适应光学是一种能自动校正光束波前误差的技术，其最大的特点在于具有实时补偿激光波前受动态、静态扰动造成波前畸变的能力，已经在多种激光系统中得到了运用。采用变形镜作为相位校正器，本发明不仅可以消除高阶模激光光束节线两侧π相位跃变、校正光束波前的整体球面分布，而且可以消除激光器本身热畸变等因素引入光束的静态和动态畸变，可极大地提升高阶横模激光的聚焦能力和激光的输出功率。

(2)同时，本发明采用同一个变形镜可以方便地校正不同横模结构的激光束，无需针对不同模式制作不同的器件和设计不同的光路，具有系统简单可靠的优点。

(3)本发明无需采用造成激光能量严重损失的分光镜，可以大幅度地提高激光的输出能力。变形镜相对于透射式相位器件具有更高的破坏阈值，能够承受更高的激光功率，可应用于高功率激光系统中，而且变形镜还能自动调整光学系统的对准误差，降低准直调整激光系统的难度，具有更好的实用性和可靠性。

附图说明

图1为采用三块平面镜及一块分光反射镜实现高阶横模相干输出的原理示意图；

图2为采用干涉相位元件实现高阶横模相干输出的原理示意图；

图3为本发明的原理示意图；

图4为本发明的SPGD优化算法流程图；

图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f为采用69单元变形镜控制两种高阶横模实现相干合成的仿真结果。

具体实施方式

如图1所示，为采用三块平面镜及一块分光反射镜实现高阶横模相干输出的原理示意图。该结构采用平面镜将高阶横模激光束在其节线处均分为若干路旁瓣(图1中的模式为TEM₀₁模，故而分为两路旁瓣)，然后在其中一路中，使用调相器产生π相位调整该路旁瓣的相位，最后使用一块50％的分光镜将其与另外一路旁瓣相干合束叠加。这种实施方式虽然也能够将高阶横模激光转化成单峰输出，但是，50％分光镜会使得高阶横模光束的能量损失了大约一半，另外，基于多个平面镜的方法需要针对不同的模式设计不同的光路，对于特别高阶的模式，单靠一块分光镜无法完成有效的相干合成输出，需要采用多个分光镜来合成光束，因而光路会变得非常复杂，可靠性变差。

如图2所示，为采用干涉相位元件实现高阶横模相干输出的原理示意图。由图2可知基于干涉相位器件方法的主要思想是，让一路旁瓣的光直接入射到干涉相位元件50％分束镀膜处，让另外一路旁瓣先经过干涉相位元件背面反射再从50％分束镀膜表面与第一路旁瓣重合输出，实现激光相干叠加。这种技术方案也可以将高阶横模激光转化成相干的单峰输出，但是，同样会有能量损耗的问题，并且要求激光束与光学器件严格准直。还必须看到这种方案也只能对高阶模式光束节线两侧π相位跃变进行了补偿，不能够对高阶横模的球面波前进行校正，也无法对激光器本身热畸变等因素造成的静态和动态畸变实现补偿。

如图3所示，本发明实施例的自适应提升高阶横模激光相干特性的装置由高阶横模激光器1输出的激光束经过光束匹配系统2后，入射到变形镜3后再经过分光反射镜4分光，绝多数能量的光束被反射输出，少数能量的透射光经过衰减系统5和聚焦透镜6会聚到CCD相机7上，内置于计算机8的SPGD优化算法用来处理计算机采集到的CCD相机8上的光斑信号，沿着使光斑峰值光强增大的方向，不断迭代计算出所需要的控制电压，高压放大器9将所需的控制电压施加在变形镜3的各个驱动器上，驱动变形镜3产生相应的形变，补偿高阶横模激光整体波前相位中的畸变、补偿高阶横模光束各节线两侧旁瓣π相位跃变、使高阶横模激光各个旁瓣在远场实现很好的相干合成，从而提升高阶横模激光束的相干特性，成功实现单台高阶(即非基横模)横模激光相干合成输出。

图3中的固体激光器1为可产生高阶横模输出的固体激光器，例如，通常的商用平-平腔型多模Nd:YAG固体激光器。

如图3所示，本发明的光束匹配系统2是是由一块凹透镜和一块凸透镜组成的无焦扩束系统，可将激光光束口径扩大到与变形镜的口径相一致，且光束不会产生聚焦，避免了功率过高，损坏光学器件。

如图3所示，变形镜3具有很高的空间分辨率(能校正前65阶zernike多项式表征的波前像差)，既能产生π相位，又能产生各种复杂的波前相位，能够补偿高阶横模激光各旁瓣的π相位跃变以整体波前相位中的畸变。

如图3所示，衰减系统5为反射镜加可变密度的吸收式衰减片组成的衰减倍数从10²到10⁴可调的系统。

如图4所示，本发明中的优化算法采用随机并行梯度下降算法SPGD，优化算法要优化的目标为CCD相机上焦斑的峰值光强，按照峰值光强增大的方向不断迭代更新电压值，具体实现步骤如下：

(1)确定性能指标：以CCD相机上焦斑的峰值光强值为优化目标，同时作为算法的性能指标J^(k)＝J(u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，)，其中，u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，是算法在第k代运行时加载到变形镜上的电压值，下标n代表变形镜的驱动器编号；

(2)在确定了性能指标后，计算机随机产生一组相互独立且同为伯努利分布的扰动电压值δu^k _1，，δu^k _2，...，δu^k _n；该组电压值通过计算机程序自动生成；

