CN105514765B - 用于控制激光束的波前的激光系统和方法 - Google Patents

用于控制激光束的波前的激光系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制激光束的波前的激光系统和方法。提供了用于控制初级激光束的波前的激光系统(10)和相关的方法。激光系统(10)包括用于生产初级激光束的激光介质(12)和初级激光束被引导至的至少一个光学元件(14)。激光系统(10)还包括用于生产次级激光束的次级激光源(16)。激光系统(10)可进一步包括空间光调制器(18)，被配置为接收次级激光束并且空间调制次级激光束来产生具有空间强度模式的空间调制的次级激光束。空间调制的次级激光束可以入射在激光介质(12)或至少一个光学元件(14)中的至少一个上从而选择性地修改空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质(12)或至少一个光学元件(14)的部分的温度。

Description

用于控制激光束的波前的激光系统和方法
技术领域
本发明总体涉及用于控制激光束的波前的激光系统和相关的方法，并且更具体地，涉及用于引入用于控制初级激光束的波前的次级激光束的激光系统和相关的方法。
背景技术
激光系统优先地生成预定形状的波前，使得得到的激光束具有期望的波束质量。在一些情况下，光学像差可通过包含由激光介质、激光放大器或其他光学部件引入的光学像差的激光系统的光学元件而被引入到波前中。光学像差可以通过光学元件的结构和材料组分和/或通过光学元件中的产生光路差异的热梯度而被引入。例如，光学元件可能被均匀地加热，但通过激光器加热可具有与其他部分相比被加热的更热的一些部分，从而产生热梯度。由于光学元件上的热梯度，光学元件将会将由于与热梯度相关的光路差异而导致的光学像差引入激光束中。光学像差进而将通过引入波前误差并且降低通过激光系统产生的波束质量来降低激光系统的效率和效力。
为了努力取消或抵消光学像差，已经开发了各种复杂的光学系统。例如，已经结合激光系统采用热传递和/或冷却系统来努力降低热梯度并且相应地降低得到的光学像差。例如，可以径向冷却径向对称的增益杆从而努力降低热梯度。此外，利用固定的校正器板或复杂的自适应光学系统从而努力取消由热梯度引进的光学像差。虽然上述技术可以降低光学梯度，但是得到的激光系统是更复杂的并且因此总体上更昂贵。
可经历热梯度的一类光学元件是光热折射(PTR)玻璃光学元件。例如，可以利用PTR玻璃光学元件在激光系统中结合光谱波束。通过PTR光学元件传播的激光束通常增加PTR光学元件的温度。当PTR玻璃光学元件的温度增加时，PTR玻璃光学元件的折射率改变，这进而改变由PTR玻璃光学元件输出的光的波长。例如，PTR光学元件可以操作为光栅(grating)，使得PTR光学元件的增加的温度改变PTR光学元件的折射率，这进而改变由光栅发射的光的波长，这会不利地影响光栅的效率。
在致力于降低PTR光学元件经历的温度增加的过程中，可以利用热控制系统从其外部边缘加热或冷却PTR光学元件。这种技术可遍及PTR光学元件的体积引入温度梯度，其进而可引起PTR光学元件的不同部分与PTR光学元件的其他部分相比基于热梯度而不同地执行，从而也不利地影响PTR光学元件的总效率。此外，在努力控制PTR光学元件的温度中利用的热系统可能是相对庞大的，并且因此可能不能用于小激光腔体中。例如，为了热稳定的目的结合PTR光学元件利用的热系统可以包括需要容纳相对大的热电冷却器(TEC)、需要冷却水的相对大的冷却板和用于供电的对应电线的安装。在包含热控制系统的激光系统必须放置在真空室中的激光系统的某些应用中，支撑热系统的安装的基础设施可能具有一定的挑战性。
发明内容
