CN102645745B - 激光光强分布和波前的控制装置及控制方法 - 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强分布和波前的控制装置及控制方法，该控制装置包括控制器以及依次设置在激光的光路上的光强增益器、激光波前校正器、分束镜和第一探测器，采用光强增益器调节激光的光强分布，采用激光波前校正器补偿激光的位相畸变，控制器根据接收到的光强分布与波前信息分别调节光强增益器和激光波前校正器使得第一探测器所探测出的信息达到预设的目标光强分布和目标波前。本发明实现了调节激光光强分布的同时，可对激光的波前进行有效的控制，且可有效地将任意形式的激光实时变换为具有任意光强分布、任意波前的激光，可以有效地应用于对高功率、高能量激光的光强分布与波前的控制。

Description

激光光强分布和波前的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种激光光强分布和波前的控制装置及控制方法。

背景技术

激光自1960年问世至今，得到的了空前的发展，由于其亮度高、单色性好、准直和聚焦性能好，已在科学研究、军事国防、工业加工、天文观测和信息传播等领域得到的广泛的应用。

在实际应用当中，激光的光强分布和波前决定了其传输、聚焦、变换的性质。根据激光质量因子M²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，

为由波前决定的光束质量因子的子项，该公式推导过程参见(B.J.Neubert，“Influences on the beam propagation ratio M²”，Opt.Comm.，2005，vol250，page 241-251)。

因此，通过控制激光的光强分布、补偿激光的位相畸变可以有效的提高激光的光束质量，改善激光的传播特性。

现有的光强分布控制技术都是透射衰减式的，且在实际应用中会受到如激光光强、孔径等因素的限制。专利号为“02820338.0”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并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，但由于需要曝光、显影、定影等工艺，掩膜的制造时间较长，使该方法对激光的光斑分布的控制的实时性受到影响；另一方面，该方法实际上是对光强衰减的，将会使激光的功率受到损失；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。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，但该方法同样也是只能通过衰减实现对激光光强分布的控制，无法解决激光损失和损伤问题。

专利号为“200610169887.2”的中国专利介绍了一种利用变形镜控制激光的近场波前实现对远场激光光强分布的控制的方法，但该方法无法实现对激光远场的波前进行有效的控制，因此只适用于在激光的远场或焦面附近应用，无法有效的改善激光的传播特性和光束质量；此外，在该专利提到的方法中，由于激光的波前与光强分布之间的关系是非线性的，且实际的变形镜控制波前的能力会受到制动器行程、排布间距、控制精度等问题的限制，因此在实际应用时，无法实现远场输出激光的任意光强分布。

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供一种可同时调节激光的光强分布和波前的激光光强分布和波前的控制装置及控制方法。

(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强分布和波前的控制装置，包括控制器以及依次设置在激光的光路上的光强增益器、激光波前校正器、分束镜和第一探测器；所述控制器分别与所述光强增益器、激光波前校正器和第一探测器连接，所述光强增益器用于调节激光的光强分布，所述激光波前校正器用于补偿激光的位相畸变，所述分束镜将光强和波前受到控制后的激光分离出小部分能量供第一探测器进行探测，并将其余大部分能量反射输出，所述控制器内预设目标光强分布和目标波前，所述第一探测器用于探测激光经光强增益器和激光波前校正器后的光强分布与波前信息并传输给控制器，所述控制器根据接收到的光强分布与波前信息分别调节光强增益器和激光波前校正器以使第一探测器所探测到的信息达到预设的目标光强分布和目标波前。

优选地，所述光强增益器包括增益介质、泵浦源和光学元件，所述增益介质设置在激光的光路上，所述泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述控制器与所述光学元件连接，用于控制射入增益介质内的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，使经过增益介质的激光与预设的目标光强分布相匹配。

优选地，所述光学元件包括液晶光阀和反射镜，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设置液晶光阀和反射镜，所述控制器与所述液晶光阀相连接，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，所述激光波前校正器为变形镜。

