CN105223688A - 一种激光光束波前校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光光束波前校正系统，其包括主激光光路、变形镜及高压驱动、远场探测器、波前传感器、探测光路、控制电脑；远场及波前两种传感器，仅利用激光系统的主激光，便可精确实现全光束的波前校正。本发明提出的一种激光光束波前校正方法，其采用远场信息反馈算法对静态波前畸变进行闭环控制，并通过一种参考过渡转移技术，将静态波前过渡给波前传感器，再进行动态发射，采集动态波前，最后控制变形镜实现全系统的波前校正。该方法的优势在于可以有效避免小F数聚焦系统中波前探测及标定的难题，降低系统调试精度的要求，同时无须增加额外的标定光源，可以精确实现全系统到靶点波前畸变的有效控制。

Description

一种激光光束波前校正系统及方法

技术领域

本发明属于激光系统光束质量控制技术领域，具体而言涉及一种激光光束波前校正系统及方法。

背景技术

在激光器系统尤其是高功率固体激光系统中，为追求较高的光束质量，通常需要对波前畸变进行控制。传统的波前校正系统包含一套变形镜及高压驱动器、一套波前传感器，一套控制软件，为实现探测光路的像差标定，一般还需要一台单模光纤激光器作为标定光源。波前传感器常位于光束诊断包内，通过合理设计诊断光路实现光束口径、能量与哈特曼传感器之间的匹配，哈特曼的位置及单模光纤标定光源的位置决定了波前畸变校正的目标位置，通常情况下，在该位置到靶点之间仍存在一系列光学元件，将会引入像差，影响到靶焦斑的形态。

为实现靶点处的光束质量控制，可在靶点后搭建缩束光路，进行波前探测及闭环校正。该方法在小F数聚焦的激光系统(如超短脉冲激光装置)的应用中存在一定问题，比如空间局限、调试复杂及标定困难等。另外，由于靶点处光束口径较小，在进行动态波前测量时，由于功率密度较高，极易发生光学元件损伤的情况。

因此，传统的波前校正技术均无法较为精确、便捷的实现靶点处波前畸变的控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种激光光束波前校正系统及方法。

本发明提供如下技术方案：

一种激光光束波前校正系统，其包括主激光光路、变形镜及高压驱动、远场探测器、波前传感器、探测光路、控制电脑，其中：

所述主激光光路包括前级光路、传输光路，所述变形镜设置于波前传感器之前的主激光光路中，与控制电脑连接，作为波前校正器件校正波前误差；

所述前级光路与变形镜之间设置放大器，发射时将引入动态波前畸变；

所述远场探测器设置于变形镜后方激光光路的靶点位置，探测静态激光远场，并与控制电脑连接，形成变形镜、传输光路、远场探测器、控制电脑的闭环控制回路；

所述波前传感器设置于变形镜后，用于实现波前探测，并与控制电脑连接，形成变形镜、传输光路、探测光路、波前传感器、控制电脑的闭环控制回路。

进一步，所述波前传感器为哈特曼波前传感器。

进一步，所述波前传感器的探测面与变形镜的反射面共轭。

一种激光光束波前校正方法，远场探测器在靶点位置探测主激光焦斑，其携带了全部的静态波前信息，记为W_s；波前传感器采集主激光波前，所获得的波前信息记为W_hs，包含了部分主光路及探测光路的波前畸变；当进行动态发射时，放大器会产生动态波前畸变，记为W_d；具体操作步骤如下：

S1：采用波前传感器采集主激光的波前W_hs，并设置为参考，之后进行动态发射，利用波前传感器的单次采集模式，获取动态发射的主激光波前，此时波前传感器上得到的波前为纯动态波前(W_hs+W_d)-W_hs＝W_d，记录此波前信息；

S2:待放大器完全冷却后，利用远场探测器，在靶点处采集主激光焦斑，采用远场信息反馈算法对焦斑进行闭环控制，当获得最佳焦斑时，变形镜产生的面形为-W_s；

S3：保持S2步骤中变形镜的面形不变，采用波前传感器对主激光进行波前采集，波前传感器上所获得的波前为W_hs-W_s，记录所采集到的波前信息；

S4:以S3步骤中采集的波前W_hs-W_s为参考，将变形镜的控制电压清零，再次采集主激光波前，波前传感器上得到的波前应为W_hs-(W_hs-W_s)＝W_s，即光束至靶点的静态波前畸变；

