CN102637994A - 激光光束质量的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术领域，本发明公开了一种激光光束质量的控制装置及方法，该装置包括增益介质、泵浦源、第一光学元件、第二光学元件、探测器和控制器，所述增益介质设置在激光的光路上，所述控制器与泵浦源相连接，所述泵浦光经由第一光学元件进入增益介质，激光经由第一光学元件透射后进入第二光学元件，所述控制器与第一光学元件相连接，用于控制第一光学元件以调节泵浦光的光强分布。本发明在激光的光路上设置有能吸收泵浦光的增益介质，同时通过控制器控制泵浦光的光强分布以调节激光的光强分布，从而提高了激光的光束质量；进一步地，增加了激光波前校正器，可同时对激光的位相畸变进行补偿，进一步地提高了激光的光束质量。

Description

激光光束质量的控制装置及方法

技术领域

本发明涉及技术激光技术领域，特别是涉及一种激光光束质量的控制装置及方法。

背景技术

在实际应用当中，激光的光束质量是激光的一个重要的应用参数，反应了激光聚焦和传播的性能。例如在激光加工领域，光束质量好的激光光束就可以使聚焦后的光束聚焦光斑变小或瑞利长度(焦深)变长，从而提高激光对材料的加工能力，得到更好的加工效果。

激光的光束质量因子M²是描述激光光束质量的主要参数，根据ISO的标准定义，M²可以表示为：

$M^2=\frac{\mathrm{\ω\θ}}{{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\θ}}_0}$

式中分子为实际激光光束的束腰与远场发散角的乘积，分母为理想高斯光束的束腰和发散角的乘积。根据M²因子的定义可以推导出，如果忽略激光的线宽影响，M²因子可以表述为光强项和像差项平方和的算术平方根：

$M^2=\sqrt{{\left(M_i^2\right)}^2+{\left(M_{\mathrm{ab}}^2\right)}^2}$

式中

为由光强决定的光束质量因子的子项，为由位相分布决定的光束质量因子的子项，推导过程参见(B.J.Neubert，“Influences on the beam propagation ratio M²”，Opt.Comm.，2005，vol250，page 241-251)。因此如果想有效的改善激光的光束质量，仅补偿位相是无法实现的，只有通过对激光的光强分布和位相分布同时补偿、校正才能有效的改善激光的光束质量，才能使M²因子达到最小值1。

从对M²因子的定义可以看出，当激光为单色基模高斯光束时，M²因子为最小值1，基模高斯光束的定义为：

$\tilde{E}(x,y,z)=\frac{c}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}{e}^{-\frac{r^2}{{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}}{e}^{-i[k(z+\frac{r^2}{2R})-\mathrm{arctg}\frac{z}{f}]}$

从基模高斯光束的表达式可以看出，对于任意传播位置z，基模高斯光束的光强分布是高斯型的，位相分布均为理想球面波或理想平面波。因此，如果想得到高光束质量的激光光束，接近高斯型的光强分布与无像差的位相分布是两个必须满足的条件。

目前的技术都仅从补偿激光的波前畸变角度实现改进激光的光束质量。如专利号为“200910042404.6”的中国专利利用变形镜补偿激光的波前，改进激光的光束质量，但从前文中对光束质量因子M²的定义可以看出，只补偿波前是无法得到M²为1的基模高斯光束的，因此该技术用于改进激光光束质量是有一定局限性的。

此外现有的光强分布控制技术都是投射衰减式的，且在实际应用中会受到如激光光强、孔径等因素的限制。如专利号为“02820338.0”的中国专利中提出直接利用具有一定光强透过率分布的掩膜改变光束的强度分布用于半导体器件的光刻，该方法需要探测激光的强度分布后，设计、加工出对应透过率分布的掩膜，从而实现对激光强度分布的控制，但其设计、加工周期决定了该方法无法实现对激光的实时控制，此外这种透射式掩膜的损伤阈值比较低，也限制了其应用于高功率激光。如专利号为“01256697.7”的中国专利中提到利用液晶光阀对激光的光强分布进行控制，该方法虽然可以有效的对激光光强分布进行空间调制，也可以利用闭环系统实现自动控制，但液晶单元间的拼接缝隙会使激光光束的波面产生位相畸变，严重的情况会切割激光光束的波面，都会影响到激光光束的实际应用，此外损伤问题也是制约液晶光阀应用于激光光强空间调制的一个主要因素。