优选地，所述第一探测器为哈特曼传感器或剪切干涉仪与科学CCD的组合。

优选地，在所述激光波前校正器的激光输出口设有动态扰动标定系统，所述动态扰动标定系统包括平面镜和第二探测器，所述激光波前校正器输出的激光经平面镜进行透射输出，信标光从激光的输出方向射入并携带动态扰动的幅相信息，所述平面镜将携带有动态扰动的幅相信息的信标光从光轴分离后反射到第二探测器，所述第二探测器将探测到的携带有动态扰动的幅相信息的信标光的动态光强分布和波前信息传输给控制器；所述第二探测器为哈特曼传感器或剪切干涉仪与科学CCD的组合。

本发明还提供一种激光光强分布和波前的控制方法，在激光的光路上依次设有光强增益器、激光波前校正器、分束镜和第一探测器，控制器分别与光强增益器、激光波前校正器和第一探测器连接，所述光强增益器用于调节激光的光强分布，所述激光波前校正器用于补偿激光的位相畸变，所述分束镜将光强和波前受到控制后的激光分离出小部分能量供第一探测器进行探测，并将其余大部分能量反射输出，所述控制器内预设目标光强分布和目标波前，所述第一探测器用将探测到的光强分布与波前信息传输给控制器，所述控制器根据接收到的光强分布与波前信息分别调节光强增益器和激光波前校正器以达到预设的目标光强分布和目标波前。

优选地，所述光强增益器包括增益介质、泵浦源和光学元件，所述增益介质设置在激光的光路上，所述泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述控制器与所述光学元件连接，用于控制射入增益介质的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，使经过增益介质的激光与预设的目标光强分布相匹配。

优选地，所述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，在泵浦源和增益介质的出射面之间依次设置液晶光阀和反射镜，控制器与液晶光阀相连接，所述控制器施加给液晶光阀的电压设为U_I(x，y)，泵浦光经过液晶光阀后的光强设为I_p(x，y)，其中，

$u_I(x,y)=\frac{C_p}{I_{p0}(x,y)C_I}\·[\mathrm{In}\left(\frac{I_o(x,y)}{I_i(x,y)}\right)+\frac{I_o(x,y)-I_i(x,y)}{I_s}]$

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

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， $C_p=\frac{\mathrm{hc\α}}{{\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f(e^{\mathrm{\αL}}-1)},$ $I_s=\frac{\mathrm{hc}}{{\mathrm{\λ}}_l{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f},$ 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，激光波前校正器为变形镜时，激光经变形镜使其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由分束镜输出，第一探测器将探测到的波前信息传输给控制器，控制器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给变形镜以调节位相延迟从而补偿激光的波前畸变，

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强分布和波前的控制装置及控制方法，包括控制器以及依次设置在激光的光路上的光强增益器、激光波前校正器、分束镜和第一探测器，采用光强增益器调节激光的光强分布，采用激光波前校正器补偿激光的位相畸变以调节激光的波前，控制器预设有目标光强分布和目标波前，第一探测器探测到激光经光强增益器和激光波前校正器后光强分布信息和波前信息并传输到控制器，控制器根据接收到的光强分布与波前信息分别调节光强增益器和激光波前校正器使得第一探测器所探测出的信息达到预设的目标光强分布和目标波前，从而实现了调节激光光强分布的同时，可对激光的波前进行有效的控制，可有效地将任意形式的激光实时变换为具有任意光强分布、任意波前的激光，由于控制过程不产生对激光光强的衰减，因此可以有效地应用于对高功率、高能量激光的光强分布与波前的控制；进一步地，在激光波前校正器的激光输出口设有动态扰动标定系统，探测到携带有动态扰动的幅相信息的信标光强度分布和波前信息，实现了对输出激光的振幅和位相调制，以补偿动态扰动而引起的光强和位相畸变，降低动态扰动对激光传输的影响。

