CN105610044A - 一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器及校正方法，属于高功率固体激光装置技术领域，包括相连接的波前校正器、波前传感器和控制器，还包括取样光路和标定光源，所述波前传感器、取样光路均对称设置在所述放大系统的输出端，所述波前校正器对称设置在所述放大系统的放大腔腔镜处，且分别作为腔镜一和腔镜二，所述波前传感器通过取样光路与所述放大系统的光路相连，所述标定光源位于所述放大系统与取样光路之间，本发明采取双波前校正器耦合控制的方法，实现同时校正双向传输放大系统两束输出激光脉冲的波前畸变，具有校正精度高、成本低的特点。

Description

一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器及校正方法

技术领域

本发明属于高功率固体激光装置技术领域，具体地说涉及一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器及校正方法。

背景技术

由于具备全面解决人类能源问题的潜力，可控核聚变技术自上世纪起便受到世界各国的广泛关注，而高功率固体激光装置正是惯性约束核聚变领域中最成熟、最理想的驱动技术。目前，正在运行或在建的高功率固体激光装置均采用“方形光束、单脉冲、腔内放大器+助推放大器、多程放大”的技术路线。由于光束在放大器内各光学元件中多次往返，期间所积累的波前畸变会对传输、倍频及能量远场集中度带来不可忽视的影响，所以，现行高功率固体激光装置中都会对波前畸变加以校正。

为了进一步提升放大器的提取效率、降低系统造价，近年来人们提出了一种“双脉冲双向传输放大”的技术路线。该放大模式使用空间上对称的两束激光脉冲沿放大系统的两个方向同时进行传输放大，令两脉冲的腔内放大器和助推放大器互补，从而实现对整个放大系统储能的高效提取。然而，两束激光脉冲在对称传输放大的过程中，经过腔镜时的顺序和次数均不相同，单台变形镜面形对两束激光脉冲波前相位分布的影响也不同。当采用一台变形镜进行校正时，两束输出激光脉冲的波前质量必然会出现差异；当使用两台以上变形镜进行校正时，不同变形镜之间的相互影响必然会影响最终的波前校正结果。目前，传统多程放大构型中的波前校正系统通常仅使用一台变形镜，即使同时使用两套以上这种系统进行波前校正，多台独立受控的变形镜之间的面形耦合问题也无法解决。因此，常见的波前校正系统无法适用于高功率固体激光装置双脉冲双向传输型放大系统。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种采取双波前校正器耦合控制的方法，实现同时校正双向传输放大系统两束输出激光脉冲的波前畸变，且校正精度高、成本低的双脉冲双向传输型放大系统波前校正器及校正方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器，包括相连接的波前校正器、波前传感器和控制器，还包括取样光路和标定光源，所述波前传感器、取样光路均对称设置在所述放大系统的输出端，所述波前校正器对称设置在所述放大系统的放大腔腔镜处，且分别作为腔镜一和腔镜二，所述波前传感器通过取样光路与所述放大系统的光路相连，所述标定光源位于所述放大系统与取样光路之间。

进一步，所述取样光路依次包括取样劈板、缩束透镜组和中性衰减片，且所述取样劈板、缩束透镜组和中性衰减片设置为同光轴结构，所述取样劈板的入射面与所述放大系统的光轴夹角为α，且80°＜α＜90°。

进一步，所述缩束透镜组依次包括透镜一和透镜二，所述透镜二的通光口径与波前传感器的有效口径匹配，所述中性衰减片的衰减倍数为1000倍以上，且取样光束经过中性衰减片后，其光强不超过1μJ，所述中性衰减片位于透镜二、波前传感器之间。

进一步，采用高功率固体激光装置的放大系统诊断包替代取样光路和波前传感器。

进一步，所述标定光源包括透镜三和标定激光器，所述标定激光器发射的标定激光脉冲与所述双脉冲的波长匹配，所述标定激光器的输出端位于透镜三的焦点处，所述透镜三与取样劈板同光轴设置。