根据用于控制初级激光束的波前的示例性实施方式提供了激光系统和相关的方法。在这方面，示例性实施方式的激光系统和方法可以选择性地使得激光介质或另一光学元件的部分热收缩或热膨胀以相应地改变初级激光束的波前。例如，激光介质或另一光学元件可以被选择性地热收缩或热膨胀以抵消由激光系统另外引入的光学像差，使得得到的初级激光束的波前具有期望的形状和波束质量。在示例性实施方式中，PTR玻璃光学元件可以包括对次级激光束做出响应的掺杂剂，从而使得可以利用PTR玻璃光学元件对次级激光束的曝光从而修改掺杂的PTR玻璃光学元件的温度，从而改善包含PTR玻璃光学元件的激光系统的性能。
在示例性实施方式中，提供了一种激光系统，包括被配置为产生初级激光束的激光介质和被配置为接收初级激光束的至少一个光学元件。激光系统也包括被配置为产生次级激光束的次级激光源。激光系统进一步包括空间光调制器，被配置为接收次级激光束并且空间调制次级激光束来产生具有空间强度模式的空间调制的次级激光束。该示例性实施方式的激光系统被配置为使得空间调制的次级激光束入射在激光介质或至少一个光学元件中的至少一个上，从而引起空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质或至少一个光学元件的相应部分热收缩或热膨胀。因此，可控地改变初级激光束的波前。
次级激光束可具有与初级激光束不同的波长。空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质或至少一个光学元件中的至少一个可以包括响应于次级激光束的波长而被激励的至少一种掺杂剂。示例性实施方式的激光系统也可以包括：波前传感器，被配置为测量初级激光束的波前；和控制器，被配置为基于如通过波前传感器测量的初级激光束的波前来控制通过空间光调制器提供的次级激光束的空间调制。示例性实施方式的波前传感器被配置为随着时间的推移重复地测量初级激光束的波前。在这个实施方式中，控制器进一步被配置为修改空间光调制器从而修改次级激光束的空间强度模式，使得次级激光束基于在通过波前传感器随着时间的推移所测量的初级激光束的波前的变化来可控制地调节光学元件的体积中的热能从而控制光学元件中的热膨胀和热收缩，从而最小化在初级激光束的波前中的像差或光路差异。空间调制的次级激光束可以与初级激光束共同传播。
在另一个示例性实施方式中，提供了一种控制初级激光束的波前的方法，包括利用激光介质生成初级激光束。这个示例性实施方式的方法将初级激光束引导至至少一个光学元件。这个示例性实施方式的方法还生成次级激光束并且空间调制次级激光束来产生具有空间强度模式的空间调制的次级激光束。在这个示例性实施方式中，该方法还将空间调制的次级激光束引导至入射在激光介质或至少一个光学元件中的至少一个上，从而引起空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质或至少一个光学元件中的至少一个的相应部分热收缩或热膨胀。因此，可控地改变初级激光束的波前。
示例性实施方式的方法生成次级激光束从而具有与初级激光束不同的波长。在这个示例性实施方式中，空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质或至少一个光学元件中的至少一个包括响应于次级激光束的波长而被激励的至少一种掺杂剂。示例性实施方式的方法还包括测量初级激光束的波前并且基于已经测量的初级激光束的波前来控制次级激光束的空间调制。这个示例性实施方式的方法还可以包括随着时间的推移重复地测量初级激光束的波前；以及修改次级激光束的空间强度模式，使得次级激光束基于在随着时间的推移所测量的初级激光束的波前的变化来可控制地调节光学元件的体积中的热能从而控制在光学元件中的热膨胀和热收缩，从而最小化初级激光束的波前中的像差或光路差异。在示例性实施方式中，空间调制的次级激光束与初级激光束共同传播。
在又一个示例性实施方式中，提供了一种激光系统，包括被配置为产生初级激光束的激光介质和被配置为接收初级激光束的掺杂的光热折射(PTR)玻璃光学元件。这个示例性实施方式的激光系统还包括次级激光源，被配置为产生与初级激光束不同的波长的次级激光束。配置激光系统使得次级激光束入射在掺杂的PTR玻璃光学元件上从而修改掺杂的PTR玻璃光学元件的温度。
