CN105390930B - 一种腔内像差补偿非稳腔激光器及其像差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种腔内像差补偿非稳腔激光器及其像差补偿方法，包括非稳腔腔镜、耦合输出镜、激光增益介质、泵浦装置、探测光源、探测光导入镜、探测光导出镜、探测光波前探测器和至少一个补偿元件；探测光波前探测器探测导出的探测光束，基于导出的探测光束，修正补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿。本发明实现了，对腔内具有较强光学畸变的非稳腔进行主动光学补偿，获得高质量激光输出；补偿方法具有很强的普适性；腔内插入损耗小，无退偏影响；算法简单，提高补偿求解速率；整体结构简单、便于调试、维护，其中使用元件均为商用元件和便于定制加工的元件，具有很强的可实施性。

Description

一种腔内像差补偿非稳腔激光器及其像差补偿方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种腔内像差补偿非稳腔激光器及其像差补偿方法。

背景技术

激光技术自上世纪六十年代至今高速发展，同时，又与其他高新技术相互渗透，在材料加工、医疗、军事、测量及科学实验研究等众多领域有越来越广泛的应用。激光技术发展过程中，人类始终不断追求获得功率更高、光束质量更好的激光输出。其中，非稳腔因其具有大尺寸模场、较强的模式鉴别能力、较高像差容忍度、对光轴失准不太敏感等优点，是实现高功率、高光束质量激光输出的主要技术途径之一，且其可以获得环形光斑的激光输出，适于卡塞格林系统发射实现超远距离传输和聚焦。但是，谐振腔内的各种像差不可避免的存在，尤其是被高功率密度泵浦的固体增益介质，其光学像差尤为显著，其会影响振荡激光特征，在降低交叠效率影响输出功率的同时，随着腔内复杂的像差演化行为，最终输出激光将产生介质光学像差数倍的波前畸变，严重降低输出激光的光束质量，且激光波面OPD分布和腔内像差分布没有简单的对应关系，无法实现传统的点对点补偿。此外，因为在G参数平面上非稳腔的工作点接近临界区域，当腔内元件具有高阶像差时，很容易在腔内出现局部孔径区域的无耦合输出稳腔振荡，从而在这一小区域内出现高于平均腔内光强1至2个数量的局部强点，这些强点很容易导致腔内元件的损坏，降低激光器的可靠性。

为了改善腔内像差对非稳腔激光器的不利影响，目前，国内外研究在两个方面做了大量工作。第一个方面是竟可能降低腔内光学像差，具体包括采用高速流动的气体增益介质或采用非约束封装且均匀冷却的固体介质，提高泵浦均匀性等。但是受技术水平和具体应用需求限制，很多情况下，高功率非稳腔激光器腔内光学像差仍然较强。第二个方面是在腔内放置特别的补偿装置，对腔内像差进行补偿，本发明也属于这一范畴。目前公开的非稳腔腔内补偿方法有以下几种：

1.美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的热容激光器基于几何近似离线计算的变形镜补偿方式，在其系统中使用的变形镜具有192单元，行程达到10μm。这种补偿方法的原理是根据腔参数和变形镜腔内位置，在几何光学近似下，离线计算获得变形镜面形和往返测量光束波面变化量的关系，获得往返探测面形和变形镜单元位移量之间的反向关系矩阵，再根据往返测量光束波面驱动变形镜实现实时补偿。其像差补偿需要基于非稳腔内的往返测量，但是其采用了一种基于偏振态变化的探测光路，结构复杂，腔内插入元件多，当腔内激光增益介质具有热应力致退偏效应后会影响探测效果。因为其采用了几何近似计算补偿面型而忽略光线通过像差元件后传输方向的偏折，只能适用于类似于透射板条热容激光器等像差较小、高阶像差成分较少的激光器，不具有普遍适用性。

2.美国波音公司的Yb:YAG薄片激光器采用了共轭成像固定补偿方案。其系统中有超过10片薄片状增益介质，单个薄片具有极高的加工质量，静态波前畸变不大于1/10λ，λ等于632.8nm，为了避免产生复杂的动态像差，其利用复杂的多通泵浦机构实现了很高的泵浦均匀性。在此基础上其还需要在腔内实现薄片间4f共轭成像，使各薄片波前畸变成像于提供补偿的位相板上，并在工作中利用变焦透镜对热致离焦实时补偿，这种光束质量控制手段对腔内元件要求高，谐振腔内元件多，并且4f成像光学元件焦距及系统尺寸与增益区尺寸相关，即这种方式不适用于大口径增益介质的非稳腔固体激光器，具有较强的局限性。

3.美国达信公司的“Thinzag”激光器采用了单程探测分段变形镜独立补偿方案，其非稳腔内每个增益模块包含一套独立的主动光学畸变补偿系统，即对每个增益单元使用探测光源和哈特曼探测器独立测量、并用变形镜独立补偿。在每个补偿单元中，其采用4f成像系统将增益板条成像于变形镜上，并根据单通测量光波面实现补偿。这种补偿方式腔内插入元件较多，系统复杂，且因为增益板条具有一定长度，不能和变形镜实现理想的共轭关系，腔内补偿后，仍不能达到预期的光束质量提升效果。