进一步，采用高功率固体激光装置的放大系统末级空间滤波器的输出端透镜替代透镜三，且所述标定激光器的输出端位于所述末级空间滤波器的小孔处。

进一步，所述波前校正器设置为变形镜，所述变形镜、透镜一、透镜三均与所述双脉冲的传输光路匹配，所述标定激光器设置光纤激光器。

另，本发明还提供一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器的校正方法，包括如下步骤：

(1)在所述放大系统的输出端一，将标定激光器的输出端置于透镜三的焦点处，对输出端一处取样光路引入的波前误差进行标定，作为计算波前斜率的参考坐标；

(2)在所述放大系统的输出端二处，重复步骤(1)操作；

(3)撤去所述标定激光器，运行双脉冲双向传输放大系统，在保持波前校正器均不加电的情况下，利用波前传感器分别测量输出端一、输出端二输出激光脉冲的波前斜率，并分别标记为K₁、K₂；

(4)在作为腔镜二的波前校正器不加电的情况下，对作为腔镜一的波前校正器的各个驱动单元逐一施加控制电压V₁，利用波前传感器分别测量输出端一、二处输出激光脉冲的波前斜率，得出作为腔镜一的波前校正器对两束激光脉冲的响应函数矩阵D¹ ₁、D² ₁；

(5)在作为腔镜一的波前校正器不加电的情况下，对作为腔镜二的波前校正器的各个驱动单元逐一施加控制电压V₂，得出作为腔镜二的波前校正器对两束激光脉冲的响应函数矩阵D¹ ₂、D² ₂；

(6)假设经两个波前校正器校正后，输出端一、二处输出激光脉冲的波前畸变均为零，则K₁+D¹ ₁×V₁′+D¹ ₂×V₂′＝0，K₂+D² ₁×V₁′+D² ₂×V₂′＝0，得到矩阵方程：

$\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{D^1}_1& {D^1}_2\\ {D^2}_1& {D^2}_2\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_1^{\′}\\ V_2^{\′}\end{array}\right]=0,$

利用最小二乘法求解，得出V₁′和V₂′，其中，V₁′、V₂′是实际需要施加在两个波前校正器上的校正电压；

(7)将步骤(6)得到的V₁′、V₂′，分别同时施加到两个波前校正器上，利用波前传感器分别测量输出端一、二处输出激光脉冲的波前斜率K₁′、K₂′，分别比较K₁′和K₁、K₂′和K₂，确认波前校正结果是否有效。

进一步，所述控制电压V₁、V₂在变形镜驱动器的额定电压范围内取值。

进一步，所述确认波前校正结果是否有效的方法为：

所述高功率固体激光装置对波前斜率的限定标准为K，若K₁′＜K且K₂′＜K，说明波前校正结果有效；否则，说明波前校正结果无效，重复进行步骤(4)-(7)操作，直至K₁′＜K且K₂′＜K为止。

本发明的有益效果是：

1、本发明采取双波前校正器耦合控制的方法，在测量计算出两束激光脉冲的波前斜率、两个波前校正器对两束激光脉冲的响应函数的条件下，能够快速地推导出两个波前校正器的校正电压，实现同时校正双向传输放大系统两束输出激光脉冲的波前畸变。

2、本发明中波前传感器、取样光路和透镜三均可被高功率固体激光装置中已有的光学元件替代，能够避免在放大系统光路中添加额外光学元件，降低对激光装置的不利影响，同时有效降低成本。

3、本发明中所述标定激光器发射的标定激光脉冲与所述双脉冲的波长匹配，且标定激光脉冲具有较高的光束质量，同时，各元件之间、各元件与传输光路相互匹配，有助于提高校正精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2(a)是本发明实施例三中，未校正前的输出端一输出激光脉冲的波前畸变图；

(b)是本发明实施例三中，未校正前的输出端二输出激光脉冲的波前畸变图；

图3(a)是本发明实施例三中，校正后的输出端一输出激光脉冲的波前畸变图；

(b)是本发明实施例三中，校正后的输出端二输出激光脉冲的波前畸变图。

附图中：控制器1、作为腔镜一的波前校正器2、作为腔镜二的波前校正器3、输出端一处波前传感器4、输出端二处波前传感器5、放大腔6、激光脉冲一7、激光脉冲二8、取样劈板9、缩束透镜组10、透镜一101、透镜二102、中性衰减片11、标定激光器12、透镜三13、种子激光器14、注入聚焦透镜15、注入反射镜16。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器，包括相连接的波前校正器、波前传感器、控制器1，还包括取样光路和标定光源，所述波前传感器、取样光路均对称设置在所述放大系统的输出端，所述波前传感器包括输出端一处波前传感器4、输出端二处波前传感器5，所述波前校正器对称设置在所述放大系统的放大腔腔镜处，且分别作为腔镜一和腔镜二，所述波前校正器包括作为腔镜一的波前校正器2、作为腔镜二的波前校正器3，所述输出端一处波前传感器4与作为腔镜一的波前校正器2相对应，所述输出端一处波前传感器4、输出端二处波前传感器5分别通过取样光路与所述放大系统的光路相连，所述标定光源位于所述放大系统与取样光路之间。