综上所述，通过优化激光的光强分布或消除激光的位相畸变都可以提高激光的光束质量，但在激光的位相畸变严重时，如果想得到光束质量因子M²为最小值1的激光光束，必须同时对光强分布和位相分布进行补偿、校正。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高激光的光束质量的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光光束质量的控制装置，包括增益介质、泵浦源、第一光学元件、第二光学元件、探测器和控制器，所述增益介质设置在激光的光路上，所述控制器与泵浦源相连接，用于控制泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由第一光学元件进入增益介质，激光经由第一光学元件透射后进入第二光学元件，所述第二光学元件将激光分离出小部分能量供探测器进行探测，并将其余大部分能量透射输出，所述探测器用于探测激光的光束质量信息并传输给控制器，所述控制器与第一光学元件相连接，用于控制第一光学元件以调节泵浦光的光强分布，进而调节增益介质内的增益分布以控制激光的光束质量。

优选地，还包括激光波前校正器，所述激光波前校正器设置在第一光学元件和第二光学元件之间，所述激光波前校正器与所述控制器相连接，用于补偿激光的位相畸变，激光经激光波前校正器反射后进入第二光学元件，控制器控制激光波前校正器调节激光的波前以进一步调节激光的光束质量。

优选地，所述第一光学元件包括液晶光阀和反射镜，在泵浦源和增益介质之间依次设置液晶光阀和反射镜，所述控制器与液晶光阀相连接，所述反射镜的表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层。

优选地，所述第二光学元件为分束镜。

优选地，所述探测器为哈特曼传感器或激光光束质量分析仪。

优选地，所述激光波前校正器为变形镜或静态相位板。

本发明还提供一种激光光束质量控制方法，在激光的光路上设置有接收泵浦光的增益介质，所述泵浦光经由与控制器相连接的第一光学元件进入增益介质，经增益介质和第一光学元件输出的激光经第二光学元件分离出小部分能量供探测器探测，并将其余大部分能量透射输出，所述探测器将探测到的激光的光束质量信息传输给控制器，所述控制器通过控制第一光学元件以调节泵浦光的光强分布，进而调节增益介质内的增益分布以控制激光的光束质量。

优选地，所述第一光学元件包括液晶光阀和表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层的反射镜时，所述液晶光阀与控制器相连接，所述控制器施加给液晶光阀的电压为U_I(x，y)，泵浦光经过液晶光阀后的光强为I_p(x，y)，其中，

$I_p(x,y)=C_p\{\ln \left(\frac{I_o(x,y)}{I_i(x,y)}\right)+\frac{I_o(x,y)-I_i(x,y)}{I_s}\}$

$u_I(x,y)=\frac{C_p}{I_{p0}(x,y)C_I}\·[\ln A_0-\left(\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2}\right)-\ln \left(I_i(x,y)\right)+\frac{A_0{e}^{-\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}-I_i(x,y)}{I_s}]$

式中，C_I为液晶光阀的透过率-电压系数，I_i(x，y)为增益介质的入射口处的的激光原始的光强分布，I_o(x，y)为控制器内预设的激光的目标光强分布，I_p0(x，y)为泵浦光原始的光强分布， $C_p=\frac{\mathrm{hc\α}}{{\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f(e^{\mathrm{\αL}}-1)},$ $I_s=\frac{\mathrm{hc}}{{\mathrm{\λ}}_I{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f},$ λ_l为激光波长，λ_p为泵浦光的波长，h为普朗克常量，c为光速，σ₂₁为增益介质的受激发射截面，τ_f为激活离子的上能级寿命，α为增益介质对泵浦光的吸收系数，L为增益介质的长度，e为欧拉系数。

优选地，在第一光学元件和第二光学元件之间设置有激光波前校正器，所述激光波前校正器与所述控制器相连接，用于补偿激光的位相畸变，激光经激光波前校正器反射后射入第二光学元件，控制器驱动激光波前校正器调节激光的波前以进一步地调节激光的光束质量。