附图说明

图1是本发明光学元件包括液晶光阀时的激光光强分布和波前的控制装置的结构示意图；

图2是本发明光学元件包括耦合系统时的的激光光强分布和波前的控制装置的结构示意图；

图3是本发明增加了抗大气扰动系统时的激光光强分布和波前的控制装置的结构示意图。

其中，1、激光振荡器；2、控制器；2a、计算器；2b、驱动器；3、数据总线；4、增益介质；5、泵浦源；6a、液晶光阀；6b、反射镜；6c、耦合系统；7a、第一探测器；7b、第二探测器；8、变形镜；9、分束镜；10、平面镜；11、信标光；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、图2和图3所示，本发明一种激光光强分布和波前的控制装置，包括控制器2以及依次设置在激光a的光路上的光强增益器、激光波前校正器、分束镜9和第一探测器7a；控制器分别与光强增益器、激光波前校正器和第一探测器7a连接，光强增益器用于调节激光a的光强分布，激光波前校正器用于补偿激光a的位相畸变，分束镜9用于将光强和波前受到控制后的激光分离出小部分能量供第一探测器7a进行探测，同时并将其余大部分能量反射输出，控制器内预设目标光强分布和目标波前，第一探测器7a用于探测激光经光强增益器和激光波前校正器后的光强分布与波前信息并传输给控制器，控制器2根据接收到的光强分布与波前信息分别调节光强增益器和激光波前校正器以使第一探测器所探测到的信息达到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。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，本发明优先采用计算机2a和驱动器2b的组合，计算机2a通过驱动器2b控制光强增益器，驱动器2b接收到计算机2a的控制信号，将其放大为电压输出，供光强增益器使用。本发明的第一探测器7a可为哈特曼传感器或剪切干涉仪与科学CCD(Charge-coupledDevice)的组合件，还可以为其他可以探测光强分布和波前的装置或组合装置。

利用本发明可有效地将任意形式的激光变换为具有任意光强分布、任意波前的激光；实现了调节激光光强分布的同时，可对激光的波前进行有效的控制，可有效地将任意形式的激光实时变换为具有任意光强分布、任意波前的激光，由于控制过程不产生对激光光强的衰减，因此可以有效地应用于对高功率、高能量激光的光强分布与波前的控制。

本发明的光强增益器包括增益介质4、泵浦源5和光学元件，如图1、图2和图3所示，增益介质4设置在激光a的光路上，泵浦源5向增益介质4发出泵浦光，该泵浦光b经由光学元件进入增益介质4，计算机2a通过驱动器2b与光学元件连接，用于控制射入增益介质4的泵浦光b的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，使经过增益介质4的激光a与预设的目标光强分布相匹配。其中，增益介质可为Nd:YVO₄、Nd:YAG、Nd:YLF等任意可以产生激光增益的物质。

本发明的光学元件可以为各种适合的光学部件，只要能实现控制泵浦光的光强分布即可。优选地，光学元件包括液晶光阀6a和反射镜6b，反射镜6b的表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层，如图1所示，该实施例在泵浦源5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，计算机2a通过驱动器2b与液晶光阀6a相连接。本实施例将第一探测器7a的预设目标光强分布传递给计算机2a，由计算机2a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b全反、对激光a增透膜层，使得泵浦光b经反射镜6b反射进入增益介质4，而激光a经由增益介质4的出射面穿透反射镜6b输出，从而实现了将经增益介质4的激光a的光强分布与预设的目标光强分布相匹配；如图2所示，优选地，光学元件包括耦合系统6c和反射镜6b，该实施例在泵浦源5和增益介质4的出射面之间依次设置耦合系统6c和反射镜6b，反射镜6b的表面镀有对泵浦光b全反、对激光a增透膜层，计算机2a通过驱动器2b与耦合系统6c相连接，该耦合系统6c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，可以通过计算机2a控制三维平移台以改变泵浦光的在增益介质4处的束腰位置和束腰大小，从而实现控制泵浦光b的光强分布，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，经过该耦合系统6c的泵浦光形成的孔径大小与激光a的孔径相匹配；优选地，光学元件包括变形镜和傅里叶变换镜，在泵浦源5和增益介质4的出射面之间依次设有变形镜和傅里叶变换镜，泵浦源5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4出射面，控制器与变形镜相连接，该实施例将第一探测器7a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。