掺杂的PTR玻璃光学元件包括通过次级激光束激励的包含但不限于钕(Nd)、铥(Tm)或镱(Yb)的一种或多种掺杂剂。示例性实施方式的掺杂剂均匀地遍及掺杂的PTR玻璃光学元件。在示例性实施方式中，相对于初级激光束的波长掺杂剂优先吸收次级激光束的波长的光。激光介质可以包括多个激光源，并且掺杂的PTR玻璃光学元件可以被配置为结合通过多个激光源生成的初级激光束。掺杂的PTR玻璃光学元件可以用作光栅。示例性实施方式的PTR玻璃光学元件包括反射涂层，被配置为相对于初级激光束的波长的光优先反射次级激光束的波长的光
附图说明
已经概括地描述了本公开内容的多个方面，现在将参考附图，这些附图并不一定按比例绘制，并且其中：
图1是根据本公开的示例性实施方式的激光系统的框图，激光系统包括空间光调制器来产生空间调制的次级激光束以提供光学元件的选择性的热收缩或热膨胀从而改变初级激光束的波前；
图2是根据本公开的示例性实施方式的诸如通过图1的激光系统执行的操作的流程图；
图3是根据本公开的示例性实施方式的其中光学元件的部分可以基于激光系统中的光路差异通过空间调制的次级激光束选择性地热膨胀或热收缩的方式的示意图；
图4是根据本公开的示例性实施方式的包含掺杂的光热折射(PTR)玻璃光学元件和被配置为修改掺杂的PTR玻璃光学元件的温度的激光冷却系统的激光系统；以及
图5是根据本公开的示例性实施方式的通过激光冷却系统提供的次级激光束以Z字形方式通过其传播的掺杂的PTR玻璃光学元件的侧视图。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但不是全部的方面。实际上，公开内容可以以许多不同的形式体现并且不应解释为局限于这里所阐述的方面。而是，提供这些方面是为了使本公开内容将满足适用的法律要求。相似的标号贯穿全文指代相似的元件。
根据示例性实施方式提供了激光系统10和方法从而控制光学元件的热膨胀或热收缩。例如，激光介质12或另一光学元件14的相应部分可以利用空间调制的激光束引起热收缩或热膨胀从而相应地改变初级激光束的波前。因此，如果没有消除则可以降低光学像差，使得激光系统生成具有期望的波前和改善的波束质量的初级激光束。另一个示例性实施方式的激光系统和方法可以利用次级激光束修改掺杂的光热折射(PTR)玻璃光学元件的温度(诸如稳定温度)从而如果没有消除则降低PTR玻璃光学元件中的热梯度，使得增强PTR玻璃光学元件的性能。
在图1中描述根据示例性实施方式的激光系统10。激光系统包括被配置为如图2的框30所示的产生初级激光束的激光介质12。可以以多种方式实施激光介质，包括通过一个或多个固态激光器、一个或多个半导体或二极管激光器等来实施激光介质。激光系统也可以包括通常描述为光学元件14的一个或多个光学元件。光学元件可以包括激光放大器、一个或多个透镜、一个或多个反射镜或其他光学部件。初级激光束被从激光介质引导至光学元件，并且初级激光束然后可以通过光学元件传播或被光学元件反射或另外通过光学元件重定向。参见图2的框32。
初级激光束的不同部分可能在它们通过激光系统10传播期间经受光路差异。尽管在制造激光介质12和/或一个或多个光学元件14期间可能引入光路差异，但是也可以通过激光介质和/或一个或多个光学元件上的热梯度引入光路差异。虽然可以利用包含平顶和环形激光束的各种类型的激光束，但是在激光束的中心处强度更大的高斯激光束的实例中，光学元件可以在激光束的中心入射光学元件的位置处变得更热，这产生了光学元件中的温度梯度。光学元件中的温度梯度可以引起其中光子是同相的最初生成的激光束变为异相的或具有光路差异。由于由初级激光束的不同部分经历的光路差异，初级激光束的波前可以在相位、形状等方面与所期望的波前不同，从而降低初级激光束的得到的波束质量。
为了解决光路差异和对波前和波束质量的不利影响，激光系统10也可以包括被配置为诸如图2的框34所示的产生次级激光束的次级激光源16。可以以多种方式实施次级激光源，包括通过一个或多个固态激光器、一个或多个半导体或二极管激光器等来实现次级激光源。尽管可以通过相同类型的激光器来实施激光介质12和次级激光源16，但是在一些实施方式中，可以通过不同类型的激光器来实施激光介质和次级激光源。