优选地，所述激光波前校正器为变形镜时，激光经第一光学元件使激光的光强分布被控制在目标光强分布内，激光经变形镜产生位相延迟后经第二光学元件输出，控制器根据光束质量信息与预设的目标波前相比较后输出控制电压U_n给变形镜以调节激光的位相延迟

从而对激光的位相畸变进行补偿，

变形镜产生的位相延迟

为：

式中，N为变形镜的致动器的数量，U_n为变形镜第n个致动器的驱动电压，IF_n(x，y)为第n个致动器的影响函数。

(三)有益效果

上述技术方案提供的一种激光光束质量的控制装置及方法，在激光的光路上设置有能吸收泵浦光的增益介质以产生增益分布，同时通过控制器控制泵浦光的光强分布以调节激光的光强分布，从而提高了激光的光束质量；进一步地，增加了激光波前校正器，可同时对激光的位相畸变进行补偿，进一步地提高了激光的光束质量。

附图说明

图1是本发明用于调节光强分布的装置结构示意图；

图2是本发明可同时调节光强分布和波前的装置结构示意图。

其中，1、激光振荡器；2、控制器；3、泵浦源；4、增益介质；5、探测器；6、第一光学元件；6a、液晶光阀；6b、反射镜；7、第二光学元件；8、变形镜；a、激光；b、泵浦光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、本发明一种激光光束质量的控制装置，包括增益介质4、泵浦源3、第一光学元件6、第二光学元件7、探测器5和控制器2，增益介质4设置在激光a的光路上，控制器2与泵浦源3相连接，用于控制泵浦源3向增益介质4发出泵浦光b，泵浦光b经由第一光学元件6进入增益介质4，激光经由第一光学元件6透射后进入第二光学元件7，第二光学元件7将激光a分离出小部分能量供探测器5进行探测，并将其余大部分能量透射输出，探测器5用于探测激光a的光束质量信息并传输给控制器2，控制器2与第一光学元件6连接，用于控制第一光学元件6以调节泵浦光的光强分布进而控制激光的光束质量。本发明的探测器5可探测到的激光a的光强分布和波前信息两种光束质量信息调节第一光学元件6可调节出射激光的光强分布，在激光a的位相畸变不明显的情形下，只需要调节激光的光强分布即可调节激光的光束质量信息；控制器2中预设有目标光强分布和目标波前，该目标光强分布为高斯型，目标波前不含像差，探测器5探测到激光的出射光强分布和波前，当激光的位相畸变不明显时，出射激光的波前即为目标波前，而可通过控制器调节第一光学元件6以调节泵浦光b入射增益介质4表面的光强分布进而调节激光a出射增益介质4的光强分布，以使该光强分布达到预设的目标光强分布，最终提高了激光的光束质量。

本发明的控制器2可以为各种适合的控制元件，例如驱动器、单片机、计算机等；探测器5可为哈特曼传感器或激光光束质量分析仪，还可以为其他可以探测激光光束质量的装置或组合装置；增益介质4可为Nd:YVO₄、Nd:YAG、Nd:YLF等任意可以产生激光增益的物质，优先采用Nd:YVO₄；激光a可由激光振荡器1发出，其产生的激光射入增益介质的入射面；本发明进行控制的激光a可以是连续激光也可以是脉冲激光，激光a可以是一次性进入增益介质也可以是多次进入增益介质，从而形成入射激光，进入增益介质的方式可以是直通透过也可以是进入介质后经过反射后从介质出射。