上述几种方法虽然较像差补偿前提升了输出激光的光束质量，但是它们都具有很强的局限性，无法有效用于具有强像差，尤其是包含较多高阶像差的大口径增益介质非稳腔激光器。同时，这些方法或者对光学元件加工质量要求很高，或者谐振腔中插入元件很多，或者需要使用多个补偿元件成本高昂而无法推广使用。

此外，在腔外激光光束净化、整形等工作中，为了避免复杂的补偿元件面型解析计算，可以采用遗传算法、模拟退火算法等全局优化算法通过多次补偿尝试，检测补偿后光束状态，寻找相对最优的补偿面型。但是，因为高功率非稳腔中往返激光具有不同尺寸，激光非均匀提取存在着显著的热光耦合问题，即激光增益介质的非均匀生热、热致像差、腔内振荡激光强度分布相互影响，当腔内引入随机的像差补偿，会导致振荡激光强度剧烈变化，从而产生介质生热分布和像差的改变，使得全局算法迭代难于收敛。在高功率激光器中，甚至可能因为引入随机像差导致振荡激光强度剧烈降低或无法起振，激光增益介质生热率急剧增长而导致元件损坏。因此这种方法无法用于非稳腔腔内像差主动补偿。

如上所述，目前，非稳腔内像差补偿这一技术短板给非稳腔在高能激光中应用带来了困难和制约。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种腔内像差补偿非稳腔激光器及其像差补偿方法，可利用其对各种类型增益介质和工作体制增益介质的光学像差实现腔内像差补偿；无需在腔内放置成像光学元件将腔内元件相互成像，也无需进行复杂的补偿面型直接解析求解。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种腔内像差补偿非稳腔激光器，包括非稳腔腔镜、耦合输出镜、激光增益介质、泵浦装置、探测光源、探测光导入镜、探测光导出镜、探测光波前探测器和至少一个补偿元件；

所述探测光源，其用于提供探测光束，其中所述探测光束传输到探测光导入镜处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束具有相同波面，且所述探测光束在腔内每个像差元件处的光束尺寸与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束尺寸匹配；

所述探测光导入镜和探测光导出镜为平面镜，其放置位置实现所述探测光束在探测光导入镜处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束同轴同心，沿着激光光轴在腔内往返传输一次后导出腔外，且探测光导入镜和探测光导出镜之间不存在产生像差的光学元件；

所述探测光波前探测器，其用于探测探测光导出镜导出的探测光束；

所述补偿元件，其用于补偿非稳腔腔内像差。

本发明的有益效果是：探测光波前探测器探测探测光导出镜导出的探测光束，基于探测光导出镜导出的探测光束，修正补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿；可以对腔内具有较强光学畸变的非稳腔进行主动光学补偿，获得高质量激光输出；补偿方法与非稳腔结构、增益元件特征、补偿元件种类等因素无关，具有很强的普适性；采用自然偏振或随机偏振的探测光束，腔内无需插入偏振性的位相延迟元件或偏振选择元件，插入损耗小，且无退偏影响；使用基于往返探测光束的波面，逐次逼近补偿获得最优光程调制函数，避免由激光波面反向求解腔内像差、腔内补偿光程分布的复杂数学求解，降低了算法复杂性的同时，提高了补偿求解速率，对随时间变化的腔内像差具有更强的补偿能力；可以在腔内放置多个补偿元件，每个补偿元件的最优光程调制函数不需要分别求解；本发明整体结构简单、便于调试、维护，其中使用元件均为商用元件和便于定制加工的元件，具有很强的可实施性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述探测光导入镜导入探测光束的一面和所述探测光导出镜导出探测光束的一面镀有针对激光的增透膜和针对探测光束的部分反射膜；所述探测光导入镜的另一面和所述探测光导出镜的另一面镀有针对激光和探测光束的增透膜。

采用上述进一步方案的有益效果是，在减小探测光导入镜和探测光导出镜对腔内振荡激光影响的同时，增强导出的探测光束，利于获取导出的探测光束的波面分布信息，提高补偿效果。

进一步，所述补偿元件为固定补偿元件或可变补偿元件；当所述补偿元件为可变补偿元件时，还包括用于驱动所述可变补偿元件的光程调制函数发生变化的控制驱动器。

采用上述进一步方案的有益效果是，当补偿元件为固定补偿元件时，则制备具有目标修正光程调制函数的新的固定补偿元件，并将所述新的固定补偿元件替换原有的固定补偿元件；当补偿元件为可变补偿元件时，则由控制驱动器驱动所述可变补偿元件的光程调制函数变化为目标修正光程调制函数；上述方式在技术上均容易实现。

进一步，所述激光器还包括监测光源和监测光波前探测器，其用于对补偿元件的光程调制函数进行监测；当所述激光器中含有控制驱动器时，所述监测光波前探测器与所述控制驱动器连接，组成闭环反馈控制系统。