如图1所示，示例性实施方式的激光系统10也包括空间光调制器18。空间光调制器被配置为接收次级激光束并且被配置为如图2的框36所示空间调制次级激光束来产生具有空间强度模式的空间调制的次级激光束。通过空间调制次级激光束，次级激光束的不同部分可具有相应不同的强度。例如，次级激光束的一些部分可比次级激光束的其具有较小强度的他部分具有更大的强度。例如，可以通过使用可变形反射镜空间调制或扭曲次级激光束来改变次级激光束的强度模式(intensity pattern)，使得次级激光束能够可控地调节激光束入射光学元件的体积的热能的局部强度，从而控制光学元件的热膨胀和热收缩。因此，通过空间调制或扭曲次级激光束的空间强度模式来调节在由激光束入射的光学元件体积中或由激光束入射的体积外部的热能，控制光学元件中的热膨胀和热收缩，从而基于所测量的波前来改变初级激光束的波前的输出，从而校正(例如最小化)由光学元件中的热梯度引起的波前像差或光路差异。如下所述，可以执行空间调制，使得次级激光束在激光介质12或另一光学元件14上的入射改变初级激光束的波前从而至少部分地抵消激光系统内的光学像差。空间光调制器可以各种方式实施，包括例如实施为透射光学元件或反射光学元件(诸如可变形反射镜)以对次级激光束的强度轮廓进行空间整形。
可以利用激光腔体布置次级激光源16和空间光调制器18。替换地，次级激光源和空间光调制器可以是额外的腔体系统(extra-cavity system)，被配置为提供在激光腔体内或外部的光学元件的受控的热收缩或热膨胀。在空间光调制器被实施为可变形反射镜并且次级激光源和空间光调制器是额外的腔体系统的实施方式中，激光腔体不必包括可变形反射镜，从而诸如通过消除如果可变形反射镜被布置在激光腔体内则可能另外需要的波束扩展器系统来降低激光系统10的费用和复杂性。
如框38所示，空间调制的次级激光束被引导以入射在激光介质12和/或至少一个光学元件14上从而引起空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质和/或光学元件的相应部分热膨胀或热收缩。空间调制的次级激光束入射在图1的激光系统中的光学元件上。替换地，除了入射在另一个光学元件上之外或代替入射在另一个光学元件上，空间调制的次级激光束可以入射在激光介质上。空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质或其他光学元件包括由次级激光束的波长的光激励的掺杂剂。尽管初级激光束和次级激光束的波长可以是相同的，但是示例性实施方式的次级激光束具有与初级激光束的波长不同的波长，次级激光束的波长被定义为与掺杂剂一致，使得掺杂剂被具有次级激光束的波长的光激励，而不被具有初级激光束的波长的光激励。在这方面，选择掺杂剂，使得包括掺杂剂的激光介质和/或光学元件吸收次级激光束的至少一部分能量并且以不同的(例如更高的)波长的光的形式发射能量。例如，在光学元件由KPb2Cl5形成并且次级激光束具有986nm的波长的实例中，掺杂剂可以是镱(Yb)。作为另一实例，在光学元件由钇铝石榴石(YAG)形成并且次级激光束具有1μm的波长的实例中，Yb可以用作掺杂剂。
由于次级激光束的空间调制，次级激光束的不同部分具有不同的强度。因此，空间调制的次级激光束引起空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质12或另一光学元件14的各部分不同地热收缩或热膨胀。在空间调制的次级激光束入射在光学元件从而引起热收缩的示出的实施方式中，通过空间调制的次级激光束的具有较大强度的部分辐射的光学元件的那些部分相比于通过空间调制的次级激光束的具有较小强度的其他部分辐射的光学元件的那些部分热收缩得多。光学元件的响应于空间调制的次级激光束的差别的热收缩或热膨胀相应不同地修改通过光学元件的光路差异，通过空间调制的次级激光束光学元件的热收缩更大程度的那些部分相对于光学元件的热收缩(或热膨胀)更少程度的其他部分具有减小的光路。