优选地，该第一光学元件6包括液晶光阀6a和反射镜6b，如图1所示，反射镜6b的表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层，该实施例在泵浦源3和增益介质4的出射面之间依次设置液晶光阀6a和反射镜6b，控制器2与液晶光阀6a相连接；本实施例将探测器5探测到的目标光强分布传输给控制器2，由控制器2来施加电压到液晶光阀6a，以达到控制穿过液晶光阀6a的泵浦光b的光强分布，由于反射镜6b的表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层，使得泵浦光b经反射镜6b反射进入增益介质4，激光a经由增益介质4的出射面穿透反射镜6b输出，实现了将经增益介质4后的激光的光强分布与预设的目标光强分布相匹配。优选地，该第一光学元件6包括耦合系统和反射镜，该实施例在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设置耦合系统和反射镜，该耦合系统可为一个固定在三维平动台上的透镜组，可以由两个或者多个透镜组成，可以调节三维平移台架在x、y、z方向的平动，可以通过控制器控制三维平移台以改变泵浦光的在增益介质处的束腰位置和束腰大小，从而实现控制泵浦光的光强分布，泵浦光经反射镜反射进入增益介质，激光经由增益介质的出射面穿透反射镜输出，经过该耦合系统的泵浦光形成的孔径大小与激光的孔径相匹配。优选地，该第一光学元件包括变形镜和傅里叶变换镜，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设有变形镜和傅里叶变换镜，泵浦源所发出的泵浦光经由变形镜和傅里叶变换镜之后进入增益介质出射面，控制器与变形镜相连接，该实施例将第一探测器的预设光束图形传递给控制器，由控制器来施加电压到变形镜，以达到控制穿过变形镜的泵浦光的位相分布，实现了将经过增益介质的激光与预设的激光光强相匹配。

优选地，该第二光学元件7可为分束镜等可以使激光产生小部分反射多部分透射的光学元件。

进一步地，当激光a的位相畸变较严重时或由于功率较大导致增益介质内的热效应加剧而产生较严重的热畸变时，为了有效地改善激光a的光束质量，本实施例还包括激光波前校正器，该激光波前校正器设置在第一光学元件6和第二光学元件7之间，该激光波前校正器与控制器2相连接，用于补偿激光a的位相畸变，激光a经激光波前校正器反射后进入第二光学元件7，控制器2控制激光波前校正器调节激光a的波前以进一步地调节激光a的光束质量。其中，激光波前校正器可为变形镜或静态相位板等任意可以改变激光波前的光学元件。

本发明的控制器2的控制过程为：设定探测器探测到的光束质量因子为评价函数，计算机使用寻优算法，如SPGD算法、模拟退火算法、遗传算法，不停优化施加在第一光学元件(如液晶光阀)和激光波前校正器(如变形镜)上的控制信号，直至激光的光束质量达到控制器预设的目标值。

本发明提供的激光光束质量的控制方法如下：在激光a的光路上设置有接收泵浦光b的增益介质4，泵浦光b经由与控制器2相连接的第一光学元件6进入增益介质4，经增益介质4和第一光学元件6输出的激光经第二光学元件7分离出小部分能量供探测器5探测，并将其余大部分能量透射输出，探测器5将探测到的激光的光束质量信息传输给控制器2，该控制器2通过控制第一光学元件6以调节泵浦光b的光强分布，进而调节增益介质内的增益分布以控制激光的光束质量。本发明的探测器5可探测到的激光a的光强分布和波前信息两种光束质量信息调节第一光学元件6可调节出射激光的光强分布，在激光a的位相畸变不明显的情形下，只需要调节激光的光强分布即可调节激光的光束质量信息；控制器2中预设有目标光强分布和目标波前，该目标光强分布为高斯型，目标波前不含像差，探测器5探测到激光的出射光强分布和波前，当激光的位相畸变不明显时，出射激光的波前即为目标波前，而可通过控制器调节第一光学元件6以调节泵浦光b入射增益介质4表面的光强分布进而调节激光a出射增益介质4的光强分布，以使该光强分布达到预设的目标光强分布，最终提高了激光的光束质量。

本发明的控制器2可以为各种适合的控制元件，例如驱动器、单片机、计算机等；探测器5可为哈特曼传感器或激光光束质量分析仪，还可以为其他可以探测激光光束质量的装置或组合装置；增益介质4可为Nd:YVO₄、Nd:YAG、Nd:YLF等任意可以产生激光增益的物质，优先采用Nd:YVO₄；激光a可由激光振荡器1发出，其产生的激光射入增益介质的入射面；本发明进行控制的激光a可以是连续激光也可以是脉冲激光，激光a可以是一次性进入增益介质也可以是多次进入增益介质，从而形成入射激光，进入增益介质的方式可以是直通透过也可以是进入介质后经过反射后从介质出射。

