CN103779779B - 一种实现激光光束波前球差动态补偿的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现激光光束波前球差动态补偿的装置及其方法。激光振荡器从短臂输出的光通过4f成像系统将光束成像在带有负球差最大的位置处通过一块带有正球差的晶体，通过调节放大级泵浦电流来调节晶体所带的球差大小从而合适地补偿光束的球差，提高光束质量。本发明在不精确测量光束所带球差大小的前提下通过改变放大级泵浦电流来补偿球差大小，简便易行，对于带有不同球差的光束不需要通过定制昂贵的球差补偿版或变形镜来补偿，而且在补偿球差的同时放大了光束的功率，有益于工业加工，达到了一级多用的目的。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光技术，具体涉及一种实现激光光束波前球差动态补偿的装置及其方法。
技术背景
大功率高亮度的激光光源在工业加工和军事装备上都有着非常重要的用途。固体激光器有结构简单、工作稳定、使用寿命长和造价低的优点，但是由于固体激光器中的增益介质的热效应存在，增益介质的中心温度高于边缘温度，会导致整个增益介质类似于一个透镜，而增益介质沿径向分布不均匀会导致热透镜的光焦度D也成为径向坐标r的函数D(r)。这样增益介质就成为了一块带有球差的透镜，球差会导致通过增益介质的光束质量下降。
在工业激光加工中不仅对功率有要求而且对光束质量也有很高的要求。现国际上通用的评价光束质量的标准是光束质量因子，经研究发现,其中是光束质量因子强度项，是光束质量因子相位项。决定的最大因素是球差，一束光在传播的过程中是一个固定值，但是和会不断地变化，也就是说球差值在光束传播过程中是会不断变化。如果一束光束传播到最大最小时补偿球差，即使得变小，那么的值会整体有效地降低，这种方法也被国际同行们所认可。基于此理论，以前的方法通常是在某一点精确测量球差之后定制相应的球差补偿版或变形镜来补偿球差，其缺点一是制作费用非常昂贵，二是对于特定的光束要定制球差补偿版或变形镜，不具有普遍性，而且每次补偿球差前必须非常精准地测量球差值大小，补偿球差的过程也比较繁琐和缓慢。
发明内容
本发明的目的针对上述补偿光束质量方法中的不足，提供一种实现激光光束波前球差动态补偿的装置及其方法。
实现激光光束波前球差动态补偿的装置包括第一泵浦源、第一光学耦合系统第一透镜、第一光学耦合系统第二透镜、第一双色镜、第一激光增益介质、谐振腔高反镜、谐振腔输出镜、4f成像系统第一透镜、4f成像系统第二透镜、第二泵浦源、第二光学耦合系统第一透镜、第二光学耦合系统第二透镜、第二双色镜、第三泵浦源、第三光学耦合系统第一透镜、第三光学耦合系统第二透镜、第三双色镜、第二激光增益介质、第四泵浦源、第四光学耦合系统第一透镜、第四光学耦合系统第二透镜、第四双色镜；第一泵浦源、第一光学耦合系统第一透镜、第一光学耦合系统第二透镜、第一双色镜、第一激光增益介质、第二双色镜、第二光学耦合系统第二透镜、第二光学耦合系统第一透镜、第二泵浦源顺次相连，第三泵浦源、第三光学耦合系统第一透镜、第三光学耦合系统第二透镜、第三双色镜、第二激光增益介质、第四双色镜、第四光学耦合系统第二透镜、第四光学耦合系统第一透镜、第四泵浦源顺次相连，在第一双色镜与第三双色镜之间放置有谐振腔高反镜，第二双色镜与第四双色镜之间顺次放置有谐振腔输出镜、4f成像系统第一透镜、4f成像系统第二透镜。