所述取样光路依次包括取样劈板9、缩束透镜组10和中性衰减片11，且所述取样劈板9、缩束透镜组10和中性衰减片11设置为同光轴结构，所述取样劈板9位于所述放大系统的输出端，其入射面与所述放大系统的光轴夹角为α，且80°＜α＜90°，保证取样光能偏离出光轴方向，从而被波前传感器接收。

所述缩束透镜组10依次包括透镜一101和透镜二102，且透镜一101与透镜二102的焦距不同，所述透镜二102的通光口径分别与输出端一处波前传感器4、输出端二处波前传感器5的有效口径匹配，即透镜二102的通光口径≤波前传感器的有效口径，所述中性衰减片11的衰减倍数为1000倍以上，且取样光束经过中性衰减片11后，其光强不超过1μJ，所述中性衰减片11位于透镜二102、波前传感器之间。

所述标定光源包括透镜三13和标定激光器12，所述标定激光器12发射的标定激光脉冲与所述双脉冲(即激光脉冲一7、激光脉冲二8)匹配，所述标定激光器12的输出端位于透镜三13的焦点处，用于产生平行光，所述透镜三13与取样劈板9同光轴设置，所述标定激光器12设置为光纤激光器，用以产生较高光束质量的标定激光脉冲。

所述作为腔镜一的波前校正器2、作为腔镜二的波前校正器3均设置为变形镜，所述变形镜、透镜一101、透镜三13均与双脉冲的传输光路匹配，所述变形镜的形状、口径、驱动器分布与传输光路匹配，所述透镜一101、透镜三13的通光口径不小于激光脉冲一7、激光脉冲二8的光束口径，所述标定激光器12发射的标定激光脉冲与激光脉冲一7、激光脉冲二8的波长匹配，同时，各元件之间、各元件与传输光路相互匹配，有助于提高校正精度。

高功率固体激光装置一般都配备专门的诊断系统，可以直接对输出光束进行取样，另外，高功率固体激光装置放大系统的末端输出位置设置有空间滤波器，因此，当所述双脉冲双向传输型放大系统应用于高功率固体激光装置时，采用所述激光装置的放大系统诊断包替代取样光路、输出端一处波前传感器4和输出端二处波前传感器5，采用所述激光装置的放大系统末级空间滤波器的输出端透镜替代透镜三13，且所述标定激光器12的输出端位于所述末级空间滤波器的小孔处，能够避免在放大系统光路中添加额外光学元件，降低对激光装置的不利影响，同时有效降低成本。

实施例二：

如图1所示，所述一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器的校正方法，包括如下步骤：

(1)在所述放大系统的输出端一，将标定激光器12的输出端置于透镜三13的焦点处，对输出端一处取样光路引入的波前误差进行标定，作为后续操作中计算波前斜率的参考坐标；

(2)在所述放大系统的输出端二处，将标定激光器12的输出端置于透镜三13的焦点处，对输出端二处取样光路引入的波前误差进行标定，作为后续操作中计算波前斜率的参考坐标；

(3)撤去所述标定激光器12，运行双脉冲双向传输放大系统，在保持波前校正器均不加电的情况下，利用波前传感器分别测量输出端一、输出端二输出激光脉冲的波前斜率，并分别标记为K₁、K₂；

(4)在所述作为腔镜二的波前校正器3不加电的情况下，对作为腔镜一的波前校正器2的各个驱动单元逐一施加控制电压V₁，利用波前传感器分别测量输出端一、输出端二输出激光脉冲的波前斜率，得出作为腔镜一的波前校正器2对两束激光脉冲的响应函数矩阵D¹ ₁、D² ₁；

(5)在所述作为腔镜一的波前校正器2不加电的情况下，对作为腔镜二的波前校正器3的各个驱动单元逐一施加控制电压V₂，利用波前传感器分别测量输出端一、输出端二输出激光脉冲的波前斜率，得出作为腔镜二的波前校正器3对两束激光脉冲的响应函数矩阵D¹ ₂、D² ₂；