优选地，当第一光学元件6包括液晶光阀6a和表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层的反射镜6b时，控制器2与液晶光阀6a相连接，经过增益介质出射面垂直入射进增益介质4并产生的增益分布。由于增益介质是四能级系统，可以忽略其受激吸收效应，根据激光放大的微分方程可以得出增益分布g₀(x，y，z )与激光的出射、入射光强分布的关系为：

$\ln \left[\frac{I_o(x,y)}{I_i(x,y)}\right]+\frac{I_o(x,y)-I_i(x,y)}{I_s}={\∫}_0^L{g}_0(x,y,z)\mathrm{dz}---\left(1\right)$

其中：x，y，z为空间坐标；式中

为饱和光强；λ_p为泵浦光的波长；h为普朗克常量，c为光速，σ₂₁为激光介质的受激发射截面，τ_f为激活离子的上能级寿命；L为激光介质的长度，本实施例中假定激光介质1最左侧表面为z＝0、最右侧表面为z＝L；g₀(x，y，z )为激光介质1内的小信号增益分布；Ii(x，y)为增益介质4的入射口处的的激光原始的光强分布，I_o(x，y)为预设的激光的目标光强分布。

由于泵浦光进入增益介质4前经过准直，因此其可以认为激光介质内的小信号增益分布为g₀(x，y，z)：

$g_0=(x,y,z)=\frac{{\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f}{\mathrm{hc}}{I}_p(x,y)e^{-\mathrm{\α}(I-z)}---\left(2\right)$

其中，λ_p为泵浦光的波长；h为普朗克常量；c为真空中的光速；σ₂₁为增益介质的受激发射截面；τ_f为激活离子的上能级寿命；α为增益介质对泵浦光的吸收系数；I_p(x，y)为由泵浦源3发射出的泵浦光b经过液晶光阀6a、反射镜6b后到达增益介质出射面的泵浦光的光强分布设；L为增益介质的长度；e为欧拉系数；(x，y，z)为空间坐标，在增益介质的入射面z＝0，在增益介质的出射面z＝L。

将式(2)代入式(1)可以计算出泵浦光强分布与激光入射、出射光强分布的关系：

$I_p(x,y)=C_p\{\ln \frac{I_o(x,y)}{I_i(x,y)}+\frac{I_o(x,y)-I_i(x,y)}{I_s}\}---\left(3\right)$

其中

当激光介质的材料、尺寸及工作波长和泵浦光波长不变时C_p为常数，λ_p为泵浦光b的波长，h为普朗克常量，c为光速，σ₂₁为增益介质的受激发射截面，τ_f为激活离子的上能级寿命，α为增益介质对泵浦光的吸收系数，L为增益介质的长度；

为了得到光束质量因子为1的基模高斯光束，需要将经过增益介质后的激光光强分布整形为：

$I_o(x,y)=A_0{e}^{-\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}---\left(4\right)$

将式(4)代入式(3)后可以得到输出高斯型光强分布(目标光强分布)时泵浦光光强分布与入射激光光强分布的关系：

$I_p(x,y)=C_p\·[\ln A_0-\left(\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2}\right)-\ln \left(I_i(x,y)\right)+\frac{A_0{e}^{-\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}-I_i(x,y)}{I_s}]---\left(5\right)$

从泵浦光b被液晶光阀6a调制的角度泵浦光强分布还可以表述为：

I_p(x，y)＝C_lu_l(x，y)I_p0( x，y)(6)

其中C₁为液晶光阀的透过率-电压系数；u₁(x，y)为控制器2所施加给液晶光阀6a的电压分布，I_po(x，y)为泵浦光b原始的光强分布设，该参数可以在装置安装前测得。

结合(5)、(6)式，可以得到输出激光为高斯型的目标光强分布时液晶光阀控制电压ul(x，y)与入射光强的关系为：

$u_I(x,y)=\frac{C_p}{I_{p0}(x,y)C_I}\·[\ln A_0-\left(\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2}\right)-\ln \left(I_i(x,y)\right)+\frac{A_0{e}^{-\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}-I_i(x,y)}{I_s}]$

