CN104377540B - 一种自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统，包括变形反射镜、增益介质、输出腔镜、分光镜、功率计、光斑探测器、数据采集卡、高压放大器、主控计算机。本发明把固体激光器的后腔全反镜替换成一个镀有高反射率介质膜的变形反射镜，通过功率计的闭环反馈由基于泽尼克模式的爬山算法控制变形反射镜的面形变化，校正热效应引起的各种高低阶像差，解决高功率激光器中由于热透镜效应导致的输出功率下降问题。本发明不采用任何扩束缩束系统，不增加激光器谐振腔的复杂性，具有结构简单，控制方便的优点。

Description

一种自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统

技术领域

本发明涉及一种固体激光器谐振腔系统，特别是一种自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统，利用谐振腔内自适应光学技术校正谐振腔内由热效应引起的波前畸变以提高激光器输出功率的系统。

背景技术

大功率固体激光器广泛应用于科学研究、材料加工、激光核聚变等领域。激光器功率的提高依赖于泵浦功率的增加，而泵浦功率的增大将导致严重的热效应。热效应引起的畸变造成输出功率和光束质量大幅下降并出现多模输出，更为严重的是当热效应增大到一定程度时将使激光器谐振腔从稳定腔变为非稳腔，导致输出功率大幅下降，甚至可能失稳而不出光。因此，高功率固体激光器的热效应直接限制了激光器输出功率的提高。另外根据汪莎,刘嵩等的研究，高功率固体激光器不仅在高功率情况下会出现失稳，由于热效应的影响在中低功率情况也可能出现激光器部分失稳导致激光器输出功率大幅下降。传统光学设计方法无法消除其影响从而限制了激光器输出功率和光束质量的提高。自适应光学技术是新近发展起来的一种集光学、机械与电学为一身的波前补偿技术，在军事、天文望远镜、激光光束整形等领域有着非常广泛的应用前景。自适应光学的基本原理是相位共轭补偿，通过控制致动器实时产生与目标共轭的相位以达到实时相位补偿的目的。自适应光学技术的发展，为激光内腔热畸变的校正提供了新的思路。将能动的变形镜替代固体激光谐振腔的内腔全反射镜，通过控制变形镜的面型实现对热畸变的补偿，从而改善激光器输出光束的模式及功率。采用自适应光学方法不仅能够校正激光器谐振腔由加工误差、晶体不均匀等引起的静态误差，而且能够实时校正热效应引起的动态像差，使激光器时刻保持最佳工作状态，在固体激光器特别是强激光中有着重要的研究价值和应用价值。当前大部分激光器内腔校正系统均针对激光器光斑模式进行校正，还未见到专门针对激光器功率校正的系统。目前大部分高功率激光器光束直径一般为5-10mm左右，而目前通用变形镜口径为20mm以上，两者不能相互匹配，需采用扩束系统进行扩束。在谐振腔内引入扩束/缩束系统会改变激光器谐振腔的腔型，这样不但引入附加的相位误差，而且不利于系统的小型化与集成化。另外，一般高功率激光器的连续工作时间较短，需要快速而稳定的校正算法来校正热效应提高激光器输出功率。因此，我们需要一个不引进扩束/缩束且快速稳定的高功率固体激光器谐振腔自适应校正系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有的固体激光器腔内像差校正技术的不足，提供一种改进的校正谐振腔内波前畸变的激光装置，能够在不改变激光器谐振腔复杂性的前提下校正激光内腔畸变提高激光器输出功率。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统，包括激光谐振腔、第一分光镜、功率计、数据采集卡、主控计算机、多路高压放大器、第二分光镜和光斑探测器；变形反射镜、增益介质、泵浦和输出腔镜组成激光谐振腔，出射激光经过第一分光镜反射很小一部分光束到功率计间接测量激光谐振腔的输出功率作为反馈信号，由数据采集卡采集测量数据输入主控计算机，主控计算机以最大输出功率为控制算法优化的目标函数优化变形镜电极电压，各电极电压信号经过多路高压放大器放大后施加在变形反射镜的各驱动单元上驱动变形镜产生使激光器输出功率增大的面形从而保证输出功率最大化。第二分光镜反射很小一部分光束进入光斑探测器监测激光器输出光束质量，作为辅助校正算法的限制条件，保证较好的激光器光斑质量的同时获得最大化的输出功率。