采用上述进一步方案的有益效果是，尽可能降低光程调制函数形成残差。

进一步，所述激光器还包括缩束光学系统，其用于对探测光导出镜导出的探测光束的尺寸进行缩小，使其与探测光波前探测器的探测面的尺寸匹配。

采用上述进一步方案的有益效果是，探测光束的尺寸与探测光波前探测器的探测面的尺寸匹配，提高补偿效果。

本发明的另一技术方案如下：

一种腔内像差补偿非稳腔激光器像差补偿方法，包括如下步骤：

步骤1，探测光源发射探测光束，其中，所述探测光束传输到探测光导入镜处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束具有相同波面，且所述探测光束在腔内每个像差元件处的光束尺寸与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束尺寸匹配；

步骤2，探测光导入镜和探测光导出镜使所述探测光束在探测光导入镜处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束同轴同心，沿着激光光轴在腔内往返传输一次后导出腔外，且探测光导入镜和探测光导出镜之间不产生像差；

步骤3，探测光波前探测器探测探测光导出镜导出的探测光束，基于探测光导出镜导出的探测光束，修正补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤3具体实现包括如下步骤：

步骤31，探测探测光导出镜导出的探测光束，获取探测光束的波面，记为φ₁ ^(i-1)，i＝1；

步骤32，对探测光束的波面进行数学处理后反向，并将其作为补偿元件的修正光程调制量，与补偿元件的原有光程调制函数进行叠加，获得补偿元件的目标修正光程调制函数；其中，所述数学处理包括空间滤波、边缘平滑和幅值衰减；

所述补偿元件的目标修正光程调制函数如下：

φ₂ ⁽ⁱ⁾＝φ₂ ^(i-1)+Δφ₂ ⁽ⁱ⁾

其中，所述φ₂ ^(i-1)为补偿元件的原有光程调制函数，所述Δφ₂ ⁽ⁱ⁾为补偿元件的修正光程调制量，所述φ₂ ⁽ⁱ⁾为补偿元件的目标修正光程调制函数；

步骤33，修正补偿元件，使其光程调制函数为目标修正光程调制函数；

步骤34，再次探测探测光导出镜导出的探测光束，获取探测光束的波面，记为φ₁ ⁽ⁱ⁾；

步骤35，比较前后两次探测光束的波面的均方根值，及探测次数与预设探测次数的关系；当满足如下公式时，令i＝i+1，返回执行步骤32；反之，结束操作；

所述公式如下：

RMS(φ₁ ⁽ⁱ⁾)≤RMS(φ₁ ^(i-1))，且i＜p

其中，所述p为预设探测次数。

进一步，所述步骤33的具体实现包括：

当所述补偿元件为固定补偿元件时，则制备具有目标修正光程调制函数的新的固定补偿元件，并将所述新的固定补偿元件替换原有的固定补偿元件；

当所述补偿元件为可变补偿元件时，则由控制驱动器驱动所述可变补偿元件的光程调制函数变化为目标修正光程调制函数。

进一步，所述步骤33与步骤34之间，还包括步骤3334，

所述步骤3334，采用监测光源和监测光波前探测器，获取补偿元件修正后的实际修正光程调制函数，并将所述实际修正光程调制函数与目标修正光程调制函数进行对比，检验修正准确率；当实际修正光程调制函数与目标修正光程调制函数对比不一致时，返回执行步骤33；反之，执行步骤34。

进一步，所述补偿元件的个数为多个，所述修正补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿的具体实现为修正任意补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿。

附图说明

图1为本发明一种腔内像差补偿非稳腔激光器的实施例1的示意图；

图2为本发明一种腔内像差补偿非稳腔激光器的实施例2的示意图；

图3为本发明一种腔内像差补偿非稳腔激光器像差补偿方法的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，一种腔内像差补偿非稳腔激光器，包括非稳腔腔镜、耦合输出镜、激光增益介质、泵浦装置、探测光源、探测光导入镜、探测光导出镜、探测光波前探测器和至少一个补偿元件。

所述非稳腔腔镜通常有两片，其与激光传输方向，即光轴垂直，且其镜面镀有针对激光波长的高反膜或部分反射膜，激光在两片腔镜间,即腔内往返传输振荡。腔镜也可以超过两片，可均为曲面镜，也可由曲面镜和平面镜组合构成，且其镜面镀有针对激光波长的高反膜或部分反射膜，其中两片腔镜与光轴垂直，激光在此两片腔镜间，即腔内往返传输振荡，其波前曲率可能被变换，其他腔镜与光轴有一定夹角，在腔内作为反射折镜，激光被其反射后波面曲率可能改变，也可能不改变。

所述耦合输出镜可实现腔内振荡激光的部分耦合输出，即部分激光输出腔外，其可以是一片独立的环形镜反射镜片，其中心孔径区域可以使激光透过；也可以由一片腔镜实现其功能，这片腔镜可以由其高反孔径区域外实现耦合输出，也可以在其镜面上镀部分反射膜或渐变反射率膜实现透射耦合输出。

所述激光增益介质及泵浦装置在腔内为振荡激光提供增益。其中激光增益介质可以为固体材料或气体材料，当其为固体材料时，其可以为透射元件或反射元件，同时其可以被自然冷却或被强制冷却。泵浦装置提供激励使激光增益介质聚居粒子数翻转，为受激辐射提供条件。这种激励方式可以是光激励、电激励或化学反应激励，同时，这种激励可以是连续的，或脉冲的。