所述的谐振腔高反镜对激光的反射率大于99.5％，谐振腔输出镜对激光的反射率为10％～90％。所述的第一激光增益介质和第二激光增益介质为掺杂型激光材料，掺杂型激光材料为Nd:YVO4晶体或Nd:YAG晶体。所述的第一光学耦合系统第一透镜与第一光学耦合系统第二透镜、第二光学耦合系统第一透镜与第二光学耦合系统第二透镜、第三光学耦合系统第一透镜与第三光学耦合系统第二透镜以及第四光学耦合系统第一透镜与第四光学耦合系统第二透镜两透镜的焦距比例为1:1～1:3。所述的第一双色镜和第二双色镜以及第三双色镜和第四双色镜与光路呈45°放置，第一双色镜和第二双色镜以及第三双色镜和第四双色镜对谐振激光的反射率大于99.5％，并且对泵浦激光的反射率小于5％。
实现激光光束波前球差动态补偿方法的步骤如下：
1)在激光振荡器内部的激光光束，其波前球差的强弱和正负在不同位置处具有不同的分布，通过调节谐振腔高反镜与第一激光增益介质的距离L1和第一激光增益介质与谐振腔输出镜的距离L2，满足L1为L2的3～5倍，实现在第一激光增益介质的下端面处，进入第一激光增益介质的光束波前为负球差；
2)激光振荡器输出的光束进入由4f成像系统第一透镜、4f成像系统第二透镜组成的4f成像系统，4f成像系统第一透镜和4f成像系统第二透镜的焦距为f，其中谐振腔输出镜与4f成像系统第一透镜的距离为L3，4f成像系统第一透镜与4f成像系统第二透镜的距离为L4，4f成像系统第二透镜与第二激光增益介质的距离为L5+L6，其中L4＝2×f，L5＝L3＝f，L6＝L2，4f成像系统将谐振腔输出镜处的光束A成像在距4f成像系统第二透镜外侧L5的光束B处，光束A与光束B的光强和相位完全一致；光束A经过4f成像系统后传播L6距离之后到达激光放大器中第二激光增益介质的下端面处，光束波前球差的强弱和正负与第一激光增益介质的下端面处进入第一激光增益介质的光束的光强和相位完全一致；
3)光束经过第二激光增益介质后，光束波前的负球差被第二激光增益介质中热透镜效应的正球差所补偿，通过调节第二激光增益介质中的泵浦功率，动态调节第二激光增益介质中正球差效应的强弱，从而实现对入射光束波前球差的完全补偿。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明不用在确定的位置精确测量光束带有的球差大小，而且在现有仪器的水平下，精确测量光束的球差大小也有一定的难度。
2、根据球差大小定制球差补偿版和变形镜时会有加工误差，补偿效果可能会不理想，本发明可以通过动态改变放大级泵浦电流大小来精确改变补偿的球差大小，简便易行。
3、球差补偿板和变形镜只能针对特定的球差进行补偿，因此在球差不同的情况下需要制作不同的球差补偿版和变形镜，制作费用昂贵。本发明可以在不同的球差情况下通过改变放大级泵浦电流而改变补偿的球差。
4、本发明在补偿球差的同时放大了振荡级输出光束的功率，有益于工业加工，达到了一级多用的目的。
附图说明
图1为本发明补偿光束质量的装置的结构及光路示意图；
图中，第一泵浦源1、第一光学耦合系统第一透镜2、第一光学耦合系统第二透镜3、第一双色镜4、第一激光增益介质5、谐振腔高反镜6、谐振腔输出镜7、4f成像系统第一透镜8、4f成像系统第二透镜9、第二泵浦源10、第二光学耦合系统第一透镜11、第二光学耦合系统第二透镜12、第二双色镜13、第三泵浦源14、第三光学耦合系统第一透镜15、第三光学耦合系统第二透镜16、第三双色镜17、第二激光增益介质18、第四泵浦源19、第四光学耦合系统第一透镜20、第四光学耦合系统第二透镜21、第四双色镜22；
图2为光束经过激光放大器后输出光束的球差系数与激光放大器泵浦电流的关系图；