由光学元件14产生的光路差异响应于空间调制的次级激光束的入射而改变初级激光束的波前。在缺少次级激光束的情况下通过将由激光系统10另外引进的像差考虑到初级激光束穿过其中的传播，可以通过空间调制的次级激光束将光路差异引入到光学元件中从而如果不完全则至少部分地抵消光学像差，从而改善初级激光束的波前和波束质量。
通过举例的方式，图3的网格50描述在缺少次级激光束的情况下在初级激光束通过激光系统10传播期间由初级激光束的不同部分经历的相对光路差异。如所示出的，初级激光束的多个部分比经历更小的光路差异的初级激光束的其他部分经历更大的光路差异。例如，初级激光束的波前的左上部分50a经受更大的光路差异，然而初级激光束的波前的左下部分50b经受更小的光路差异。如上所述，可能由于包含激光介质12和光学元件14的制造、在光学元件内的热梯度等的各种原因造成这些光路差异。
为了以抵消激光系统10内由光路差异另外引入的像差的方式来改变初级激光束的波前，可以空间调制次级激光束，使得光学元件14的经历更大的光路差异的初级激光束的部分通过其传播的那些部分经受更大强度的次级激光束，进而用于当利用激光束冷却光学元件时引起光学元件的相应部分热收缩，从而降低由初级激光束的相应部分经历的通过光学元件的光路的长度。例如，参见将空间调制的次级激光束的不同部分定义为具有或高强度或低强度的图3的网格52。如所示出的，空间调制的次级激光束的具有高强度的部分(诸如左上部分52a)位置上与经历了更大的光路差异的初级激光束的部分(诸如网格50的左上部分50a)对应。
继续上述实施例，也可以空间调制次级激光束，使得光学元件14的经历更小的光路差异的初级激光束的部分通过其传播的那些部分经受更小强度的次级激光束，进而用于引起光学元件的相应部分热收缩，从而将由初级激光束的相应部分经历的通过光学元件的光路的长度减小，基本比由次级激光束的更大强度的部分产生的光路的长度的减少小的量。例如，参见示出空间调制的次级激光束的相应部分具有低强度的图3的网格52的左下部分52b。如所示出的，空间调制的次级激光束的具有低强度的部分(诸如左下部分52b)位置上与经历了更小的光路差异的初级激光束的部分(诸如网格50的左下部分50b)对应。因此，空间调制的次级激光束以或部分或全部抵消在激光系统10内由初级激光束另外经历的光路差异的方式有效地改变通过相应光学元件不同部分的光路。然后，如图2的框40所示可输出得到的初级激光束。
空间调制的次级激光束在上述实施例中被描述为引起光学元件14的相应部分热收缩。替换地，诸如由于利用不同的波长，空间调制的次级激光束可以被配置为引起光学元件的相应部分热膨胀。在此替换实施方式中，可以控制光学元件的相应部分的热膨胀从而抵消激光系统10内由初级激光束另外经历的光路差异。
通过举例的方式，像散(astigmatism)是由m＝-1并且n＝2的Zernike多项式定义的光学运算。由于像散，初级激光束的波前在缺少次级激光源16的情况下可具有薯片分布(potato chip profile)。通过修改薯片分布(potato chip profile)的倒转中的光路差异而抵消象散的方式可控地引入光学元件14的热收缩，得到的初级激光束具有改善的波束质量同时具有更平坦的波前。
可以在以预定、固定的方式空间调制次级激光束的静态模式下操作激光系统10。在这个实施方式中，可以通过具有固定设计的校正器板实施空间光调制器18。替换地，可以时间相关的方式操作激光系统，其中以随着时间而改变的预定方式空间调制次级激光束。例如，以时间相关的方式空间调制次级激光束，空间调制以遵循激光系统的启动的预定方式改变直至激光系统到达稳定的状态操作，这时可以固定次级激光束的空间调制。
更进一步地，可以自适应的方式操作激光系统10。在这个示例性实施方式中，激光系统可以包括波前传感器20，被配置为测量初级激光束的波前。这个示例性实施方式的激光系统也包括控制器22(诸如计算机、处理器等)，其响应于波前传感器并且更具体地响应于通过波前传感器测量的初级激光束的波前。控制器被配置为基于如通过波前传感器测量的初级激光束的波前来控制通过空间光调制器18提供的次级激光束的空间调制。因此，控制器被配置为从通过波前传感器测量的初级激光束的波前来确定波前的比波前的其他部分经历更大的光路差异的那些部分。此实施方式的控制器然后相应地控制空间光调制器来调制次级激光束，从而产生具有被配置为抵消在初级激光束的波前中的光路差异的空间强度模式的空间调制的次级激光束。如图1所示，控制器也可以与次级激光源16通信，从而诸如通过控制次级激光束的波长和/或功率、通过控制次级激光束是否是持续的波或被脉冲调制等来控制次级激光源的操作。