式中，C_I为液晶光阀6a的透过率-电压系数，

λ_l为激光束波长，h为普朗克常量，c为光速，σ₂₁为增益介质的受激发射截面，τ_f为激活离子的上能级寿命，α为增益介质对泵浦光的吸收系数，e为欧拉系数；当泵浦源3不工作时，由于整个系统的光程较短，可以近似地认为此时探测器探测到的光强分布就是激光原始的光强分布I_i(x，y)。

综上所述，输出激光的光强分布变为高斯型的光强分布，使激光的光束质量得到了改善。

进一步地，当激光a的波前位相畸变较严重时或由于功率较大导致增益介质内的热效应加剧而产生较严重的热畸变时，为了有效地改善激光a的光束质量，本实施例在第一光学元件6和第二光学元件7之间还设有激光波前校正器，该激光波前校正器与控制器2相连接，用于补偿激光a的位相畸变，激光a经激光波前校正器反射后射入第二光学元件7，控制器2控制激光波前校正器以调节激光的波前以进一步地调节激光的光束质量。

激光波前校正器可为变形镜8或静态相位板等任意可以改变激光波前的光学元件，优选为变形镜8。优选地，当激光波前校正器为变形镜8时，如图2所示，激光a经该变形镜8使其光强分布被控制在目标光强分布的范围内，激光通过变形镜8后经第二光学元件7输出，探测器5将探测到的波前信息传输给控制器2，控制器2根据波前信息与预设的目标波前相比较后输出控制电压U_n给变形镜8以使激光产生的位相延迟

从而对激光a的位相畸变进行补偿，从而实现了激光的波前校正、具体为：激光经变形镜8产生位相延迟，该位相延迟对激光的位相畸变进行补偿以调节激光的波前达到目标波前，位相校正后的激光经分束镜分离出小部分能量供探测器5进行探测，并将其余大部分能量反射输出，其中：

变形镜8产生的位相延迟

为：

其中：N为变形镜8的致动器的数量，U_n为变形镜第n个致动器的驱动电压，IF_n(x，y)为第n个致动器的影响函数(即所有致动器不施加驱动电压，仅第n个致动器施加单位驱动电压时产生的位相延迟)。控制器2通过控制驱动器上对应每个致动器上的控制电压{U_n}，该位相延迟叠加到激光a的波前上从而校正了激光的波前，根据探测器探测到的波前斜率信息并传输给控制器2，控制器2还原出激光a经过整个光束控制装置后的波前信息φ(x，y)并利用最小二乘法计算出最佳控制电压：

U＝(IF^tIF)^-1IF^tΔΦ；                       (8)

U＝{U_n}为描述致动器电压的向量，IF＝{IF_n(x，y)}为离散化的影响函数，上标t为矩阵转置运算符号，上标-1为逆矩阵运算符号，ΔΦ为探测到的波前信息φ(x，y)与目标波前φ_t(x，y)的差的离散化形式。计算机2a将驱动器2b的控制电压更新为{U_n}后，继续接受探测器探测到的波前信息，并利用公式(8)计算出的电压不断更新控制电压U，直至探测器5探测到的波前趋于目标波前。

控制器2的控制过程为：设定探测器探测到的光束质量因子为评价函数，计算机使用寻优算法，如SPGD算法、模拟退火算法、遗传算法，不停优化施加在第一光学元件(如液晶光阀)和激光波前校正器(如变形镜)上的控制信号，直至激光的光束质量达到控制器预设的目标值。最终，本发明将出射的激光光束调制为不含像差、光强分布为高斯型的高光束质量的激光输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光光束质量的控制装置，其特征在于，包括增益介质、泵浦源、第一光学元件、第二光学元件、探测器和控制器，所述增益介质设置在激光的光路上，所述控制器与泵浦源相连接，用于控制泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由第一光学元件进入增益介质，激光经由第一光学元件透射后进入第二光学元件，所述第二光学元件将激光分离出小部分能量供探测器进行探测，并将其余大部分能量透射输出，所述探测器用于探测激光的光束质量信息并传输给控制器，所述控制器与第一光学元件相连接，用于控制第一光学元件以调节泵浦光的光强分布，进而调节增益介质内的增益分布以控制激光的光束质量。