通常情况下，腔镜和激光增益介质共同构成谐振腔。腔镜的镜面参数和位置关系需要和激光增益介质光学特性综合考虑。即应满足如下条件：其不能对任何激光模式实现光束尺寸的约束或自再现，即任何光束在往复振荡过程中光束尺寸会逐次增大，直到达到耦合输出镜的有效输出孔径或超出某腔镜的反射孔径后溢出谐振腔。在这样的非稳谐振腔中，总有一种激光光束可以实现其波面曲率的自再现，这种光束就是谐振腔的本征模。这样的谐振腔中，激光从一端腔镜传输到另一端腔镜的距离为腔长，在本发明中，腔长没有限制，各腔镜、激光增益介质的孔径尺寸和泵浦装置区域尺寸也没有限制。当腔内包括激光增益介质在内的各反射、透射元件均为理想几何光学元件，即平面镜、可以旁轴近似的球面镜和/或抛物面镜等，且各曲面元件严格对中和对准时，在本发明中称为理想非稳腔，相应的理想非稳腔本征模式光束，即满足理想非稳腔自在现条件的光束为平面波或球面波。众所周知的，腔内各位置本征模式的波面曲率半径可以根据谐振腔自再现原理求解获得。

所述探测光源，其用于提供特定波面分布的探测光束，其中所述探测光束传输到探测光导入镜处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束具有相同波面，且所述探测光束在腔内每个像差元件处的光束尺寸与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束尺寸匹配。所述探测光束传输到探测光导入镜上的波面曲率半径应与该位置远离探测光导出镜方向传输的理想非稳腔本征模式光束的波前曲率半径尽可能一致，即其也为平面波或球面波。这样探测光束便可以在腔内以和激光相同或相近的发散、会聚特征在腔内往返传输一次，导出探测光束包含的像差是其以不同光束尺寸两次通过各像差元件获得的。为了便于探测，这一探测光源输出的探测光束的波长、谱线宽度等应与探测光波前探测器匹配，可以由激光器输出光束通过扩束等光学变换手段获得。这种探测光源目前工业技术水平易于实现。当谐振腔为理想非稳腔，导出探测光束的波面应与理想非稳腔本征模式光束在导出镜处的波面一致，即为平面波或球面波，当腔内具有像差时，导出探测光束的波面会弯曲，这样的波面携带了腔内像差分布及其演化的信息。

所述探测光导入镜和探测光导出镜为平面镜，其放置位置实现所述探测光束在探测光导入镜处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束同轴同心，沿着激光光轴在腔内往返传输一次后导出腔外，且探测光导入镜和探测光导出镜应尽可能靠近放置，探测光导入镜和探测光导出镜之间不存在产生像差的光学元件。

所述探测光导入镜导入探测光束的一面和所述探测光导出镜导出探测光束的一面镀有针对激光的增透膜和针对探测光束的部分反射膜；所述探测光导入镜的另一面和所述探测光导出镜的另一面镀有针对激光和探测光束的增透膜。激光光轴穿过探测光导入镜和探测光导出镜，且光轴与镜面之间有一定夹角，振荡激光通过这两个镜片传输方向不发生改变。探测光束与探测光导入镜法线之间的夹角等于光轴与探测光导入镜法线之间的夹角，且探测光束、探测光导入镜法线、激光光轴位于同一个平面上。探测光束被探测光导入镜片反射的部分沿着光轴向远离探测光导出镜的方向传输，其被一端的腔镜反射后原路返回后会一次通过探测光导入镜和探测光导出镜，其透射部分会沿着光轴射向另一端的腔镜，被腔镜反射后再次沿着光轴传输，其会被探测光导出镜部分反射并射向腔外。

所述探测光波前探测器，其用于探测探测光导出镜导出的探测光束。所述探测光波前探测器可以但不局限于哈特曼型探测器和干涉仪型探测器。

所述补偿元件，其用于补偿非稳腔腔内像差，可放置于谐振腔内任何位置，但当其靠近理想非稳腔本征模式两个方向传输的光束尺寸较接近的区域时，补偿效果较好。其特征为光束通过或被其反射过程中，可以对波面进行特定的调制。其调制原理是振荡激光被通过补偿元件或被像差元件反射过程中不同孔径区域具有不同的光程。

所述补偿元件为固定补偿元件，如位相板等；或可变补偿元件，如压电式变形镜、机械式变形镜等；其在谐振腔内对激光和探测光束具有相同的反射，或透射特性。当所述补偿元件为可变补偿元件时，还包括用于驱动所述可变补偿元件的光程调制函数发生变化的控制驱动器。

所述激光器还包括监测光源和监测光波前探测器，其用于对补偿元件的光程调制函数进行监测；当所述激光器中含有控制驱动器时，所述监测光波前探测器与所述控制驱动器连接，组成闭环反馈控制系统。