图3为激光振荡器短臂输出的远场光斑图像；
图4为光束经过激光放大器后将球差补偿至最小之后输出的光斑图像；
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，实现激光光束波前球差动态补偿的装置包括第一泵浦源、第一光学耦合系统第一透镜、第一光学耦合系统第二透镜、第一双色镜、第一激光增益介质、谐振腔高反镜、谐振腔输出镜、4f成像系统第一透镜、4f成像系统第二透镜、第二泵浦源、第二光学耦合系统第一透镜、第二光学耦合系统第二透镜、第二双色镜、第三泵浦源、第三光学耦合系统第一透镜、第三光学耦合系统第二透镜、第三双色镜、第二激光增益介质、第四泵浦源、第四光学耦合系统第一透镜、第四光学耦合系统第二透镜、第四双色镜；第一泵浦源、第一光学耦合系统第一透镜、第一光学耦合系统第二透镜、第一双色镜、第一激光增益介质、第二双色镜、第二光学耦合系统第二透镜、第二光学耦合系统第一透镜、第二泵浦源顺次相连，第三泵浦源、第三光学耦合系统第一透镜、第三光学耦合系统第二透镜、第三双色镜、第二激光增益介质、第四双色镜、第四光学耦合系统第二透镜、第四光学耦合系统第一透镜、第四泵浦源顺次相连，在第一双色镜与第三双色镜之间放置有谐振腔高反镜，第二双色镜与第四双色镜之间顺次放置有谐振腔输出镜、4f成像系统第一透镜、4f成像系统第二透镜。
所述的谐振腔高反镜对激光的反射率大于99.5％，谐振腔输出镜对激光的反射率为10％～90％。
所述的第一激光增益介质和第二激光增益介质为掺杂型激光材料，掺杂型激光材料为Nd:YVO4晶体或Nd:YAG晶体。
所述的第一光学耦合系统第一透镜与第一光学耦合系统第二透镜、第二光学耦合系统第一透镜与第二光学耦合系统第二透镜、第三光学耦合系统第一透镜与第三光学耦合系统第二透镜以及第四光学耦合系统第一透镜与第四光学耦合系统第二透镜两透镜的焦距比例为1:1～1:3。
所述的第一双色镜和第二双色镜以及第三双色镜和第四双色镜与光路呈45°放置，第一双色镜和第二双色镜以及第三双色镜和第四双色镜对谐振激光的反射率大于99.5％，并且对泵浦激光的反射率小于5％。
实现激光光束波前球差动态补偿方法的步骤如下：
1)在激光振荡器内部的激光光束，其波前球差的强弱和正负在不同位置处具有不同的分布，通过调节谐振腔高反镜与第一激光增益介质的距离L1和第一激光增益介质与谐振腔输出镜的距离L2，满足L1为L2的3～5倍，实现在第一激光增益介质的下端面处，进入第一激光增益介质的光束波前为负球差；
2)激光振荡器输出的光束进入由4f成像系统第一透镜、4f成像系统第二透镜组成的4f成像系统，4f成像系统第一透镜和4f成像系统第二透镜的焦距为f，其中谐振腔输出镜与4f成像系统第一透镜的距离为L3，4f成像系统第一透镜与4f成像系统第二透镜的距离为L4，4f成像系统第二透镜与第二激光增益介质的距离为L5+L6，其中L4＝2×f，L5＝L3＝f，L6＝L2，4f成像系统将谐振腔输出镜处的光束A成像在距4f成像系统第二透镜外侧L5的光束B处，光束A与光束B的光强和相位完全一致；光束A经过4f成像系统后传播L6距离之后到达激光放大器中第二激光增益介质的下端面处，光束波前球差的强弱和正负与第一激光增益介质的下端面处进入第一激光增益介质的光束的光强和相位完全一致；
3)光束经过第二激光增益介质后，光束波前的负球差被第二激光增益介质中热透镜效应的正球差所补偿，通过调节第二激光增益介质中的泵浦功率，动态调节第二激光增益介质中正球差效应的强弱，从而实现对入射光束波前球差的完全补偿。
实施例