(6)假设经两个波前校正器校正后，输出端一、二处输出激光脉冲的波前畸变均为零，则K₁+D¹ ₁×V₁′+D¹ ₂×V₂′＝0，K₂+D² ₁×V₁′+D² ₂×V₂′＝0，得到矩阵方程：

$\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{D^1}_1& {D^1}_2\\ {D^2}_1& {D^2}_2\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V}_1^{\′}\\ V_2^{\′}\end{array}\right]=0,$

利用最小二乘法求解，得出V₁′和V₂′，其中，V₁′、V₂′是实际需要施加在两个波前校正器上的校正电压；

(7)将步骤(6)得到的V₁′、V₂′，分别同时施加到两个波前校正器上，利用波前传感器分别测量输出端一、二处输出激光脉冲的波前斜率K₁′、K₂′，所述高功率固体激光装置对波前斜率的限定标准为K，若K₁′＜K且K₂′＜K，说明波前校正结果有效；否则，说明波前校正结果无效，重复进行步骤(4)-(7)操作，直至K₁′＜K且K₂′＜K为止。

所述控制电压V₁、V₂在变形镜驱动器的额定电压范围内取值，且待校正的波前畸变越大，则所述控制电压V₁、V₂值也越大。

采取双波前校正器耦合控制的方法，在测量计算出两束激光脉冲的波前斜率、两个波前校正器对两束激光脉冲的响应函数的条件下，能够快速地推导出两个波前校正器的校正电压，实现同时校正双向传输放大系统两束输出激光脉冲的波前畸变。

实施例三：

本实施例与实施例一、二相同的部分不再赘述，不同的是：

本实施例对高功率固体激光装置进行波前校正，作为优选，α＝85°，中性衰减片的衰减倍数为1500倍。在所述放大系统的末级空间滤波器处分别设置种子激光器14，用于向所述放大系统内注入双脉冲，激光脉冲一7、激光脉冲二8分别经注入聚焦透镜15聚焦后，被注入反射镜16反射到所述末级空间滤波器的小孔处形成点光源，然后进入放大腔6内，所述激光脉冲一7、激光脉冲二8的波长为1053nm，其光束口径为360×360mm。

将所述标定激光器12的输出端置于所述末级空间滤波器的小孔处，并且采用放大系统诊断包替代取样光路和波前传感器，采用所述末级空间滤波器的输出端透镜替代透镜三13，所述标定激光脉冲的波长为1053nm，另外，所述种子激光器14也可代替标定激光器12，只需调整所述注入反射镜16的方向，促使激光脉冲一7、激光脉冲二8分别向取样劈板9处传播即可。

所述变形镜的口径为400×400mm、其驱动器的额定电压范围为0-1000V，所述透镜一101的通光口径为400×400mm，透镜二102的通光口径为40×40mm，透镜三13的通光口径为400×400mm，输出端一、二处输出激光脉冲的光束口径为5×5mm，波前传感器的有效口径为10×10mm。

首先，测得所述输出端一处输出激光脉冲的波前斜率K₁，通过相应的波前重构算法得到波前信息，如图2(a)所示，得出校正前输出端一处激光脉冲的波前畸变为6.35μm，同理得出校正前输出端二处激光脉冲的波前畸变为6.46μm，如图2(b)所示；

其次，所述控制电压V₁、V₂在0-1000V内取值，得出响应函数矩阵D¹ ₁、D² ₁、D¹ ₂、D² ₂，利用最小二乘法求解，得出V₁′和V₂′，进而测得输出端一处激光脉冲的波前斜率K₁′，且K₁′＜K，通过相应的波前重构算法得到波前信息，如图3(a)所示，得出校正后输出端一处激光脉冲的波前畸变为0.41μm，同理测得输出端二处激光脉冲的波前斜率K₂′，且K₂′＜K，得出校正后输出端二处激光脉冲的波前畸变为0.33μm，如图3(b)所示；

再次，将图2与图3进行对比，可以得出：经校正后，输出端一、二处输出激光脉冲的波前畸变明显小于未校正前的波前畸变，并且K₁′、K₂′均符合波前斜率K的限定要求，说明波前校正结果有效。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器，包括相连接的波前校正器、波前传感器和控制器，其特征在于：还包括取样光路和标定光源，所述波前传感器、取样光路均对称设置在所述放大系统的输出端，所述波前校正器对称设置在所述放大系统的放大腔腔镜处，且分别作为腔镜一和腔镜二，所述波前传感器通过取样光路与所述放大系统的光路相连，所述标定光源位于所述放大系统与取样光路之间。