所述激光器还包括缩束光学系统，如望远镜系统等光学系统，其用于对探测光导出镜导出的探测光束的尺寸进行缩小，使其与探测光波前探测器的探测面的尺寸匹配。

如图3所示，一种腔内像差补偿非稳腔激光器像差补偿方法，包括如下步骤：

步骤1，探测光源发射探测光束，其中，所述探测光束传输到探测光导入镜处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束具有相同波面，且所述探测光束在腔内每个像差元件处的光束尺寸与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束尺寸匹配。

步骤2，探测光导入镜和探测光导出镜使所述探测光束在探测光导入镜处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束同轴同心，沿着激光光轴在腔内往返传输一次后导出腔外，且探测光导入镜和探测光导出镜之间不产生像差。

步骤3，探测光波前探测器探测探测光导出镜导出的探测光束，基于探测光导出镜导出的探测光束，修正补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿。

当补偿元件的个数为多个时，所述修正补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿的具体实现为修正任意补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿。

所述步骤3具体实现为包括如下步骤：

步骤31，探测探测光导出镜导出的探测光束，获取探测光束的波面，记为φ₁ ^(i-1)，i＝1。

当腔内具有像差时，导出探测光束波面与理想非稳腔中导出探测光束波面之间存在差别，这一差别为关于二维空间分布的光程调制函数φ₁ ⁽⁰⁾。此时开始第一轮补偿，所述i为标记补偿的轮数，故，此时i＝1。

步骤32，对探测光束的波面进行数学处理后反向，并将其作为补偿元件的修正光程调制量，与补偿元件的原有光程调制函数进行叠加，获得补偿元件的目标修正光程调制函数；其中，所述数学处理包括空间滤波、边缘平滑和幅值衰减。

所述补偿元件的目标修正光程调制函数如下：

φ₂ ⁽ⁱ⁾＝φ₂ ^(i-1)+Δφ₂ ⁽ⁱ⁾

其中，所述φ₂ ^(i-1)为补偿元件的原有光程调制函数，所述Δφ₂ ⁽ⁱ⁾为补偿元件的修正光程调制量，所述φ₂ ⁽ⁱ⁾为补偿元件的目标修正光程调制函数。

当补偿元件的个数为多个时，可在每个补偿轮次里将修正光程调制量分配与不同的补偿元件，也可以在不同补偿轮次里将修正光程调制量赋于不同的补偿元件。

步骤33，修正补偿元件，使其光程调制函数为目标修正光程调制函数。

所述步骤33的具体实现包括：

当所述补偿元件为固定补偿元件时，则制备具有目标修正光程调制函数的新的固定补偿元件，并将所述新的固定补偿元件替换原有的固定补偿元件。当所述补偿元件为可变补偿元件时，则由控制驱动器驱动所述可变补偿元件的光程调制函数变化为目标修正光程调制函数。

如果使用固定补偿(透射或反射)元件，在补偿前，在补偿元件位置处放置平面(透射或反射)镜，其光程调制函数φ₂ ⁽⁰⁾＝0；或放置具有任意光程调制函数的固定补偿(透射或反射)元件。如果使用可变补偿(透射或反射)元件，在补偿前，其光程调制函数也可以是任意的。

步骤34，再次探测探测光导出镜导出的探测光束，获取探测光束的波面，记为φ₁ ⁽ⁱ⁾。导出的探测光束的波面φ₁ ⁽ⁱ⁾变化规律为φ₁ ⁽ⁱ⁾＝φ₁ ^(i-1)+mΔφ₂ ⁽ⁱ⁾+o⁽ⁱ⁾，如果采用透射式补偿元件，则m＝1；如果采用反射式补偿元件，则m＝2。其中o⁽ⁱ⁾为非共轭补偿引入的演化小量，其具体数值与腔内像差分布、腔结构、补偿元件位置、衰减因子和光程调制函数形成残差等因素有关，在实际应用中不关心其具体分布。

不论是制备固定补偿元件，还是驱动控制可变补偿元件，实际修正光程调制函数和目标修正光程调制函数间会存在差别，称之为光程调制函数形成残差。因此，所述步骤33与步骤34之间，还包括步骤3334。

所述步骤3334，采用监测光源和监测光波前探测器，获取补偿元件修正后的实际修正光程调制函数，并将所述实际修正光程调制函数与目标修正光程调制函数进行对比，检验修正准确率；当实际修正光程调制函数与目标修正光程调制函数对比不一致时，返回执行步骤33，当所述激光器中含有控制驱动器时，将监测光波前探测器与控制驱动器连接，组成闭环反馈控制系统，使补偿元件尽可能降低光程调制函数形成残差；反之，执行步骤34。

步骤35，比较前后两次探测光束的波面的均方根值，及探测次数与预设探测次数的关系；当满足如下公式时，令i＝i+1，返回执行步骤32；反之，结束操作。

所述公式如下：

RMS(φ₁ ⁽ⁱ⁾)≤RMS(φ₁ ^(i-1))，且i＜p

其中，所述p为预设探测次数。

最终，补偿元件具有的目标修正光程调制函数

因往返探测光束可能是球面波，另腔内、探测光波前探测器和监测光波前探测器前可能放置缩束和/或扩束光学系统，故，对于与此情况，上述波面函数的空间坐标均需先按照各自光斑口径进行归一化，然后再进行相关数学处理和计算。补偿元件有效调制孔径与理想非稳腔中本征模式光束在补偿元件位置上的尺寸相关。