在示例性实施方式中，波前传感器20被配置为随着时间的推移(诸如以预定频率)重复地测量初级激光束的波前。在这个示例性实施方式中，控制器22也被配置为基于通过波前传感器随着时间的推移测量的初级激光束的波前的变化来修改通过空间光调制器18提供的次级激光束的空间调制。因此，甚至当光学像差改变时，激光系统10可以调节由激光系统的光学部件引入的光学像差的变化并且可以不同地空间调制次级激光束从而抵消光学像差。
空间调制的次级激光束可以被配置为以各种方式入射在激光介质12或另一光学元件14上。在示例性实施方式中，空间调制的次级激光束与初级激光束共同传播通过激光系统10的一个或多个光学部件。在这方面，空间调制的次级激光束传播通过激光系统的多个部件，空间调制的次级激光束仅影响掺杂有被具有次级激光束的波长的光激励的掺杂剂的光学元件。代替与初级激光束共同传播通过激光系统的多个光学部件，空间调制的次级激光束可以被注入到具有涂层的单个部件(诸如反射镜、透镜等)，所述涂层用于反射具有次级激光束的波长的光而不用于反射具有初级激光束的波长的光。相反，光学部件的反射涂层可以透射具有初级激光束的波长的光。因此，空间调制的次级激光束可以被注入到光学部件并且然后通过反射表面反射出激光系统10从而仅传播通过相应光学部件而不传播通过激光系统的其他光学部件。
如所描述的，示例性实施方式的激光系统和方法引起激光介质12或另一光学元件14的相应部分热收缩或热膨胀从而相应地改变初级激光束的波前。例如，可以引起激光介质或另一光学元件的相应部分热膨胀或热收缩从而引入抵消由激光系统10另外引进的光学像差的光路差异，使得得到的初级激光束的波前具有期望的形状和波束质量，诸如通过去除轴对称的波前误差和非轴对称的波前误差两者。除了抵消光学像差并且相应地改善初级激光束的波前和波束质量之外，激光系统也可以或可替换地被配置为从系统去除大量热能或将大量热能加入系统。
虽然上述实施方式包括单个次级激光源16，但是其他实施方式的激光系统10可以包括用于生成具有相同或不同的波长的两个以上的次级激光束的两个以上的次级激光源。例如，两个以上的次级激光源可以被配置为引起激光介质12或另一光学元件14的不同部分热收缩或热膨胀。通过举例的方式但不限于，次级激光源中的一个可以被配置为引起光学元件的边缘部分热膨胀，并且另一个次级激光源可以被配置为引起光学元件的中心部分热收缩。此外或替换地，激光系统可以包括用于生成具有相同或不同的波长的两个以上的初级激光束的两个以上的激光介质。示例性实施方式的激光系统也可以包括两个以上的控制器22和/或两个以上的空间光调制器18。
在图4中描述另一个示例性实施方式。除了如上所述的激光介质62之外，这个示例性实施方式的激光系统60包括掺杂的PTR玻璃光学元件的形式的光学元件64。PTR玻璃光学元件被配置为从激光介质接收初级激光束，或直接通过一个或多个其他光学部件传播或在通过一个或多个其他光学部件传播之后。PTR玻璃光学元件可以用于各种目的。例如，在激光介质包括多个激光源的实施方式中，PTR玻璃光学元件可以被配置为将来自激光源的初级激光束结合为单个初级激光束。在这方面，PTR玻璃光学元件可以用作光栅。
为了修改PTR玻璃光学元件64的温度，该实施方式的激光系统60也可以包括被配置为产生次级激光束的次级激光源66(诸如二极管激光器)。虽然初级激光束和次级激光束可具有相同的波长，但是示例性实施方式的次级激光束具有与初级激光束的波长不同的波长。因此，在这个示例性实施方式中将初级激光束和次级激光束的波长彼此分开。这个示例性实施方式的激光系统被配置为使得次级激光束入射在PTR玻璃光学元件上。由于PTR玻璃光学元件掺杂有通过次级激光束(即，通过具有次级激光束的波长的光)激励的一种或多种掺杂剂，可以修改(诸如稳定)掺杂的PTR玻璃光学元件的温度。PTR玻璃光学元件所掺杂的掺杂剂不仅被次级激光束激励，而且相对于初级激光束的波长的光优先吸收次级激光束的波长的光。虽然PTR玻璃光学元件可以根据初级激光束和次级激光束的相对波长包括各种类型的掺杂剂，但是示例性实施方式的PTR玻璃光学元件可以包括但不限于钕(Nd)掺杂剂、铥(Tm)掺杂剂或镱(Yb)掺杂剂。