所述的第一泵浦源和第二泵浦源是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管。所述的第一光学耦合系统和第二光学耦合系统由两块焦距为20mm和40mm的透镜组成。所述激光谐振腔由高反镜、输出镜、第一双色镜和第二双色镜组成，高反镜对激光的反射率为99.9％，高反镜与第一激光增益介质的距离为L1＝300mm，输出镜对激光的反射率为20％，第一激光增益介质与输出镜的距离为L2＝120mm，第一双色镜和第二双色镜与光路呈45°放置，对谐振激光的反射率为99.9％，并且对泵浦激光的反射率为0.5％；所述的第一激光增益介质位于谐振腔中，第一激光增益介质为Nd:YVO4晶体，晶体钕掺杂浓度为0.3at.％，Nd:YVO4晶体为长方体，尺寸规格为3*3*16mm。
所述的4f成像系统第一透镜和4f成像系统第二透镜焦距为200mm，4f成像系统放置在谐振腔输出镜后，其中输出镜与透镜8的距离为L3＝200mm，透镜8与透镜9的距离为L4＝400mm，透镜4与第二增益介质的距离为L5+L6＝200mm+120mm。
所述的第三泵浦源和第四泵浦源是输出波长为808nm的InGaAs的半导体激光二极管。所述的光学耦合系统由两块焦距为20mm和40mm的透镜组成。所述第三双色镜和第四双色镜与光路呈45°放置，对谐振激光的反射率为99.9％，并且对泵浦激光的反射率为0.5％；所述的固体激光介质是Nd:YVO4晶体，晶体钕掺杂浓度为0.3at.％，Nd:YVO4晶体为长方体，规格为3*3*16mm。
经测量，振荡级长臂的光束质量为振荡级短臂的光束质量为由此可知振荡级短臂输出的光束在晶体端面处带有强烈的负球差，此时输出光斑图像如图3所示。根据所述的方法可知，光束通过4f系统传播到放大级的晶体端面处球差系数反号，变为强烈的正球差。此时，光束质量因子中的的值最大，的值最小。通过增加激光放大级的泵浦电流，激光放大器中的增益介质的球差随之增加，如图2所示为光束通过激光增益介质后输出光束的球差与激光放大级泵浦电流的关系图，说明了随着放大级泵浦电流的增加，确实会找到一个合适的点补偿输入光的球差从而提高光束质量，补偿不够和过分补偿都不会有最好的效果。在一个合适的电流位置处(44A)将球差补偿到最小，即使得值最小而有补偿光束质量，补偿后光束质量变为如图4所示，为在最佳补偿点处输出光斑图像。同时光束的功率也随着放大级泵浦功率的增加而增加。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种实现激光光束波前球差动态补偿的装置，其特征在于包括第一泵浦源（1）、第一光学耦合系统第一透镜（2）、第一光学耦合系统第二透镜（3）、第一双色镜（4）、第一激光增益介质（5）、谐振腔高反镜（6）、谐振腔输出镜（7）、4f成像系统第一透镜（8）、4f成像系统第二透镜（9）、第二泵浦源（10）、第二光学耦合系统第一透镜（11）、第二光学耦合系统第二透镜（12）、第二双色镜（13）、第三泵浦源（14）、第三光学耦合系统第一透镜（15）、第三光学耦合系统第二透镜（16）、第三双色镜（17）、第二激光增益介质（18）、第四泵浦源（19）、第四光学耦合系统第一透镜（20）、第四光学耦合系统第二透镜（21）、第四双色镜（22）；第一泵浦源（1）、第一光学耦合系统第一透镜（2）、第一光学耦合系统第二透镜（3）、第一双色镜（4）、第一激光增益介质（5）、第二双色镜（13）、第二光学耦合系统第二透镜（12）、第二光学耦合系统第一透镜（11）、第二泵浦源（10）顺次相连，第三泵浦源（14）、第三光学耦合系统第一透镜（15）、第三光学耦合系统第二透镜（16）、第三双色镜（17）、第二激光增益介质（18）、第四双色镜（22）、第四光学耦合系统第二透镜（21）、第四光学耦合系统第一透镜（20）、第四泵浦源（19）顺次相连，在第一双色镜（4）与第三双色镜（17）之间放置有谐振腔高反镜（6），第二双色镜（13）与第四双色镜（22）之间顺次放置有谐振腔输出镜（7）、4f成像系统第一透镜（8）、4f成像系统第二透镜（9）。
