CN103760666A - 基于光波可逆传输的自适应光学波前校正环路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光波可逆传输的自适应光学波前校正环路，特别适用于校正高功率激光系统输出光束波前。本方法利用波前测量仪和变形镜，依据光波传输的可逆性原理，达到优化会聚焦点的目得。由于该方法是以人为设置的近理想焦点作为目标靶点，逆向传输到变形镜表面后形成参考波前，所以该参考波前与理想焦点相对应。以此参考波前作为目标基准控制变形镜，以校正高功率激光系统输出光束波前，则能在靶点得到近理想的高功率激光系统会聚焦点。该方法完全避免了经典校正环路用于校正高功率激光系统输出波前时，校正后的近理想平面波前经压缩光学元件和会聚光学元件时引入的波前“二次污染”问题，是一种能提升高功率激光系统可聚焦焦点功率密度的有效方法。

Description

基于光波可逆传输的自适应光学波前校正环路

技术领域

本发明涉及自适应光学领域和强场激光技术领域。是一种根据光波传输的可逆性原理，由人为设置的近理想焦点获得目标参考波前，并以此为基准校正高功率激光系统输出波前，以此有效提升高功率激光系统可聚焦焦点功率密度。特别适用于校正有复杂光路的高功率激光系统输出波前以达到优化会聚焦点的波前校正技术。

背景技术 

超短超强激光科学以超短超强激光技术的发展，超短超强激光与物质的相互作用，以及在交叉学科和相关高技术领域中的前沿基础研究为研究对象，是重要的科学前沿领域，是实现极端物理条件，进而揭示物质本质的基础。

超短超强激光以超高功率密度而著称，因而其可聚焦的功率密度是超短超强激光系统中人们最主要的关注指标。为提升聚焦功率密度，在系统确定峰值功率的情况下，通过提高光束波前质量以达到减小焦斑尺度，从而提高聚焦功率密度，是一种有效而经济的手段。但实际的高功率激光系统中，由于在实际的放大过程中放大介质所存在的温度梯度效应及众多光学元件的像差、像散、球差等因素，使得放大后的激光光束通常不再是理想的衍射极限光束。在聚焦时，焦斑尺度大、斯特利尔比值（Strehl ratio）低，从而导致激光能量不能有效地聚焦在焦点上，特别随着激光能量的不断增大、放大级次的不断增多，装置规模的不断升级，这种效应会越来越严重，最终使激光的高能量不能在实验研究中得到有效应用。由此，无论从那方面考虑，改善超短超强激光系统的输出波前质量都显得尤为重要。利用自适应光学原理改善波前质量是当前这一领域的最主要手段。

自适应光学改善波前的主要原理可概述如下：利用波前测量装置，如波前剪切干涉仪或S-H波前测量仪，探测激光系统的输出波前，所得波前与理想波前做比较，二者差值就是畸变量。控制系统根据畸变量的大小，将所需的电压加到变形镜压电陶瓷的电极上，通过不同电极电压的正副和大小以改变变形镜的面形，从而使得变形镜反射激光波前发生相应的变化，变化后的波前再一次被探测，作为下一次控制变形镜的依据。这样，以理想平面波前为目标实现对输出实际波前的逐步改善，以此循环逼近，最终实现波前校正。校正后，变形镜表面的反射波前一般为近理想的平面波，然后经会聚光学元件会聚后，形成接近艾里衍射极限的会聚光斑，结果可有效提高可聚焦的功率密度。

经典自适应光学环路系统为改善光束波前质量作出了很大贡献。但将经典校正技术用于光路复杂的高功率激光系统的波前校正，却有很大局限。主要表现在，经常会出现虽然校正后变形镜表面的反射波前接近理想平面，但近理想的平面波前在靶室会聚后，焦斑质量却不能像波前一样做相应的改善。主要原因是波前校正后近理想的平面波前在传输和会聚过程中会引入“二次污染”。为克服经典方法校正高功率激光系统的局限，最终有效提升焦斑质量，本发明采用了逆向光路校准高功率激光系统输出波前。