(3)在当前电压u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，上施加正扰动δu^k _1，，δu^k _2，，...，δu^k _n，然后计算采集到的CCD上焦斑的峰值光强值，并将其作为正方向性能指标J₊ ^(k)＝J(u^k ₁+δu^k _1，，u^k ₂+δu^k ₂，...，u^k _n+δu^k _n)；同理，在当前电压u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，上施加负扰动-δu^k _1，，-δu^k _2，，...，-δu^k _n，然后计算采集到的CCD上焦斑的峰值光强值，并将其作为负向性能指标J_- ^(k)＝J(u^k ₁-δu^k _1，，u^k ₂-δu^k ₂，...，u^k _n-δu^k _n)；

(4)在计算了正负方向的性能指标后，按照u_i ^k+1＝u_i ^k+γδu^k _i(J^k ₊-J^k _-)(i＝1，2，...n)产生新的电压，通过这样的更新方式，目的是使算法在多次迭代运行后，最终让J^k ₊-J^k _-趋近于0，也即使得变形镜上的电压值收敛到某一组值，此时，可认为算法已经达到收敛，此时焦斑峰值光强达到最大，高阶横模激光各旁瓣的π相位跃变以及整体波前相位中的畸变被补偿掉，实现单主峰的相干合成，其中，γ是增益系数，一般取值范围为0.001-0.5，在本发明的实施例中γ取值为0.02，δ为扰动系数，一般取值范围为0.01-1，在本发明的实施例中的取值为0.1；

(5)判断是否满足算法结束条件。如满足则结束算法迭代过程；如不满足则进行第k+1次迭代，转步骤(1)；

图5给出了对两种不同高阶横模激光(TEM₁₁和TEM₃₃)采用SPGD优化算法控制69单元变形镜实现相干合成输出的仿真实例。其中(A)和(C)分别为变形镜开环时，两种高阶模式激光的远场分布，(B)和(D)分别为变形镜闭环后对应(A)和(C)的相干合成远场分布。(E)和(F)为变形镜补偿(A)和(C)对应的模式所产生的像差图。从图5可以清晰看出，在两种不同的模式输出情况下，采用本发明都能够将输出的高阶横模激光转化为相干合成输出的激光。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种自适应高阶横模激光相干合成装置，其特征在于包括：固体激光器(1)、光束匹配系统(2)、变形镜(3)、分光反射镜(4)、衰减系统(5)、聚焦透镜(6)、CCD相机(7)、计算机(8)和高压放大器(9)；固体激光器(1)输出的高阶横模激光经过光束匹配系统(2)扩束入射到变形镜(3)上，经变形镜(3)反射的光束再经过分光反射镜(4)分光，绝多数能量的光束被反射输出，少数能量的透射光经过衰减系统(5)和聚焦透镜(6)会聚到CCD相机(7)上，内置于计算机(8)的优化算法用来处理计算机采集到的CCD相机(7)上的光斑信号，沿着使光斑峰值光强增大的方向，不断迭代计算出所需要的控制电压，该控制电压经过高压放大器(9)放大后加载在变形镜(3)的各个驱动器上，驱动变形镜(3)产生相应的形变，补偿高阶横模激光整体波前相位中的畸变、补偿高阶横模光束各节线两侧旁瓣π相位跃变、使高阶横模激光各个旁瓣在远场实现很好的相干合成，从而提升高阶横模激光束的相干特性，实现单台高阶横模激光相干合成输出。

2.根据权利要求1所述的自适应高阶横模激光相干合成装置，其特征在于：所述的优化算法采用随机并行梯度下降算法SPGD，优化算法要优化的目标为CCD相机上焦斑的峰值光强，按照峰值光强增大的方向不断迭代更新电压值，具体实现步骤如下：

(1)确定性能指标

以CCD相机上焦斑的峰值光强值为优化目标，同时作为性能指标J^(k)＝J(u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，)，其中，u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，为在第k代运行时加载到变形镜上的电压值，下标n代表变形镜的驱动器编号；

(2)在确定了性能指标后，随机产生一组相互独立且同为伯努利分布的扰动电压值δu^k _1，，δu^k _2，，...，δu^k _n，并将该组电压值施加在u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，上；

(3)在当前电压值u^k _1，，u^k _2，，...，u^k _n，上施加扰动电压δu^k _1，，δu^k _2，，...，δu^k _n，然后计算正方向性能指标J₊ ^(k)＝J(u^k ₁+δu^k _1，，u^k ₂+δu^k ₂，...，u^k _n+δu^k _n)和负向性能指标

J_- ^(k)＝J(u^k ₁-δu^k _1，，u^k ₂-δu^k ₂，…，u^k _n-δu^k _n)；

(4)计算u_i ^k+1＝u_i ^k+γδu^k _i(J^k ₊-J^k _-)，其中，γ是增益系数，δ为扰动系数；

(5)判断是否满足算法结束条件，如果满足则结束算法迭代过程；如果不满足则进行第k+1次迭代，转步骤(1)。

3.根据权利要求1所述的自适应高阶横模激光相干合成装置，其特征在于：所述的固体激光器(1)为可产生高阶横模输出的固体激光器。

4.根据权利要求1所述的自适应高阶横模激光相干合成装置，其特征在于：所述的光束匹配系统(2)是由一块凹透镜和一块凸透镜组成的无焦扩束系统，可将激光光束口径扩大到与变形镜的口径相一致。

5.根据权利要求1所述的自适应高阶横模激光相干合成装置，其特征在于：所述的变形镜(3)具有很高的空间分辨率，即能校正前65阶zernike多项式表征的波前像差，既能产生π相位，又能产生各种复杂的波前相位，能够补偿高阶横模激光各旁瓣的π相位跃变以及整体波前相位中的畸变。

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