PTR玻璃光学元件64可以被均匀地掺杂有掺杂剂。在一个实施方式中(其中PTR玻璃光学元件由次级激光束从一侧辐射，使得次级激光束以次级激光束的能量穿过PTR玻璃光学元件逐渐消散的方式通过PTR玻璃光学元件传播)，PTR玻璃光学元件内的所述掺杂剂分布(dopant profile)可以被配置为是不均匀的，但是具有以抵消次级激光束的能量中的差异的方式改变的分布。例如，这个示例性实施方式的PTR玻璃光学元件在经历更大的能量的次级激光束的那些部分中的可以包括较低百分比的掺杂剂，而在经历具有较低的能量的次级激光束的那些部分中可以包括较高百分比的掺杂剂。
响应于次级激光束的入射，PTR玻璃光学元件64可以通过具有次级激光束的波长的光激励掺杂剂而相对均匀地加热或冷却。由传播穿过的初级激光束的产生的PTR玻璃光学元件的任何额外的加热或冷却与通过次级激光束引入的加热相比可以具有相对小的量。因此，初级激光束将不产生热梯度，至少不会产生几乎与在缺少由次级激光束热稳定的情况下而在PTR玻璃光学元件内产生的热梯度相同程度的热梯度。在示例性实施方式中，可以在引入初级激光束之前利用次级激光束预热PTR玻璃光学元件。一旦引入初级激光束，则可以降低次级激光束的强度和/或可以中止次级激光束。然而，由于预热，PTR玻璃光学元件的性能不会不改变或至少不改变与在引入初级激光束之后那样多。
次级激光束可以各种方式入射在PTR玻璃光学元件64上。在示例性实施方式中，次级激光束以相对均匀的方式入射在PTR玻璃光学元件上使得PTR玻璃光学元件的所有部分被均匀辐射。例如，如图5所示，PTR玻璃光学元件的一个或多个表面可以涂覆有反射表面68。在这方面，反射表面被调整从而反射具有次级激光束的波长的光，但是透射具有初级激光束的波长的光。因此，次级激光束可以一定的角度被引入到这个示例性实施方式的PTR玻璃光学元件中，使得在PTR玻璃光学元件内形成次级激光束的Z字形模式，从而更均匀地激励PTR玻璃光学元件内的掺杂剂。
因此提供包含PTR玻璃光学元件64的激光系统60和相关的方法从而通过降低或消除由PTR玻璃光学元件中的热梯度另外引入的光学像差来改善初级激光束的波前。如上所述，PTR玻璃光学元件可以包括对次级激光束做出响应的掺杂剂使得PTR玻璃光学元件对次级激光束的曝光用于修改掺杂的PTR玻璃光学元件的温度，诸如通过稳定掺杂的PTR玻璃光学元件的温度，从而改善包含PTR玻璃光学元件的激光系统的性能。
本文中阐述的公开内容的许多修改和其它方面对于本公开内容所属领域的技术人员在获知上述描述以及相关附图所呈现的教导后将会容易想到。因此，应当理解，本公开内容并不局限于所公开的特定方面，并且修改和其它方面旨在被包括在所附权利要求的范围内。虽然本文中使用了特定术语，但它们用于一般性和说明性的含义，而并非出于限制的目的。

Claims (12)

1.一种激光系统(10)，包括：
激光介质(12)，被配置为产生初级激光束；
至少一个光学元件(14)，被配置为接收所述初级激光束；
次级激光源(16)，与所述激光介质不同，被配置为产生次级激光束；以及
空间光调制器(18)，被配置为接收所述次级激光束并且空间调制所述次级激光束来产生具有强度不同的空间强度模式的空间调制的次级激光束，
其中，所述激光系统被配置为使得具有与所述初级激光束的波长不同的波长的所述空间调制的次级激光束入射在所述至少一个光学元件(14)和所述激光介质(12)中的至少一个上，其中，所述空间调制的次级激光束入射在其上的所述至少一个光学元件和所述激光介质中的至少一个包括响应于所述次级激光束的所述波长而不是响应于所述初级激光束的波长而被激励的至少一种掺杂剂，使得所述空间调制的次级激光束的入射引起所述至少一个光学元件(14)和所述激光介质(12)中的至少一个的相应部分热收缩或热膨胀，从而可控地改变所述初级激光束的波前。