本发明的激光a可由激光振荡器1发出，其产生的激光射入增益介质4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4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，如图1、图2和图3，本发明的激光波前校正器可为变形镜8或静态相位板等可产生位相延迟的元件，激光a经光强增益器输出后通过变形镜8产生位相延迟，该位相延迟叠加到激光a的波前上从而对激光a的位相畸变进行补偿，进而校正了该激光a的波前，分束镜9将校正后的激光分离出小部分的能量供第一探测器7a进行探测，并将其余大部分的能量反射输出；第一探测器7a通过总线3与计算机2a连接，可以探测到波前斜率信息和光强分布信息并传输给控计算机2a，计算机2a自动还原出整个激光的波前信息和光强分布信息，计算机2a将接收到的波前信息与目标波前相比较后控制分束镜8以调节位相延迟，进而控制激光的波前以达到目标波前。

为了实现对校正后输出的激光的振幅和位相进行调制，以补偿由于大气等动态扰动而引起的光强分布和位相畸变，降低动态扰动对激光传输的影响，如图3所示，在激光波前校正器的激光输出口设有动态扰动标定系统，该动态扰动标定系统包括平面镜10和第二探测器7b，激光波前校正器输出的激光经平面镜10透射输出，信标光11从激光的输出方向射入并携带动态扰动的幅相信息，该信标光11的作用在于标定动态扰动引起的幅相变化，平面镜10将携带有动态扰动的幅相信息的信标光11从光轴分离后发射给第二探测器7b，该第二探测器7b通过数据总线3与控制器2连接，将探测到的携带有动态扰动的幅相信息的信标光11的动态光强信息和波前信息通过数据总线3传输给控制器2。第二探测器7b可为哈特曼传感器或剪切干涉仪与科学CCD的组合，还可以为其他可以探测光强分布和波前的装置或组合装置。

本发明的光强增益器的另一种实施方式为：该光强增益器包括增益介质4和泵浦源5，增益介质4设置在激光的光路上，控制器2与泵浦源5相连接，用于控制泵浦源5直接向增益介质4发出泵浦光，使得经过增益介质4的激光的光强分布与预设的目标光强分布相匹配。

本发明提供的激光光强分布和波前的控制方法如下：在激光a的光路上依次设有光强增益器、激光波前校正器、分束镜9和第一探测器7a；控制器分别与光强增益器、激光波前校正器和第一探测器7a连接，光强增益器用于调节激光a的光强分布，激光波前校正器用于补偿激光a的位相畸变，分束镜9用于将光强和波前受到控制后的激光分离出小部分能量供第一探测器7a进行探测，同时并将其余大部分能量反射输出，控制器内预设目标光强分布和目标波前，第一探测器用于探测激光经光强增益器和激光波前校正器后的光强分布与波前信息并传输给控制器，控制器2根据接收到的光强分布与波前信息分别调节光强增益器和激光波前校正器以达到目标光强分布和目标波前。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，本发明优先采用计算机2a和驱动器2b的组合，计算机2a通过驱动器2b控制光强增益器，驱动器2b接收到计算机2a的控制信号，将其放大为电压输出，供光强增益器使用。本发明的第一探测器7a可为哈特曼传感器或剪切干涉仪与科学CCD的组合，还可以为其他可以探测光强分布和波前的装置或组合装置。

优选地，本发明的光强增益器包括增益介质4、泵浦源5和光学元件，增益介质4设置在激光a的光路上，泵浦源5向增益介质4发出泵浦光b，该泵浦光b经由光学元件进入增益介质4，计算机2a通过驱动器2b与光学元件相连接，用于控制射入增益介质4的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质4内的增益分布，使经过增益介质4的激光与预设的激光光强分布相匹配。其中，增益介质可为Nd:YVO₄、Nd:YAG、Nd:YLF等任意可以产生激光增益的物质。

当光学元件包括液晶光阀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，计算机2a通过驱动器2b与液晶光阀6a相连接，施加给液晶光阀6a的电压设为U_I(x，y)，泵浦光b原始的光强分别设为I_po(x，y)，在驱动器2b的驱动下，使由泵浦源5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9的泵浦光的光强分布设为I_p(x，y)，经过增益介质4出射面垂直入射进增益介质4并产生的增益分布设为g(x，y，z)：