发明内容

本发明的目的在于解决，将经典波前校正技术用于校正高功率激光系统输出光束波前以提升可聚焦功率密度时，经常出项输出光束波前改善但会聚焦点不能相应改善的问题。本发明抓住了自适应光学环路用于高功率激光系统主要是为优化焦点以提升可聚焦功率密度这一目的，利用一种逆向光路获得近理想焦点在变形镜表面波前，来作为校正环路的目标参考波前，以实现提升高功率激光系统可聚焦功率密度的方法。

本发明的最大好处，是根本避免了常规波前校正方法用于高功率激光系统波前校正中，光路中的光学元件所引入的二次污染，因此特别适合于高功率激光系统可聚焦功率密度的改善。

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。 

附图说明

图1为传统自适应光学环路波前校正超短超强激光系统的结构示意图。

图2为本发明基于逆向法的自适应光学环路波前校正超短超强激光系统的结构示意图。

具体实施方式

为校正高功率激光系统输出波前，考虑到本发明的校正方法是对经典校正方法的扬弃，因此，为对照本发明的校正思想，先对图1所示的传统校正方法略做说明。

根据D. Strickland和G. Mourou提出的啁啾脉冲放大技术（Optics  Communication Vol.56,219-221,1985），图1为典型的利用经典校正环路校正高功率激光系统示意图。

图1校正系统包括激光源1、全反镜2、变形镜3、全反镜4、扩束透镜5、扩束透镜6、压缩箱7（四块压缩光栅8、9、10、11构成）、离轴抛物面镜12（离轴抛物面镜的焦点13）、缩束准直透镜系统14、波前测量仪15、计算机控制系统16。

在利用经典方法校正高功率激光系统输出光束时，必须考虑输出光束高功率的特点。为校正高功率激光系统输出的激光束1的波前，需要将变形镜3安装在出射光束1的合适位置。但由于高功率激光系统自身的特点，变形镜3并不能随意安装在任何位置。

首先，变形镜不能3安装在压缩箱7之后。因为：

（1）、对于大型的高功率激光系统，为避免高能量光束对压缩箱7中光栅8、9、10、11的破坏，压缩前一般先通过扩束透镜5、6对光束1扩束，光束扩束后经压缩箱7中光栅8、9、10、11压缩后形成高功率激光束，经抛物面镜12会聚为焦点。因此，为避免变形镜3免受损伤，需要尽量避免将变形镜3安装在压缩箱7之后。

（2）、为避免空气扰动对光束质量和会聚焦点的影响，以及避免空气中灰尘等对光栅造成损伤，光束扩束后的光路及靶室等都置于真空。由于变形镜3不能在真空环境，所以变形镜3需安装在扩束系统5、6之前。

第二，变形镜3安装在扩束透镜6和压缩箱7之间是困难的。因为：

由于输出光束压缩前已被扩束，因此需要大口径的变形镜，大口径变形镜不仅价格昂贵，而且难于制造。

最后，最为重要的是，高功率激光系统的压缩箱及靶室总是工作在真空环境，因此不仅难于安装变形镜，而且即使安装，真空环境也影响了变形镜的正常工作。

总之，对于高功率激光系统，鉴于各种因素，一般需将变形镜3安装在扩束镜5之前。准直望远镜14置于抛物面镜12的焦点13后的合适位置，这里，准直望远镜14的选取要满足两点：1、使出射光束为平行光束，且平行光束的直径需与波前探测器15的入射口径一致；2、要起像传递的作用，以使变形镜3和波前探测器之间满足物像共轭关系。（Applied Physics B, Vol.80, No.7, 823-832, 2005）计算机16为校正环路的控制系统。