本发明的工作原理是：采用在表面镀有高反射率介质膜的变形反射镜作为固体激光器谐振腔的全反射镜，激光器谐振腔输出的光束经由功率计测量后，用A/D转换数据采集卡采集功率计的测量数据作为控制算法的优化目标函数，把控制算法优化得到的电压信号经过高压放大器放大后作用在变形镜电极上，使变形镜朝着让目标函数优化的方向产生响应的变形量来补偿激光器内腔像差以提高固体激光器的输出功率。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明利用一个能动的变形反射镜作为固体激光器谐振腔的后腔反射镜，通过优化变形反射镜分立驱动电极的驱动电压使之产生与内腔像差共轭的相位补偿谐振腔内各种高低阶像差，提高固体激光的输出功率；

(2)本发明采用与激光器内腔口径匹配的变形镜，无需加入扩束/缩束系统，不改变谐振腔的腔型，不增加固体激光器的复杂性；

(3)本发明能够补偿因腔镜不对准等产生的静态误差，减小了固体激光器的光路调节难度。本发明还能够补偿光学设计方法无法克服的非球面高阶像差；

(4)本发明能够实时补偿激光器内腔的动态像差，而不是紧紧针对某一输出功率和某一特定像差的谐振腔。在变形镜的冲程和空间频率允许范围内，可以对相对宽广的功率范围内的谐振腔由于热效应引起的动态像差进行进行自适应校正提高输出功率，使激光器时刻保持最佳工作状态；

(5)本发明采用基于泽尼克模式的爬山算法能够解决很多其他算法容易得到局部最优解的问题，以很快的速度找到全局最优解。基于泽尼克模式的爬山法，是一种模式算法，调整直接和各项像差相关，受外界扰动影响比其他非模式算法小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的控制算法即基于泽尼克模式的爬山算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明包括变形反射镜1、增益介质2、泵浦3和输出腔镜4组成的激光谐振腔5，激光谐振腔5在热效应影响下输出失稳或者部分失稳的激光光束，功率计7测量激光谐振腔的输出功率作为反馈信号，由A/D转换数据采集卡8采集测量数据输入主控计算机9，以最大输出功率为控制算法优化的目标函数，采用基于泽尼克模式的爬山算法优化变形镜电极电压矩阵，优化得到的电极电压信号经过多路高压放大器10放大后施加在变形反射镜的各驱动单元上，驱动变形镜产生使激光器输出功率增大的面形从而保证输出功率最大化。

如图1所示，本发明的工作过程如下：利用小功率的He-Ne激光器发出的对准激光对准安装激光器谐振腔，使变形反射镜1、增益介质2、泵浦3和输出腔镜4三者的中心高度一致。激光器谐振腔5输出的激光光束被第一分光镜6分流一部分进入功率计7测量接收到的激光功率作为控制算法的目标函数。激光功率测量值由A/D转换数据采集卡8采集转换后传送到主控计算机。主控计算机9采用基于泽尼克模式的爬山算法优化变形反射镜的控制电压矩阵，控制电压信号经由多路高压放大器10放大后施加在变形反射镜的分立电极上使变形反射镜产生与内腔像差共轭的面形来校正激光内腔的静态像差和动态像差，从而实时优化固体激光器的输出功率使激光器保持最优工作状态，解决高功率激光器中由于热透镜效应导致的输出功率下降问题。谐振腔输出的光束经第二分光镜11分流一部分进入光斑探测器12用于监控固体激光器激光模式。由于第一、第二分光镜均为对激光器输出波长的高反射率分光镜，经过两次分光后仍可以在几乎不损失激光输出功率的情况下输出优化后的激光光束。

如图2所示，本发明的控制算法为基于泽尼克模式的爬山算法，实现如下：

第(1)步、首先，初始化初始电压矩阵u₀，各阶电压调整方向矩阵s_n和产生单位第n阶泽尼克模式对应的面形的电压矩阵v⁽ⁿ⁾；初始化迭代次数计数器k＝0和起始泽尼克系数n＝1；