$g(x,y,z)=\frac{{\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f}{\mathrm{hc}}{I}_p(x,y)e^{-\mathrm{\α}(L-z)}---\left(1\right)$

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；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4的入射面z＝0，在增益介质4的出射面z＝L。如果增益介质4是平板型，由于经过准直，增益介质4内的增益分布可以近似为泵浦光光强分布。

由于增益介质4是四能级系统，可以忽略其受激吸收效应，因此激光a经过增益介质4后，结合公式(1)与激光放大的微分方程可以计算得到泵浦光在增益介质表面处的光强分布：

$I_p(x,y)=C_p\{\mathrm{In}\left(\frac{I_o(x,y)}{I_i(x,y)}\right)+\frac{I_o(x,y)-I_i(x,y)}{I_s}\}---\left(2\right)$

结合泵浦光b的光强调制方程可以得到最终控制电压u_l(x，y)的表达式：

$u_I(x,y)=\frac{C_p}{I_{p0}(x,y)C_I}\·\·[\mathrm{In}\left(\frac{I_o(x,y)}{I_i(x,y)}\right)+\frac{I_o(x,y)-I_i(x,y)}{I_s}]---\left(3\right)$

式中，G_I为液晶光阀6a的透过率-电压系数，I_i(x，y)为激光a原始的光强分布，即进入增益介质前的激光a，I_o(x，y)为控制器2预设的激光的目标光强分布，I_p0(x，y)为激光a的原始输出光强， $C_p=\frac{\mathrm{hc\α}}{{\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f(e^{\mathrm{\αL}}-1)},$ $I_s=\frac{\mathrm{hc}}{{\mathrm{\λ}}_l{\mathrm{\σ}}_{21}{\mathrm{\τ}}_f},$ λ_l为激光束波长，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，e为欧拉系数；当泵浦源5不工作时，由于整个系统的光程较短，可以近似地认为此时第一探测器7a探测到的光强分布就是激光原始的光强分布Ii(x，y)。

由于激光的目标光强分布I_o(x，y)为高斯型，当入射的激光a为激光振荡器1发射出的波长为1064nm的激光，到达增益介质4表面的激光a横截面的光强分布为均匀分布，经过装置整形后光强分布变为了在(a，a)，(-a，a)(a，-a)，(-a，-a)四个位置2X2高斯分布；泵浦源为经过准直的半导体激光器，输出波长为808nm；激光a的光强分布为均匀分布；第一探测器7a探测到的目标光强分布为四个位置2X2高斯分布：

I_i(x，y)＝A₀    (4)

$I_o(x,y)=B_0(e^{-\frac{{(x-a)}^2+{(y-a)}^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}+e^{-\frac{{(x-a)}^2+{(y+a)}^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}+e^{-\frac{{(x+a)}^2+{(y-a)}^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}+e^{-\frac{{(x+a)}^2+{(y+a)}^2}{{\mathrm{\ω}}^2}})---\left(5\right)$

式中，A₀为激光a的振幅，B₀为出射激光a的振幅，ω为激光束比例系数，e为欧拉系数。

结合(2)(3)、(4)、(5)式，就可以计算出增益介质表面处的泵浦光强分布I_p(x，y)和控制电压分布u_l(x，y)，驱动器2b调节液晶光阀4a的控制电压为u_l(x，y)，使泵浦光的光强分布趋于预设的激光光强分布I_o(x，y)，就可以实现对激光的整形。

本实施例中液晶光阀4a的使用不会对经过光强分布调制的激光的位相或波面产生任何影响。如果利用专利号为“01256697.7”的中国专利中提出方法得到本实施例中的光强分布，必然会出现液晶光阀6a中的部分单元将对激光的透过率很低的情况，这就意味着会有很大比例的光功率被转换成热，有可能会严重地损坏液晶器件。

当光学元件包括耦合系统6c和表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层的反射镜6b时，其中，该耦合系统6c为一个固定在三维平动台上的透镜组，通过调节三维平移台架在x、y、z方向的平动，可以通过驱动器控制三维平移台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。