利用经典的校正环路，对高功率激光系统输出光束1的畸变波前校正后，由变形镜反射的光束为近理想的平面波前。然后，接近理想平面的光束1需要经过扩束透镜5、6，压缩箱7中光栅8、9、10、11及抛物面镜12后，才能会聚形成焦斑13。但实际上，由于很难对光栅8、9、10、11，抛物面镜12做到理想的准直调节，因此，校正后近理想平面的出射光束经这些元件后，会被“二次污染”。结果，被“污染”的波前很难形成近衍射的会聚。这正是校正得到好的波前并没有对应好的焦点，实际上正是经典校正环路校正高功率激光系统经常出现失败的普遍原因，尤起是经典方法用于复杂的大型高功率激光系统。（Optics Letters, Vol.23, No.13, 1043-1045, 1998; Optics Letters, Vol.31, No.14, 2214-2216, 2006）结果，经典环路能成功改善高功率击鼓系统焦点的条件是，必须光路中所有光学元件都基于理想准直的情况。但在实际中做到这一点是很困难的。

如图2所示，为本发明基于逆向法校正高功率激光系统输出波前，具体实施例的结构示意图，与图1经典校正环路相比，虽校正过程相对复杂，却根本解决了利用经典校正环路校正高功率激光系统输出光束时，经常出现的校正后的光束被“二次污染”的问题。

如图2所示，本实施例的工作过程如下：

（1）先将变形镜3安装于高功率激光系统出射光束1被扩束镜5扩束之前的位置。

（2）高功率激光系统的出射光束1，经抛物面镜12聚焦后，在焦点13前后，分别用光阑17、光阑18在焦点13前后建立两个基准。

    （3）搭建逆向传输光束的光路。关闭高功率激光系统。选用光束质量较好的激光管19，相对于高功率激光系统的出射光束，我们称激光管出射的光束为逆向光束。逆向光束经扩束镜20、扩束镜21扩束（扩束后的光束直径与变形镜23的口径相匹配），扩束后的光束经反射镜22反射后入射到变形镜23，经反射镜24反射后，由扩束镜25、扩束镜26进一步扩束（扩束后的直径与高功率激光系统入射到抛物面镜12的入射光束直径相同），然后经会聚透镜27会聚，会聚的逆向光束要求恰好通过基准光阑18、基准光阑17。如果逆向光束不能恰好穿过基准光阑，要反复调节反射镜22、反射镜24以使逆向光束能通过基准光阑18、基准光阑17。

    （4）利用逆向光束，形成理想焦点。逆向光束经反射镜24反射后，漏光经反射镜28反射后，经缩束镜29、缩束镜30缩束后，入射到波前探测器30。变形镜23与波前探测器30之间由控制计算机32连接，形成反馈环路。利用该校正环路校正逆向光束波前，使得经变形镜23反射后的波前接近理想平面。该波前在会聚过程中，由于无需经过光栅及抛物面镜等难于调节的复杂光学元件，因此校正后近理想的平面波前能会聚形成近理想的会聚焦点。该逆向光束将沿高功率激光系统的光路原路返回。

    （5）搭制参考波前测量环路。被校正后的逆向光束沿高功率激光系统原路返回后，利用波前探测器35测量变形镜3表面反射波前。逆向光束经反射镜2反射后，利用反射镜2的漏光搭制测量环路以测量变形镜3表面反射的逆向光束波前，漏光经缩束透镜33、缩束透镜34缩束后，入射到波前探测器35。变形镜3和波前探测器35之间为物像共轭关系，计算机36为控制系统，形成波前测量环路。

    （6）获得参考波前。主要利用反射镜2后的漏光进行测量，反射镜2的漏光经缩束透镜31、缩束透镜32缩束后，导入波前探测器35，为精确测量变形镜3表面波前，通过改变波前探测器35的位置以使波前探测器35和变形镜3之间需满足物像共轭关系。计算机36为控制系统。利用波前探测器35、变形镜3和计算机36构成的测量环路，测量变形镜表面波前。测量结束后，除保留变形镜3，拆去高功率激光系统以外的所有光学元件。