2.根据权利要求1所述的一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器，其特征在于：所述取样光路依次包括取样劈板、缩束透镜组和中性衰减片，且所述取样劈板、缩束透镜组和中性衰减片设置为同光轴结构，所述取样劈板的入射面与所述放大系统的光轴夹角为α，且80°＜α＜90°。

3.根据权利要求2所述的一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器，其特征在于：所述缩束透镜组依次包括透镜一和透镜二，所述透镜二的通光口径与波前传感器的有效口径匹配，所述中性衰减片的衰减倍数为1000倍以上，且取样光束经过中性衰减片后，其光强不超过1μJ，所述中性衰减片位于透镜二、波前传感器之间。

4.根据权利要求3所述的一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器，其特征在于：采用高功率固体激光装置的放大系统诊断包替代取样光路和波前传感器。

5.根据权利要求4所述的一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器，其特征在于：所述标定光源包括透镜三和标定激光器，所述标定激光器发射的标定激光脉冲与所述双脉冲的波长匹配，所述标定激光器的输出端位于透镜三的焦点处，所述透镜三与取样劈板同光轴设置。

6.根据权利要求5所述的一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器，其特征在于：采用高功率固体激光装置的放大系统末级空间滤波器的输出端透镜替代透镜三，且所述标定激光器的输出端位于所述末级空间滤波器的小孔处。

7.根据权利要求6所述的一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器，其特征在于：所述波前校正器设置为变形镜，所述变形镜、透镜一、透镜三均与所述双脉冲的传输光路匹配，所述标定激光器设置光纤激光器。

8.一种采用权利要求1-7任意一项所述的双脉冲双向传输型放大系统波前校正器的校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在所述放大系统的输出端一，将标定激光器的输出端置于透镜三的焦点处，对输出端一处取样光路引入的波前误差进行标定，作为计算波前斜率的参考坐标；

(2)在所述放大系统的输出端二处，重复步骤(1)操作；

(3)撤去所述标定激光器，运行双脉冲双向传输放大系统，在保持波前校正器均不加电的情况下，利用波前传感器分别测量输出端一、输出端二输出激光脉冲的波前斜率，并分别标记为K₁、K₂；

(4)在作为腔镜二的波前校正器不加电的情况下，对作为腔镜一的波前校正器的各个驱动单元逐一施加控制电压V₁，利用波前传感器分别测量输出端一、二处输出激光脉冲的波前斜率，得出作为腔镜一的波前校正器对两束激光脉冲的响应函数矩阵D¹ ₁、D² ₁；

(5)在作为腔镜一的波前校正器不加电的情况下，对作为腔镜二的波前校正器的各个驱动单元逐一施加控制电压V₂，得出作为腔镜二的波前校正器对两束激光脉冲的响应函数矩阵D¹ ₂、D² ₂；

(6)假设经两个波前校正器校正后，输出端一、二处输出激光脉冲的波前畸变均为零，则K₁+D¹ ₁×V₁′+D¹ ₂×V₂′＝0，K₂+D² ₁×V₁′+D² ₂×V₂′＝0，得到矩阵方程：

$\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{D^1}_1& {D^1}_2\\ {D^2}_1& {D^2}_2\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{V_1}^{\′}\\ {V_2}^{\′}\end{array}\right]=0,$

利用最小二乘法求解，得出V₁'和V₂'，其中，V₁'、V₂'是实际需要施加在两个波前校正器上的校正电压；

(7)将步骤(6)得到的V₁'、V₂'，分别同时施加到两个波前校正器上，利用波前传感器分别测量输出端一、二处输出激光脉冲的波前斜率K₁'、K₂'，分别比较K₁'和K₁、K₂'和K₂，确认波前校正结果是否有效。

9.根据权利要求8所述的一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器的校正方法，其特征在于：所述控制电压V₁、V₂在变形镜驱动器的额定电压范围内取值。

10.根据权利要求9所述的一种双脉冲双向传输型放大系统波前校正器的校正方法，其特征在于：所述确认波前校正结果是否有效的方法为：

所述高功率固体激光装置对波前斜率的限定标准为K，若K₁'＜K且K₂'＜K，说明波前校正结果有效；否则，说明波前校正结果无效，重复进行步骤(4)-(7)操作，直至K₁'＜K且K₂'＜K为止。