则增益介质4内的光强分布可以表示为：

$I_{\mathrm{pg}}(x,y,z)=\frac{C}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_p^2\left(z\right)}{e}^{-\frac{2{\left(\sqrt{x^2+y^2}\right)}^N}{{\mathrm{\ω}}_p^N\left(z\right)}}{e}^{-\mathrm{\αz}}---\left(6\right)$

泵浦光入口光强分布为：

$I_p(x,y)={\∫}_0^L{I}_{\mathrm{pg}}(x,y,z)---\left(7\right)$

其中C为由泵浦功率决定的常数，N为超高斯系数，α为增益介质对泵浦光b的吸收系数，ω_p(z)为泵浦光b的模式半径，有：

${\mathrm{\ω}}_p^2\left(z\right)={\mathrm{\ω}}_{p0}^2\sqrt{1+{\left[\frac{{\mathrm{\θ}}_p(z-z_0)}{{\mathrm{\ω}}_{p0}}\right]}^2}---\left(8\right)$

其中：z₀为泵浦光束腰的位置，θ_p为远场发散角，ω_p0为束腰处泵浦光的半径。

当泵浦光学系统满足傍轴条件时，如果耦合系统6c产生一个微小的位移量(Δx，Δy，Δz)，根据图2所示的几何关系，增益介质中光强分布I_p产生的坐标偏移量为(Δx’，Δy’，Δz’)可以近似表示为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}^{\′}=\mathrm{\Δz}\\ \mathrm{\Δ}{y}^{\′}=\mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δ}{z}^{\′}=\mathrm{\Δx}\end{array}\right.---\left(9\right)$

从上述公式(6)、(7)、(8)、(9)可以看出，本实施例虽然可以有效的调节等效入口光强分布I_p(x，y)，但其空间调节能力较小，因此当计算机2a得到了需要控制的泵浦光光强分布I_p(x，y)时，还需要使用最小二乘法计算出(Δx，Δy，Δz)的最优解，并控制驱动器驱动三维平移台产生响应的位移量，从而得到与目标光强I_ot(x，y)最近似的激光输出。

进一步地，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。如图1、图2和图3所示，激光经光强增益器使其光强分布被控制在目标光强分布内，激光通过变形镜8后经分束镜输出，第一探测器7a将探测到的波前信息传输给计算机2a，计算机2a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

从而实现对激光的波前校正，具体为：激光经变形镜8产生位相延迟，由位相延迟并叠加到激光的波前上从而补偿激光的位相畸变使得其波前达到目标波前，经波前校正后的激光经分束镜分离出小部分能量供第一探测器7a进行探测，并将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)。计算机通过控制驱动器2b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，根据第一探测器7a探测到的波前斜率信息并传输给计算机2a，计算机2a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；    (11)

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将致动器的控制电压更新为{U_n}后，继续接受第一探测器7a探测到的波前信息，并利用公式(11)计算出的电压不断更新控制电压，直至探测器探测到的波前趋于目标波前。

进一步地，为了实现对校正后输出的激光的振幅和位相进行调制，以补偿由于大气等动态扰动而引起的光强分布和位相畸变，降低动态扰动对激光传输的影响，如图3所示，在激光波前校正器的激光输出口设有动态扰动标定系统，该动态扰动标定系统包括平面镜10和第二探测器7b，激光波前校正器输出的激光经平面镜10透射输出，信标光11从激光的输出方向射入并携带动态扰动的幅相信息，该信标光11的作用在于标定动态扰动引起的幅相变化，平面镜10将携带有动态扰动的幅相信息的信标光11从光轴分离后发射给第二探测器7b，该第二探测器7b通过数据总线3与计算机2a连接，将探测到的携带有动态扰动的幅相信息的信标光11的动态光强信息和波前信息通过数据总线3传输给计算机2a。第二探测器7b可为哈特曼传感器或剪切干涉仪与科学CCD的组合，还可以为其他可以探测光强分布和波前的装置或组合装置。

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 (7)