S5:步骤S1与S4中获得了全光束的静态波前畸变及动态波前畸变，采用波前传感器采集主激光波前，并且设置为参考，再次采集主激光，获得的波前为0，控制电脑根据静态波前W_s、动态波前W_d信息，控制变形镜产生-(W_s+W_d)/2的面形，以补偿全系统像差。

本发明的有益效果如下：

第一：本系统将激光系统的静态及动态波前畸变分离，在靶点处以远场闭环替代波前闭环，巧妙避开了靶点位置的波前探测，降低了探测光路的复杂程度及调试难度。

第二、可以将波前畸变校正至物理实验最为关注的靶点位置，最大程度的提升激光系统的光束质量；

第三、该技术无需增加标定探测光路像差所用的光源，可降低成本，同时避免引入标定误差，提升控制精度。

第四、本技术所涉及的光学系统较为简单，相比于传统的靶点波前闭环方式，具有占据空间小、调试难度低、无须波前标定等优势。

附图说明

图1：远场探测及波前传感结合方式总体排布示意图；

图2-a：远场闭环前的焦斑分布；

图2-b：远场闭环后的焦斑分布；

图3-a：未校正的动态波前分布；

图3-b：校正之后的波前分布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，一种激光光束波前校正系统，其包括主激光光路、变形镜及高压驱动、远场探测器(一般为CCD)、波前传感器、探测光路、控制电脑，所述主激光光路包括前级光路、传输光路，所述变形镜设置于前级光路与传输光路之间，与控制电脑连接，作为波前校正器件校正波前误差；所述前级光路与变形镜之间设置放大器；所述远场探测器设置于变形镜后方激光光路的靶点位置，探测静态激光远场，并与控制电脑连接，形成变形镜、传输光路、远场探测器、控制电脑的闭环控制回路；所述波前传感器优选为哈特曼波前传感器。设置于变形镜后，且波前传感器的探测面与变形镜的反射面共轭。用于实现波前探测，并与控制电脑连接，形成变形镜、传输光路、探测光路、波前传感器、控制电脑的闭环控制回路。

本发明的一种激光光束波前校正方法的主要原理是通过远场探测器在聚焦位置采集主激光焦斑，其携带了全系统的静态波前信息，采用焦斑信息反馈的闭环算法，对焦斑进行闭环控制，之后通过参考过渡转移的方法在波前传感器(一般为哈特曼波前传感器)上获得全系统至靶点静态波前，再通过主发射获得激光系统的动态波前，进而控制变形镜实现对全光束静态、动态波前的校正。具体的实施步骤如下：

一种激光光束波前校正方法，远场探测器在靶点位置探测主激光焦斑，其携带了全部的静态波前信息，记为W_s；波前传感器采集主激光波前，所获得的波前信息记为W_hs，包含了部分主光路及探测光路的波前畸变；当进行动态发射时，放大器会产生动态波前畸变，记为W_d；具体操作步骤如下：

S1：采用波前传感器采集主激光的波前W_hs，并设置为参考，之后进行动态发射，利用波前传感器的单次采集模式，获取动态发射的主激光波前，此时波前传感器上得到的波前为纯动态波前(W_hs+W_d)-W_hs＝W_d，记录此波前信息；

S2:待放大器完全冷却后，利用远场探测器，在靶点处采集主激光焦斑，采用远场信息反馈算法(此处为随机并行梯度下降算法，stochasticparallelgradientdescentalgorithm，SPGD)对焦斑进行闭环控制，当获得最佳焦斑时，变形镜产生的面形为-W_s。图2-a显示了远场闭环前的焦斑分布；图2-b显示了远场闭环后的焦斑分布；从图2-a、2-b中可以看出：激光在靶点处的焦斑分布变成明显的单峰结构，聚焦功率密度得到大幅度提高。

远场探测器探测靶点处主激光静态焦斑时，若焦距太小，可以采用短焦的组合透镜将焦斑放大后再测量。

S3：保持S2步骤中变形镜的面形不变，采用波前传感器对主激光进行波前采集，波前传感器上所获得的波前为W_hs-W_s，记录所采集到的波前信息；

S4:以S3步骤中采集的波前W_hs-W_s为参考，将变形镜的控制电压清零，再次采集主激光波前，波前传感器上得到的波前应为W_hs-(W_hs-W_s)＝W_s，即光束至靶点的静态波前畸变；