利用上述方法，可以获得各轮补偿过程中补偿元件的目标修正光程调制函数。不论是采用固定补偿元件逐次加工，如使用磁流变技术制备位相屏；还是采用可变补偿元件进行在线变换，如压电陶瓷驱动的变形镜，均不存在技术问题。

在非稳腔内放置上述方法确定面型的补偿元件后，被导入腔内和理想非稳腔本征模式光束相同方向传输光束具有相同波前曲率的探测光束，在腔内往返传递一周后的波前曲率仍与理想非稳腔本征模式光束相同方向传输光束相同。因此，对应这种理想非稳腔本征模式的实际非稳腔本征模式满足在腔内往返振荡后的波面曲率自再现条件，因此，可实现对非稳腔激光器光束质量的提升。

具体实施中，非稳腔可为正支或负支非稳腔，可为共焦或非共焦非稳腔；非稳腔内的激光增益介质的物质状态、形状、数量没有限制，且激光增益介质可是反射型或透射型；谐振腔理想状态下本征模式光束尺寸可被耦合输出镜限制，被增益介质孔径限制，被泵浦装置区域尺寸限制，或被腔内放置的孔径光阑限制，只需补偿元件孔径尺寸及其光程调制区域尺寸等于本征模式中像差元件处光束尺寸1～1.3倍。

实施例1，如图1所示，包括非稳腔腔镜111、非稳腔腔镜112、耦合输出镜12、激光增益介质13、探测光导入镜14、探测光导出镜15、探测光源16、探测光波前探测器17和补偿元件18，由探测光源16发出的探测光束101和腔内的振荡激光102在谐振腔内传输。在这种实现方式中，非稳腔腔镜111和非稳腔腔镜112，及上述各种腔内元件构成负支非稳腔；其中，非稳腔腔镜111和非稳腔腔镜112均对振荡激光102同轴同心，并镀有针对振荡激光102和探测光束101的高反膜，在反射过程中改变光束的波前曲率。在这样的非稳腔中，如果腔内元件均没有像差，即理想状态下振荡激光本征模式光束在腔镜间往复振荡。在图1中，两种不同阴影线方向代表本征模模式光束在腔内不同的传输方向。非稳腔腔镜112还作为非稳腔的耦合输出镜12，因为，非稳腔腔镜112反射镜面孔径尺寸小于该处由非稳腔腔镜111向非稳腔腔镜112传输的本征模式光束尺寸，在非稳腔腔镜112反射孔径外，一部分振荡激光将溢出谐振腔，不再继续振荡，这部分激光即耦合输出激光1021。腔内放置激光增益介质13为振荡激光102提供增益。其中激光增益介质13的物质状态、尺寸、形状和光学性质等没有具体限制，其被泵浦机制也可以是多种多样的，因此在图1中没有画出泵浦装置。谐振腔中激光增益介质13可能因为多种原因产生固定，或变化的光学像差，并使激光光束质量劣化。为了避免谐振腔进入稳定腔，将非稳腔腔镜111、非稳腔腔镜112和腔内除平面镜外包括激光增益介质13在内的所有光学元件均由光学矩阵表示，并由腔内任何一个元件开始，在谐振腔的一个往返过程中，将上述元件光学矩阵，以及它们之间传输光学矩阵依次相乘，获得谐振腔的往返传输矩阵M＝[A,B；C,D]，必须合理的设计非稳腔腔镜111和非稳腔腔镜112的镜面曲率半径以及腔长，保证-1＜(A+D)/2＞1。探测光导入镜14为一平面镜，使其镜面法线与激光振荡光轴具有一定夹角α插入谐振腔内，其导入探测光束的表面镀有α角度下对激光波长的增透膜及对探测光束的部分反射膜；此部分反射膜的反射率可以为1％～99％，而当其对探测光束的透射率为50％时获得最好效果；其另一个表面镀有α角度下对激光和探测光波长的增透膜。由探测光源16发出的探测光束101被探测光导入镜14部分反射，反射部分向非稳腔腔镜112传输。为了在探测光导入镜14上区分探测光束101和振荡激光102，探测光源16输出的探测光束101的波长与振荡激光102的波长差大于5nm。探测光源16发射的探测光束101和理想条件下向非稳腔腔镜112传输的本征激光模式光束在探测光导入镜14上因具有相同的波前曲率，且同轴同心，波面重合。具体要求为两者波面差的均方根值不大于3μm。探测光束101被导入腔内后，依次被非稳腔腔镜111反射后改变其波面曲率，探测光束101以往返形式，依次经过各种腔内元件，包括激光增益介质13和补偿元件18等后，被非稳腔腔镜112反射，再次改变其曲率半径后，反向依次通过上述各腔内元件。即在各光学元件上，探测光束两次以不同的光束尺寸通过。对探测光源16特别的要求是，其发射的探测光束101导入腔内后，需要具有足够的光束尺寸，具体要求为探测光束101尺寸应与该处理想状态下本征模激光光束的尺寸相匹配，即不应小于该处激光尺寸的90％。向非稳腔腔镜112方向传输的探测光束101到达探测光导出镜15后，将部分被反射，导出腔外。这里的探测光导出镜15与探测光导入镜14光学结构、镀膜要求类似，其导出探测光束的表面镀膜对探测光束的波长的反射率可以为1％～99％，同样当其对探测光束透射率为50％时获得最好效果。导出腔外的探测光束101射向探测光波前探测器17，在具体实现中，为了匹配探测光波前探测器17的靶面区域，可以使用缩束光学系统171对探测光束101进行尺寸变换。探测光波前探测器17可以获得其入射光束的波面分布信息，其具体类型在本发明中没有特别要求。