2.根据权利要求1所述的一种实现激光光束波前球差动态补偿的装置，其特征在于所述的谐振腔高反镜（6）对激光的反射率大于99.5%，谐振腔输出镜（7）对激光的反射率为10%~90%。
3.根据权利要求1所述的一种实现激光光束波前球差动态补偿的装置，其特征在于所述的第一激光增益介质（5）和第二激光增益介质（18）为掺杂型激光材料，掺杂型激光材料为Nd:YVO4晶体或Nd:YAG晶体。
4.根据权利要求1所述的一种实现激光光束波前球差动态补偿的装置，其特征在于所述的第一光学耦合系统第一透镜（2）与第一光学耦合系统第二透镜（3）、第二光学耦合系统第一透镜（11）与第二光学耦合系统第二透镜（12）、第三光学耦合系统第一透镜（15）与第三光学耦合系统第二透镜（16）以及第四光学耦合系统第一透镜（20）与第四光学耦合系统第二透镜（21）两透镜的焦距比例为1:1~1:3。
5.根据权利要求1所述的一种实现激光光束波前球差动态补偿的装置，其特征在于所述的第一双色镜（4）和第二双色镜（13）以及第三双色镜（17）和第四双色镜（22）与光路呈45°放置，第一双色镜（4）和第二双色镜（13）以及第三双色镜（17）和第四双色镜（22）对谐振激光的反射率大于99.5%，并且对泵浦激光的反射率小于5%。
6.一种采用如权利要求1所述装置的实现激光光束波前球差动态补偿方法，其特征在于它的步骤如下：
1)在激光振荡器内部的激光光束，其波前球差的强弱和正负在不同位置处具有不同的分布，通过调节谐振腔高反镜（6）与第一激光增益介质（5）的距离L1和第一激光增益介质（5）与谐振腔输出镜（7）的距离L2，满足L1为L2的3~5倍，实现在第一激光增益介质（5）的下端面处，进入第一激光增益介质（5）的光束波前为负球差；
2)激光振荡器输出的光束进入由4f成像系统第一透镜（8）、4f成像系统第二透镜（9）组成的4f成像系统，4f成像系统第一透镜（8）和4f成像系统第二透镜（9）的焦距为f，其中谐振腔输出镜（7）与4f成像系统第一透镜（8）的距离为L3，4f成像系统第一透镜（8）与4f成像系统第二透镜（9）的距离为L4，4f成像系统第二透镜（9）与第二激光增益介质（18）的距离为L5+L6，其中L4=2×f，L5=L3=f，L6=L2，4f成像系统将谐振腔输出镜（7）处的光束A成像在距4f成像系统第二透镜（9）外侧L5的光束B处，光束A与光束B的光强和相位完全一致；光束A经过4f成像系统后传播L6距离之后到达激光放大器中第二激光增益介质（18）的下端面处，光束波前球差的强弱和正负与第一激光增益介质（5）的下端面处进入第一激光增益介质（5）的光束的光强和相位完全一致；
3)光束经过第二激光增益介质（18）后，光束波前的负球差被第二激光增益介质（18）中热透镜效应的正球差所补偿，通过调节第二激光增益介质（18）中的泵浦功率，动态调节第二激光增益介质中正球差效应的强弱，从而实现对入射光束波前球差的完全补偿。
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