    （7）校正高功率激光系统出射光束波前。开通高功率激光系统，利用高功率激光系统的出射光束1经反射镜4反射后的漏光搭制控制环路以校正变形镜3表面的波前，漏光经缩束透镜37、缩束透镜38缩束后，入射到波前探测器39。控制波前探测器39的位置，以使变形镜3和波前探测器39之间满足物像共轭关系，计算机36为控制系统。在控制环路中，以（6）中所获波前为目标参考波前，控制环路开始工作，当变形镜3表面波前尽可能接近目标参考波前时，校正结束。

结果，不难发现，利用本校正方法，高功率激光系统正常工作状态时，仅保留了波前校正环路的变形镜3、计算机36、缩束透镜37、缩束透镜38、波前探测器39。

    经典校正环路中，由于目标参考波前设置为理想平面，所以校正后变形镜表面的反射波前也为近理想的平面波前，但这样的光束在导入靶室会聚的过程中，由于光栅及抛物面镜不可避免引入的畸变，所以很难绝对避免光束的“二次污染”。结果导致变形镜出射近理想的平面波前并不能形成靶室的近理想焦点。

    在本文所述校正方案中，目标参考波前虽不一定为理想平面波前，但该波前却与理想焦点相对应。这正是本校正环路与经典校正环路的最大不同。实际上，这个参考波前的畸变（相对于理想平面波前），与光栅8、9、10、11及抛物面镜12等光学元件所引入的畸变是一种相互抵消关系。

    同时，由本方法的校正原理，不难发现，如果利用该校正环路校正高功率激光系统，可适当降低光栅及抛物面镜的调节精度。考虑到精确调节光栅及抛物面镜极为困难，因此，从能适当的降低光栅及抛物面镜的调节精度这个角度来看，本校正方案也具有很大优势。

需要指出，在本发明实施方案中，即变形镜3和变形镜23需同时存在。而波前探测器31在校正可逆光束后，可移到反射镜2后的测量环路中探测可逆光束的波前，即为波前探测器35。最后，移到反射镜4后的控制环路中探测波前，即为波前探测器35。也就是说，波前探测器31、35、39实质为同一波前探测器。即，在本校正方案中，使用的关键元件包括两块变形镜和一个波前探测器。该校正方案对波前探测器没有特殊要求，常规的波前剪切干涉仪或哈特曼-夏客波前测量仪均可。

Claims (3)

1.本发明抓住了自适应光学环路用于高功率激光系统主要是为优化焦点以提升可聚焦功率密度这一目的，利用一种逆向光路获得近理想焦点在变形镜表面波前，来作为校正环路的目标参考波前，以实现提升高功率激光系统可聚焦功率密度的方法。

2. 根据权利要求1所述的基于逆向法校正高功率激光系统输出波前，虽校正过程相对经典校正环路复杂，却根本解决了利用经典校正环路校正高功率激光系统输出光束时，经常出现的校正后的光束被“二次污染”的问题,其特征在于该方法的具体步骤如下：

（1）先将变形镜3安装于高功率激光系统出射光束1被扩束镜5扩束之前的位置

（2）高功率激光系统的出射光束1，经抛物面镜12聚焦后，在焦点13前后，分别用光阑17、光阑18在焦点13前后建立两个基准

（3）搭建逆向传输光束的光路

（4）利用逆向光束，形成理想焦点

（5）搭制参考波前测量环路

（6）获得参考波前

（7）校正高功率激光系统出射光束波前。

3.根据权利要求2所述的利用一种逆向光路获得近理想焦点在变形镜表面波前，来作为校正环路的目标参考波前，以实现提升高功率激光系统可聚焦功率密度的方法，其特征在于该方法根本避免了常规波前校正方法用于高功率激光系统波前校正中，光路中的光学元件所引入的二次污染，因此特别适合于高功率激光系统可聚焦功率密度的改善。

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