在实施例1中，补偿元件18可以为位相屏，激光和探测光束通过补偿元件18后，波面会根据位相屏具有的特别设计的光场调制函数产生变化。当补偿元件18即位相屏为透射元件时，其对单程通过的光束的波面改变量即为其面型函数。利用探测光波前探测器17对导出的探测光束101测量获得的波面信息，根据上述像差补偿方法，确定补偿元件18的最佳即最终目标修正光程调制函数。其中，空间滤波可以采用频谱低通滤波，如FFT等；级数展开，如泽尼克级数展开、勒让德级数展开等；或空间域平滑滤波等。这些手段在数字图像处理中都十分成熟；其中，边缘平滑可以采用与相应的模板函数数乘等方法，模板函数如高斯函数、超高斯函数等；其中，幅值衰减是让探测光束的波面函数乘以一个衰减因子，所述衰减因子的取值范围为(0,1],其在不同的迭代补偿轮次中可以使固定值，也可以使变化的。步骤32，对探测光束的波面进行数学处理后反向，其中，反向即将数学处理后的探测光束的波面函数乘以-1。

实施例2，如图2所示，包括非稳腔腔镜211、非稳腔腔镜212、耦合输出镜22、激光增益介质231、激光增益介质232、激光增益介质233、激光增益介质234、探测光导入镜24、探测光导出镜25、探测光源26、探测光波前探测器27、补偿元件281、补偿元件282和控制驱动器29，由探测光源26发出的探测光束201和腔内的振荡激光202在谐振腔内传输，最终利用耦合输出镜22获得耦合输出激光2021。在这种实现方式中，非稳腔腔镜211和非稳腔腔镜212，及上述各种腔内元件构成正支非稳腔；耦合输出镜22为环形孔径的反射镜，其中心区域可以使激光自由通过，而边缘环形区域镀有对激光的高反膜，将照射至该区域的激光耦合输出；为了提高激光增益，在腔内放置了多片反射型激光增益介质，包括激光增益介质231、激光增益介质232、激光增益介质233和激光增益介质234，通常，反射型介质更容易在非稳腔内引入显著的像差；补偿元件281和补偿元件282可以为反射式压电陶瓷型变形镜，其可以在控制驱动器29的驱动下产生特定的面型，从而对被其反射的光束进行光程调制；控制驱动器29根据探测光波前探测器27测量的导出的探测光束101的波面，采用上述像差补偿方法，在线解算补偿元件281和/或补偿元件282最佳即最终目标修正光程调制函数，并驱动补偿元件281和/或补偿元件282的面型变化，实现其光程调制函数变化为目标修正光程调制函数。

与实施例1不同的是，实施例2的实现方式中，补偿元件281和补偿元件282为反射型，衰减因子的取值范围为(0，1/2]；另外，补偿元件281和补偿元件282为可变补偿元件，可以实时实现不同的面型，每个迭代补偿轮次中，不需要重新制备新的补偿元件。实现方式中，为了增大补偿能力，使用补偿元件281和补偿元件282两个补偿元件。在具体应用中，补偿元件的数目没有限制，在每个补偿轮次中，获得的补偿元件修正光程调制量，可以根据具体情况分配与不同的补偿元件，如，可以平均、以一定比例或随机的分配于各补偿元件；也可以根据每个补偿元件的特点，如，部分补偿元件具有较大的行程，部分补偿元件具有较高空间分辨率的面型形成能力，或不同的补偿元件对特定的几个阶次具有较强的补偿能力等特点，将修正光程调制量有针对性的进行分解后分配于不同补偿元件。

本发明的具体实施方案中，腔内放置的激光增益介质、探测光导入镜、探测光导出镜、补偿元件和其他光学元件排列顺序，仅需要保证探测光导入镜与探测光导出镜之间没有放置会产生像差的光学元件，而没有其他特定要求，甚至，可以将多片激光增益介质与多个补偿元件交替排列摆放。这些变化的设计都落入本发明保护的范围。

本发明的具体实施方案中，可以对补偿元件，特别是可变补偿元件采用监测系统进行面型监测，即使用监测光源发出准直光束，并与探测光束接近的方向射向补偿元件，被其单次光程调制后，使用监测光波前探测器测量导出监测光束波面，根据监测光束波面获取补偿元件修正后的实际修正光程调制函数，并将所述实际修正光程调制函数与目标修正光程调制函数进行对比，检验修正准确率。并可以将监测光波前探测器与控制驱动器连接组成闭环反馈控制系统。上述监测系统可以针对每个补偿元件独立监测，也可以利用平面折镜等光学元件将多个被补偿元件连接起来，同时对多个补偿元件进行监测。这些变化的设计都落入本发明保护的范围。