S5:步骤S1与S4中获得了全光束的静态波前畸变及动态波前畸变，采用波前传感器采集主激光波前，并且设置为参考，再次采集主激光，获得的波前为0，控制电脑根据静态波前W_s、动态波前W_d信息，控制变形镜产生-(W_s+W_d)/2的面形，以补偿全系统像差。图3-a显示了未校正的动态波前分布；图3-b显示了校正之后的波前分布。从图3-a、图3-b中可以看出：动态波前的PV值由3.75λ校正至0.74λ(λ＝1053nm)。

本发明在一套波前校正系统中，同时配备远场及波前两种传感器，仅利用激光系统的主激光，便可精确实现全光束的波前校正。通过采用远场信息反馈算法对静态波前畸变进行闭环控制，将静态波前过渡给哈特曼，再进行动态发射，采集动态波前，最后控制变形镜实现全系统的波前校正。该方法的优势在于可以有效避免小F数聚焦系统中波前探测及标定的难题，降低系统调试精度的要求，同时无须增加额外的标定光源，可以精确实现全系统到靶点波前畸变的有效控制。该技术特别适用于国内超短脉冲激光装置的光束控制，通过实验验证，获得了国内领先的实验结果。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种激光光束波前校正系统，其特征在于：其包括主激光光路、变形镜及高压驱动、远场探测器、波前传感器、探测光路、控制电脑，其中：

所述主激光光路包括前级光路、传输光路，所述变形镜设置于波前传感器之前的主激光光路中，与控制电脑连接，作为波前校正器件校正波前误差；

所述前级光路与变形镜之间设置放大器,在发射时会引入动态波前畸变；

所述远场探测器设置于变形镜后方激光光路的靶点位置，探测静态激光远场，并与控制电脑连接，形成变形镜、传输光路、远场探测器、控制电脑的闭环控制回路；

所述波前传感器设置于变形镜后，用于实现波前探测，并与控制电脑连接，形成变形镜、传输光路、探测光路、波前传感器、控制电脑的闭环控制回路。

2.根据权利要求1所述的一种激光光束波前校正系统，其特征在于：所述波前传感器为哈特曼波前传感器。

3.根据权利要求1所述的一种激光光束波前校正系统，其特征在于：所述波前传感器的探测面与变形镜的反射面共轭。

4.采用权利要求1所述的一种激光光束波前校正系统的一种激光光束波前校正方法，其特征在于：远场探测器在靶点位置探测主激光焦斑，其携带了全部的静态波前信息，记为W_s；波前传感器采集主激光波前，所获得的波前信息记为W_hs，包含了部分主光路及探测光路的波前畸变；当进行动态发射时，放大器会产生动态波前畸变，记为W_d；具体操作步骤如下：

S1：采用波前传感器采集主激光的波前W_hs，并设置为参考，之后进行动态发射，利用波前传感器的单次采集模式，获取动态发射的主激光波前，此时波前传感器上得到的波前为纯动态波前(W_hs+W_d)-W_hs＝W_d，记录此波前信息；

S2:待放大器完全冷却后，利用远场探测器，在靶点处采集主激光焦斑，采用远场信息反馈算法对焦斑进行闭环控制，当获得最佳焦斑时，变形镜产生的面形为-W_s；

S3：保持S2步骤中变形镜的面形不变，采用波前传感器对主激光进行波前采集，波前传感器上所获得的波前为W_hs-W_s，记录所采集到的波前信息；

S4:以S3步骤中采集的波前W_hs-W_s为参考，将变形镜的控制电压清零，再次采集主激光波前，波前传感器上得到的波前应为W_hs-(W_hs-W_s)＝W_s，即光束至靶点的静态波前畸变；

S5:步骤S1与S4中获得了全光束的静态波前畸变及动态波前畸变，采用波前传感器采集主激光波前，并且设置为参考，再次采集主激光，获得的波前为0，控制电脑根据静态波前W_s、动态波前W_d信息，控制变形镜产生-(W_s+W_d)/2的面形，以补偿全系统像差。