2.如权利要求1所述的激光光束质量的控制装置，其特征在于，还包括激光波前校正器，所述激光波前校正器设置在第一光学元件和第二光学元件之间，所述激光波前校正器与所述控制器相连接，用于补偿激光的位相畸变，激光经激光波前校正器反射后进入第二光学元件，控制器控制激光波前校正器调节激光的波前以进一步调节激光的光束质量。

3.如权利要求1所述的激光光束质量的控制装置，其特征在于，所述第一光学元件包括液晶光阀和反射镜，在泵浦源和增益介质之间依次设置液晶光阀和反射镜，所述控制器与液晶光阀相连接，所述反射镜的表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层。

4.如权利要求1所述的激光光束质量的控制装置，其特征在于，所述第二光学元件为分束镜。

5.如权利要求1所述的激光光束质量的控制装置，其特征在于，所述探测器为哈特曼传感器或激光光束质量分析仪。

6.如权利要求2所述的激光光束质量的控制装置，其特征在于，所述激光波前校正器为变形镜或静态相位板。

7.一种激光光束质量的控制方法，其特征在于，在激光的光路上设置有接收泵浦光的增益介质，所述泵浦光经由与控制器相连接的第一光学元件进入增益介质，经增益介质和第一光学元件输出的激光经第二光学元件分离出小部分能量供探测器探测，并将其余大部分能量透射输出，所述探测器将探测到的激光的光束质量信息传输给控制器，所述控制器通过控制第一光学元件以调节泵浦光的光强分布，进而调节增益介质内的增益分布以控制激光的光束质量。

8.如权利要求7所述的激光光束质量的控制方法，其特征在于，所述第一光学元件包括液晶光阀和表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层的反射镜时，所述液晶光阀与控制器相连接，所述控制器施加给液晶光阀的电压为U_I(x，y)，泵浦光经过液晶光阀后的光强为I_p(x，y)，其中，

$I_p(x,y)=C_p\{\ln \left(\frac{I_o(x,y)}{I_i(x,y)}\right)+\frac{I_o(x,y)-I_i(x,y)}{I_s}\}$

$u_I(x,y)=\frac{C_p}{I_{p0}(x,y)C_I}\·[\ln A_0-\left(\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2}\right)-\ln \left(I_i(x,y)\right)+\frac{A_0{e}^{-\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}-I_i(x,y)}{I_s}]$

式中，C_I为液晶光阀的透过率-电压系数，I_i(x，y)为增益介质的入射口处的的激光原始的光强分布，I_o(x，y)为控制器内预设的激光的目标光强分布，I_p0(x，y)为泵浦光原始的光强分布， $C_p=\frac{\mathrm{hc\α}}{{\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f(e^{\mathrm{\αL}}-1)},$ $I_s=\frac{\mathrm{hc}}{{\mathrm{\λ}}_I{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f},$ λl为激光波长，λ_p为泵浦光的波长，h为普朗克常量，c为光速，σ₂₁为增益介质的受激发射截面，τ_f为激活离子的上能级寿命，α为增益介质对泵浦光的吸收系数，L为增益介质的长度，e为欧拉系数。

9.如权利要求7所述的激光光束质量的控制方法，其特征在于，在第一光学元件和第二光学元件之间设置有激光波前校正器，所述激光波前校正器与所述控制器相连接，用于补偿激光的位相畸变，激光经激光波前校正器反射后射入第二光学元件，控制器驱动激光波前校正器调节激光的波前以进一步地调节激光的光束质量。

10.如权利要求9所述激光光束质量的控制方法，其特征在于，所述激光波前校正器为变形镜时，激光经第一光学元件使激光的光强分布被控制在目标光强分布内，激光经变形镜产生位相延迟后经第二光学元件输出，控制器根据光束质量信息与预设的目标波前相比较后输出控制电压U_n给变形镜以调节激光的位相延迟

从而对激光的位相畸变进行补偿，

变形镜产生的位相延迟

为：

式中，N为变形镜的致动器的数量，U_n为变形镜第n个致动器的驱动电压，IF_n(x，y)为第n个致动器的影响函数。

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