第(2)步、计算下一代电压矩阵u_k+1＝u_k+s_n*v⁽ⁿ⁾，并施加到变形镜；

第(3)步、判断施加电压矩阵前后目标函数j(u)的变化，如果j(u_k+1)>j(u_k)则保持电压调整方向矩阵，反之则改变电压调整方向s_n＝-s_n；

第(4)步、增加迭代次数计数器k＝k+1，再次判断施加电压矩阵前后目标函数j(u)的变化，如果j(u_k+1)>j(u_k)则重复第(4)步，反之则判断当前校正的泽尼克系数n，如果n<N则校正下一阶泽尼克系数：n＝n+1，跳到第(2)步，如果n>＝N则当前电压矩阵为最优解，N为泽尼克展开中使用的泽尼克多项式的项数。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统，其特征在于：包括激光谐振腔(5)、第一分光镜(6)、功率计(7)、数据采集卡(8)、主控计算机(9)、多路高压放大器(10)、第二分光镜(11)和光斑探测器(12)；变形反射镜(1)、增益介质(2)、泵浦(3)和输出腔镜(4)组成激光谐振腔(5)，出射激光经过第一分光镜(6)反射很小一部分光束到功率计(7)间接测量激光谐振腔(5)的输出功率作为反馈信号，由数据采集卡(8)采集测量数据输入主控计算机(9)，主控计算机(9)以最大输出功率作为控制算法优化的目标函数优化变形反射镜电极电压，各电极电压信号经过多路高压放大器(10)放大后施加在变形反射镜(1)的各驱动单元上驱动变形反射镜产生使激光器输出功率增大的面形从而保证输出功率最大化，解决高功率激光器中由于热透镜效应导致的输出功率下降问题；第二分光镜(11)反射很小一部分光束进入光斑探测器(12)监测激光器输出光束质量，作为辅助校正算法的限制条件，保证较好的激光器光斑质量的同时获得最大化的输出功率；

用变形反射镜替代固体激光器谐振腔的后腔全反镜，同时起到激光器后腔镜和自适应光学系统的波前校正器的作用；

变形反射镜的有效口径较小，且与固体激光器谐振腔的有效口径匹配；

变形反射镜需要在反射表面镀一层与激光器波长匹配的高反射率介质膜；

变形反射镜、增益介质、泵浦和输出腔镜的中心高度一致；

泵浦为半导体激光器或闪光灯，对增益介质的泵浦方式为侧面泵浦或端面泵浦；

功率计的测量探头的探测范围与分光镜反射激光光束的功率相匹配；

数据采集卡为A/D转换数据采集卡，模拟量采集范围与功率计输出模拟量范围相匹配；

第一、第二分光镜对固体激光器输出波长的激光具有很高透射率，第一分光镜反射很小一部分带有像差信息的固体激光器输出激光到功率计上进行闭环校正，第二分光镜反射很小一部分激光进入光斑探测器监测固体激光器输出激光模式；第一、第二分光镜透射大部分激光作为高功率固体激光器的输出；光斑探测器为波前传感器或者CCD探测器；

所述的控制算法为基于泽尼克模式的爬山算法，实现如下：

第(1)步、首先，初始化初始电压矩阵u₀，各阶电压调整方向矩阵s_n和产生单位第n阶泽尼克模式对应面形的电压矩阵v⁽ⁿ⁾；初始化迭代次数计数器k＝0和起始泽尼克系数n＝1；

第(2)步、计算下一代电压矩阵u_k+1＝u_k+s_n*v⁽ⁿ⁾，并施加到变形镜；

第(3)步、判断施加电压矩阵前后目标函数j(u)的变化，确定电压调整方向，如果j(u_k+1)>j(u_k)则保持电压调整方向矩阵，反之则改变电压调整方向s_n＝-s_n；

第(4)步、增加迭代次数计数器k＝k+1，再次判断施加电压矩阵前后目标函数j(u)的变化，如果j(u_k+1)>j(u_k)则重复第(4)步，反之则判断当前校正的泽尼克系数n，如果n<N则校正下一阶泽尼克系数：n＝n+1，跳转到第(2)步，如果n>＝N则当前电压矩阵为最优解，N为泽尼克展开中使用的泽尼克多项式的项数；

该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统利用一个能动的变形反射镜作为固体激光器谐振腔的后腔反射镜，通过优化变形反射镜分立驱动电极的驱动电压使之产生与内腔像差共轭的相位补偿谐振腔内各种高低阶像差，提高固体激光的输出功率；

该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统采用与激光器内腔口径匹配的变形镜，无需加入扩束/缩束系统，不改变谐振腔的腔型，不增加固体激光器的复杂性；

该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统能够补偿因腔镜不对准产生的静态误差，减小了固体激光器的光路调节难度，还能够补偿光学设计方法无法克服的非球面高阶像差；

该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统能够实时补偿激光器内腔的动态像差，而不是仅仅针对某一输出功率和某一特定像差的谐振腔，在变形镜的冲程和空间频率允许范围内，可以对相对宽广的功率范围内的谐振腔由于热效应引起的动态像差进行进行自适应校正提高输出功率，使激光器时刻保持最佳工作状态；

该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统采用基于泽尼克模式的爬山算法能够解决很多其他算法容易得到局部最优解的问题，以很快的速度找到全局最优解，基于泽尼克模式的爬山法，是一种模式算法，调整直接和各项像差相关，受外界扰动影响比其他非模式算法小。