1.一种激光光强分布和波前的控制装置，其特征在于，包括控制器以及依次设置在激光的光路上的光强增益器、激光波前校正器、分束镜和第一探测器；所述控制器分别与所述光强增益器、激光波前校正器和第一探测器连接，所述光强增益器用于调节激光的光强分布，所述激光波前校正器用于补偿激光的位相畸变，所述分束镜将光强和波前受到控制后的激光分离出小部分能量供第一探测器进行探测，并将其余大部分能量反射输出，所述控制器内预设目标光强分布和目标波前，所述第一探测器用于探测激光经光强增益器和激光波前校正器后的光强分布与波前信息并传输给控制器，所述控制器根据接收到的光强分布与波前信息分别调节光强增益器和激光波前校正器以使第一探测器所探测到的信息达到预设的目标光强分布和目标波前； 

所述光强增益器包括增益介质、泵浦源和光学元件，所述增益介质设置在激光的光路上，所述泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述控制器与所述光学元件连接，用于控制射入增益介质内的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，使经过增益介质的激光与预设的目标光强分布相匹配； 

所述光学元件包括位于泵浦源和增益介质的出射面之间的反射镜、以及液晶光阀或耦合系统，所述液晶光阀或耦合系统设于泵浦源的一侧，反射镜设于增益介质的一侧；所述液晶光阀或耦合系统与所述控制器相连接，所述反射镜的表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层。 

2.如权利要求1所述的激光光强分布和波前的控制装置，其特征在于，所述激光波前校正器为变形镜。 

3.如权利要求1所述的激光光强分布和波前的控制装置，其特征在于，所述第一探测器为哈特曼传感器或剪切干涉仪与科学CCD 的组合。 

4.如权利要求1所述的激光光强分布和波前的控制装置，其特征在于，在所述激光波前校正器的激光输出口设有动态扰动标定系统，所述动态扰动标定系统包括平面镜和第二探测器，所述激光波前校正器输出的激光经平面镜进行透射输出，信标光从激光的输出方向射入并携带动态扰动的幅相信息，所述平面镜将携带有动态扰动的幅相信息的信标光从光轴分离后反射到第二探测器，所述第二探测器将探测到的携带有动态扰动的幅相信息的信标光的动态光强分布和波前信息传输给控制器；所述第二探测器为哈特曼传感器或剪切干涉仪与科学CCD的组合。 

5.一种激光光强分布和波前的控制方法，其特征在于，在激光的光路上依次设有光强增益器、激光波前校正器、分束镜和第一探测器，控制器分别与光强增益器、激光波前校正器和第一探测器连接，所述光强增益器用于调节激光的光强分布，所述激光波前校正器用于补偿激光的位相畸变，所述分束镜将光强和波前受到控制后的激光分离出小部分能量供第一探测器进行探测，并将其余大部分能量反射输出，所述控制器内预设目标光强分布和目标波前，所述第一探测器用将探测到的光强分布与波前信息传输给控制器，所述控制器根据接收到的光强分布与波前信息分别调节光强增益器和激光波前校正器以达到预设的目标光强分布和目标波前； 

所述光强增益器包括增益介质、泵浦源和光学元件，所述增益介质设置在激光的光路上，所述泵浦源向增益介质发出泵浦光，所述泵浦光经由光学元件进入增益介质，所述控制器与所述光学元件连接，用于控制射入增益介质的泵浦光的光强分布，从而改变增益介质内的增益分布，使经过增益介质的激光与预设的目标光强分布相匹配； 

所述光学元件包括表面镀有对泵浦光全反、对激光增透膜层的反射镜，以及液晶光阀或耦合系统；在泵浦源和增益介质的出射面之间， 所述液晶光阀或耦合系统设于泵浦源的一侧，反射镜设于增益介质的一侧；液晶光阀或耦合系统与控制器相连接。 

6.如权利要求5所述的激光光强分布和波前的控制方法，其特征在于，当所述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，所述控制器施加给液晶光阀的电压设为U_I(x,y)，泵浦光经过液晶光阀后的光强设为I_p(x,y)，其中， 

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， 

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。 

7.如权利要求6所述的激光光强分布和波前的控制方法，其特征在于，激光波前校正器为变形镜时，激光经变形镜使其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由分束镜输出，第一探测器将探测到的波前信息传输给控制器，控制器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给变形镜以调节位相延迟

从而补偿激光的波前畸变， 

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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