2.根据权利要求1所述的激光系统(10)，其中，所述次级激光束具有与所述初级激光束不同的波长。
3.根据权利要求2所述的激光系统(10)，其中，所述至少一种掺杂剂被配置为吸收入射在其上的所述次级激光束的能量并发出具有不同波长的光。
4.根据权利要求1所述的激光系统(10)，进一步包括：
波前传感器(20)，被配置为测量所述初级激光束的所述波前；以及
控制器(22)，被配置为基于通过所述波前传感器测量的所述初级激光束的所述波前来控制通过所述空间光调制器提供的所述次级激光束的空间调制。
5.根据权利要求4所述的激光系统(10)，其中，所述波前传感器(20)被配置为随着时间的推移重复地测量所述初级激光束的所述波前，并且其中，所述控制器(22)进一步被配置为控制所述空间光调制器(18)来修改所述次级激光束的所述空间强度模式，使得所述次级激光束基于通过所述波前传感器(20)随着时间的推移所测量的所述初级激光束的所述波前的变化来可控地调节所述光学元件(14)的体积中的热能从而控制所述光学元件(14)中的热膨胀和热收缩，从而最小化所述初级激光束的所述波前中的像差或光路差异。
6.根据权利要求1所述的激光系统(10)，进一步包括：
波前传感器(20)，被配置为测量所述初级激光束的所述波前；以及
控制器(22)，被配置为基于已经测量的所述初级激光束的所述波前来控制所述次级激光源(16)的操作。
7.一种控制初级激光束的波前的方法，所述方法包括：
利用激光介质(12)生成所述初级激光束；
将所述初级激光束引导至至少一个光学元件(14)；
利用与所述激光介质不同的次级激光源生成次级激光束；
空间调制所述次级激光束来产生具有强度不同的空间强度模式的空间调制的次级激光束；以及
将具有与所述初级激光束的波长不同的波长的所述空间调制的次级激光束引导入射在所述至少一个光学元件(14)和所述激光介质(12)中的至少一个上，其中，所述空间调制的次级激光束入射在其上的所述至少一个光学元件和所述激光介质中的至少一个包括响应于所述次级激光束的所述波长而不是响应于所述初级激光束的波长而被激励的至少一种掺杂剂，使得所述空间调制的次级激光束的入射引起所述至少一个光学元件(14)和所述激光介质(12)中的至少一个的相应部分热收缩或热膨胀，从而可控地改变所述初级激光束的波前。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，生成次级激光束包括生成具有与所述初级激光束不同的波长的所述次级激光束。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一种掺杂剂被配置为吸收入射在其上的所述次级激光束的能量并发出具有不同波长的光。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
测量所述初级激光束的所述波前；以及
基于已经测量的所述初级激光束的所述波前来控制所述次级激光束的空间调制。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
随着时间的推移重复地测量所述初级激光束的所述波前；以及
修改所述次级激光束的所述空间强度模式，使得所述次级激光束基于随着时间的推移所测量的所述初级激光束的所述波前的变化来可控地调节所述光学元件(14)的体积中的热能从而控制所述光学元件(14)中的热膨胀和热收缩，从而最小化所述初级激光束的所述波前中的像差或光路差异。
12.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
测量所述初级激光束的所述波前；以及
基于已经测量的所述初级激光束的所述波前来控制次级激光源(16)的操作。
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