本发明的具体实施方案中，可以在非稳腔内放置平面、球面和/或柱面的折镜和/或透镜，可以放置棱镜、楔镜和/或非球面镜等光学元件，可以放置各种偏振性光学元件，也可以放置各种非线性光学元件。这些变化的设计都落入本发明保护的范围。

本发明的具体实施方案中，理想非稳腔本征模式光束截面、激光增益介质孔径区域、泵浦装置泵浦区域和补偿元件有效孔径区域，可以为圆形、椭圆形、矩形、或其他异形。这些变化的设计都落入本发明保护的范围。

本发明的具体实施方案中，不局限于二维非稳腔，也可以构建一维非稳腔，即一个维度为稳腔、另一个维度为非稳腔，这种情况下，本发明可以在非稳腔维度应用。这种变化的设计都落入本发明保护的范围。

本发明的具体实施方案中，非稳腔类型、激光增益介质类型与补偿元件类型间没有对应关系，可以根据实际情况灵活、任意组合。这种变化的设计都落入本发明保护的范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种腔内像差补偿非稳腔激光器像差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，探测光源(16,26)发射探测光束(101,201)，其中，所述探测光束(101,201)传输到探测光导入镜(14,24)处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束具有相同波面，且所述探测光束(101,201)在腔内每个像差元件处的光束尺寸与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束尺寸匹配；

步骤2，探测光导入镜(14,24)和探测光导出镜(15,25)使所述探测光束(101,201)在探测光导入镜(14,24)处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束同轴同心，沿着激光光轴在腔内往返传输一次后导出腔外，且探测光导入镜(14,24)和探测光导出镜(15,25)之间不产生像差；

步骤3，探测光波前探测器(17,27)探测探测光导出镜(15,25)导出的探测光束(101,201)，基于探测光导出镜(15,25)导出的探测光束(101,201)，修正补偿元件(18,281、282)的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿；

所述步骤3具体实现包括如下步骤：

步骤31，探测探测光导出镜(15,25)导出的探测光束(101,201)，获取探测光束(101,201)的波面，记为φ₁ ^(i-1)，i＝1；

步骤32，对探测光束(101,201)的波面进行数学处理后反向，并将其作为补偿元件(18,281、282)的修正光程调制量，与补偿元件(18,281、282)的原有光程调制函数进行叠加，获得补偿元件(18,281、282)的目标修正光程调制函数；其中，所述数学处理包括空间滤波、边缘平滑和幅值衰减；

所述补偿元件(18,281、282)的目标修正光程调制函数如下：

φ₂ ⁽ⁱ⁾＝φ₂ ^(i-1)+Δφ₂ ⁽ⁱ⁾

其中，所述φ₂ ^(i-1)为补偿元件(18,281、282)的原有光程调制函数，所述Δφ₂ ⁽ⁱ⁾为补偿元件(18,281、282)的修正光程调制量，所述φ₂ ⁽ⁱ⁾为补偿元件(18,281、282)的目标修正光程调制函数；

步骤33，修正补偿元件(18,281、282)，使其光程调制函数为目标修正光程调制函数；

步骤34，再次探测探测光导出镜(15,25)导出的探测光束(101,201)，获取探测光束(101,201)的波面，记为φ₁ ⁽ⁱ⁾；

步骤35，比较前后两次探测光束(101,201)的波面的均方根值，及探测次数与预设探测次数的关系；当满足如下公式时，令i＝i+1，返回执行步骤32；反之，结束操作；

所述公式如下：

RMS(φ₁ ⁽ⁱ⁾)≤RMS(φ₁ ^(i-1))，且i＜p

其中，所述p为预设探测次数。

2.根据权利要求1所述一种腔内像差补偿非稳腔激光器像差补偿方法，其特征在于，所述步骤33的具体实现包括：

当所述补偿元件(18,281、282)为固定补偿元件时，则制备具有目标修正光程调制函数的新的固定补偿元件，并将所述新的固定补偿元件替换原有的固定补偿元件；

当所述补偿元件(18,281、282)为可变补偿元件时，则由控制驱动器(29)驱动所述可变补偿元件的光程调制函数变化为目标修正光程调制函数。

3.根据权利要求2所述一种腔内像差补偿非稳腔激光器像差补偿方法，其特征在于，所述步骤33与步骤34之间，还包括步骤3334，

所述步骤3334，采用监测光源和监测光波前探测器，获取补偿元件(18,281、282)修正后的实际修正光程调制函数，并将所述实际修正光程调制函数与目标修正光程调制函数进行对比，检验修正准确率；当实际修正光程调制函数与目标修正光程调制函数对比不一致时，返回执行步骤33；反之，执行步骤34。

4.根据权利要求1至3任一所述一种腔内像差补偿非稳腔激光器像差补偿方法，其特征在于，所述补偿元件(18,281、282)的个数为多个，所述修正补偿元件(18,281、282)的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿的具体实现为修正任意补偿元件(18,281、282)的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿。