CN107112713B - 一种用于生成大激光功率的方法及激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生成大激光功率的方法及系统。根据本发明，多个基本激光束(f_i)被生成，其相位通过实现相位对比滤波设备(8)的矩阵方程的电光反馈回路(6，7i，8i，9)来进行调节。

Description

一种用于生成大激光功率的方法及激光系统

技术领域

本发明涉及一种用于生成大激光功率的方法及激光系统。

背景技术

众所周知，为了生成大激光功率，首先，可生成多个基本激光束，然后，在一定距离处整体(puis utiliser en blocàdistance)使用该多个基本激光束或者将因此生成的激光束聚集在一起以获得激光功率，基本光束的数量越多，总的激光功率越大。

然而，为了使得所获得的激光功率能够最佳，对于基本激光束而言，具有相同的发射频率和相同的相位很重要。然而，特别地因为所述基本激光束不能严格地遵循相同的路径，所以在所述基本激光束之间出现相位差。

为了解决该相位差问题，现有文献EP 2649688描述了一种用于通过将多个发射频率相同但相位不同的基本激光束组合在一起生成大功率激光束的方法，该方法的区别在于：

-通过相位对比空间滤波将每一个基本光束的相对相位转换成光强度水平；

-将与所述基本激光束分别对应的所述光强度水平转换成相位校正值；以及

-将所述相位校正值分别施加到所述基本激光束；

在该文献EP 2649688中，在所述基本激光束每次连续通过时，通过所述振荡器在激光振荡器本身内对每个基本激光束的相位进行迭代调整。因此，在每个基本激光束向稳态(其中在稳态，基本激光束具有其额定功率)收敛的同时，所有基本激光束一起向全局稳态收敛，其中在该全局稳态，所有基本激光束不仅具有其额定功率，而且具有相对于彼此经完全调节的相位，以使它们后续的组合特别有效。

发明内容

本发明的目的是使得能够根据“相位差-振幅差”、然后根据“振幅差-待施加到基本激光束的相移”的转换的迭代过程，在包括多个频率相同的基本激光束的任何类型的激光器结构中，特别地在已知的采用被分成多个基本激光束的主激光束的MOPA架构(参见例如US 6366356)中实现一种用于对基本激光束相位进行光电调整的方法。

为此，根据本发明，提供了一种用于生成大激光功率的方法，所述大激光功率通过多个频率相同但相位不同的基本激光束被生成，根据该方法：

·通过应用矩阵方程M的相位对比滤波将所述基本激光束中的每一个的相对相位转换成光强度水平；

·将获得的针对所述基本激光束中的每一个的光强度水平转换成相位校正值；以及

·将所述相位校正值分别施加到所述基本激光束，

其特征在于：

a)从所述基本激光束分别提取构成复数光场的激光束部分，所述激光束部分(p_i)构成复数光场(A_i)，所述复数光场(A_i)具有分别与所述激光束部分(p_i)源自的所述基本激光束(f_i)相同的相对相位并且其中，由所述基本激光束部分p_i构成的复数光场(A_i)形成的集合A根据矩阵方程B＝MA被相位对比滤波，以形成与激光束部分的经滤波部分对应的经滤波的复数光场的集合B；

b)确定由所述激光束部分在滤波前形成的复数场的强度；

c)确定由所述激光束部分在滤波后形成的复数场的强度；

d)考虑以下理想情况：基本激光束的全部相对相位是相同的，复数集合A成为仅由在步骤b)确定的强度形成的纯实数集合A_理想，并且通过矩阵方程B_理想＝MA_理想计算对应的经滤波的集合B_理想，以确定在该理想的情况下经滤波的复数场的相应的相位；

e)在步骤d)计算的相位归因于经滤波的复数场，以形成理论上经滤波的集合B_t，并且通过逆矩阵方程A_t＝M^-1B_t计算相应的滤波前的理论集合A_t，以确定构成该滤波前的理论集合A_t的复数光场的相位；以及

f)对所述理论集合A_t的相位的符号取反并将这些符号取反的相位用作相位校正值。

因此，借助于本发明，为了将目标的相对相位固定到一组激光场，形成了光电反馈回路。该光电反馈回路使得能够进行快速的相位收敛而不干扰激光发射。

相位校正修改了经滤波的光束的强度。接下来，迭代进行步骤c)、d)、e)和f)直到获得所述激光束所需的同相水平，或者连续地执行步骤c)、d)、e)和f)以连续地补偿由干扰产生的任何相位缺陷。

有利地，相位校正值可以通过大于或等于1的乘法系数进行加权，以优化同相速度。

可以通过预先的操作、或者连续地确定由所述激光束部分在滤波前形成的复数场的强度。

特别地，当所述基本激光束通过分离主激光束(MOPA结构)而产生时，在所述激光束部分被提取之前对这些基本激光束进行放大是有利的。

本发明还涉及一种用于生成大激光功率的系统，所述大激光功率通过多个频率相同但相位不同的基本激光束f_i被生成，该系统包括：

相位对比滤波设备，根据矩阵方程M将所述基本激光束的相对相位转换成光强度水平；

转换装置，用于将所述光强度水平转换成相位校正值；以及

相位调制器，用于将所述相位校正值施加到所述基本激光束，

其特征在于：

所述系统包括分束装置，该分束装置用于从所述基本激光束中提取激光束部分；

相位对比滤波设备被放置在所述激光束部分的路径上；

所述系统包括检测装置，该检测装置用于检测分别在所述相位对比滤波设备的上游和下游的所述激光束部分的强度；以及

所述系统包括连接到所述检测装置的计算装置，该计算装置用于计算构成滤波前的所述理论集合A_t的复数光场的相位，以及通过对所述相位的符号取反并将符号取反的相位作为相位校正值施加到所述相位调制器上。

优选地，根据本发明的所述系统包括用于放大所述基本光束的放大装置，这些放大装置被放置在所述相位调制器和提取所述基本激光束部分的所述分束装置之间。

根据本发明的系统还可以包括激光振荡器和分束器，激光振荡器生成主激光束，分束器根据所述主激光束生成所述基本激光束。

附图说明

附图中的图示将对如何实现本发明给出清楚地理解。在这些图中，相同的标记指代相似的元件。

图1为根据本发明的激光系统的实施例的方框图；

图2示意地示出了用于将相位转换成光强度水平的相位对比光学系统的实施例；

图3和图4分别以平面图和横截面示出了用于图2的光学系统的滤光元件的实施例；

图5和图6示意地示出了图3和图4的滤波元件的动作。

具体实施方式

图1中示意示出的根据本发明的激光系统包括发射主激光束F_m的激光振荡器1。主激光束F_m通过分束器2被分成多个基本激光束f_i(其中，i＝1，2，...，n)，该多个基本激光束f_i具有与主激光束F_m相同的发射频率。然而，该多个基本激光束f_i特别地由于本身的路径差异，而具有不同的相位。

在通过各自的放大器3.i进行放大之后，基本激光束f_i无相移地通过分束器4.i，分束器4.i首先允许所述基本光束f_i的大多数到达所述激光系统的各自的出口5.i，其次，从所述基本激光束f_i分别提取激光束部分p_i。

根据本发明，图1的激光系统包括电光同相反馈回路，其包括：

-相位对比滤光系统6，接收多个激光束部分p_i，该多个激光束部分p_i由分束装置4.i从基本激光束f_i分别提取并且具有分别与基本激光束f_i的相位差相同的相位差，所述滤波系统6将激光束部分p_i各自的相对相位转换成光强度水平ΔI_i；

-光电二极管7.i，在所述激光束部分p_i被系统6滤波前分别捕获所述激光束部分p_i的强度a_i；

-光电二极管8.i，在所述激光束部分p_i被系统6滤波后分别捕获所述激光束部分p_i的强度b_i；

-计算机9，分别接收光电二极管7.i的强度a_i和光电二极管8.i的强度b_i并计算用于基本激光束f_i的相位校正值；以及

-相位调制器10.i，分别被插入基本激光束f_i的在放大器3.i的上游的路径中，用于将从计算机9接收的相位校正值施加到所述基本激光束。

如图2所示，将基本激光束f_i(通过分束器4.i提取的部分p_i)的相位分别转换成光强度水平的相位对比滤光系统6包括一对透镜(或凹镜)11a和11b，该对透镜11a和11b设置成使得透镜11b的像方焦平面与透镜11a的物方焦平面一致，以使得形成无焦光学系统，同时将滤光片12放置在分别为透镜11b的像方平面和透镜11a的物方平面的焦平面上，以使其在如此形成的无焦光学系统的轴线上对齐。

相位对比滤光系统6使得能够在滤光片12上显示激光束部分p_i的空间频谱，通过图3和图4对滤光片12的结构进行了更精确地描述。该空间滤光片12根据更特别地在显微镜领域已知的相位对比成像技术得到。该滤光片12具有例如两个区域：分别为中心区域12a和外围区域12b，其光学特性依据相位差和衰减而不同，以使得在透镜11b的像方焦平面中，根据所有光束p_i的平均相位和所讨论的激光束p_i之间的相位差给通过波光片12的n个激光束p_i的每一个施加差分衰减。

如图3或图4所示，滤光片12可以包括：

-下相移层13，其范围覆盖中心区域12a和外围区域12b，并且在所述中心区域12a处具有附加的凹部，以及

-上振幅衰减层14，其范围与外围区域12b一致。

执行所需相移的下层13可以由刻蚀在其中心部分的高光学性能的玻璃板形成。参与每个基本激光束(仅所述光束的外围部分)的振幅的局部衰减的上层14可以通过介电层的适当沉积形成。

在变型中，滤光片12可以由单层形成，该单层的形式和范围与下层13的形式和范围类似，并且该单层的光学特性适用于衰减和相移每个基本光束。为此，可以例如进行适当的介电处理。

滤光片12因此使得：

-如图5(示出了滤光片12沿其纵向范围的透明度水平的轮廓的示例)所示，能够相对于每个基本激光束的中心部分的振幅(透明度T2)衰减每个基本激光束的外围部分的振幅(透明度T1)(透明度T2大于T1)，以及

-如图6(示出了滤光片12沿其纵向范围的相位差水平的轮廓的示例)所示，能够在每个基本激光束的外围部分(相位差ΔΦ1)和中心部分(相位差ΔΦ2大于ΔΦ1)之间引进相位差。

综上所述，将易于理解：

-滤波器6上游(即滤波前)的各激光束部分p_i构成n个复数光场A_i的集合A，复数光场A_i具有分别与基本激光束f_i的相对相位相同的相对相位并具有强度a_i。

-滤波器6下游(即滤波后)的各激光束部分p_i构成n个复数光场B_i的集合B，该复数光场B_i具有分别表示所述相对相位的光强度水平b_i，以及

-相位对比滤波系统6建立复数光场A_i的集合A和复数光场B_i的集合B之间的矩阵方程，该矩阵方程由复数矩阵M来限定，已知由所述滤波系统6构建并集成在计算机9中，以使得通过矩阵乘积B＝MA由复数场A_i得出经滤波的复数场B_i。

光电二极管7.i通过之前的测量或连续的测量将复数场A_i的模的平方发送给计算机9，计算机9由此得知激光束部分p_i在滤波前的强度a_i。

知道这些强度a_i并将同相所寻求的目的为所有相位应该相等这一事实考虑在内，则应考虑然后已知的理想的纯实数集合A_理想。为了该理想的集合A_理想，计算机9然后可以通过矩阵乘积B_理想＝MA_理想计算理想的经滤波的场B_理想，并由此得出相应的经滤波的复数场的模和相位

此外，光电二极管8.i将复数场B_i的模的平方发送给计算机9，计算机9由此得知激光束部分p_i在滤波后的强度b_i。

根据本发明，计算机9将理想集合B_理想的相位分配给这些已知强度为b_i的复数场B_i，以形成理论上经滤波的复数集合B_t，并且通过逆矩阵乘积A_t＝M^-1B_t计算相应的滤波前的复数理论集合A_t。因此，该计算使得能够确定构成理论集合A_t的复数光场的相位

计算机9对相位的符号取反并将相位校正值-分别施加到相位调制器10.i上。

在最后一步，即修改滤波后的强度b_i的测量值，重复进行以下步骤：测量模b_i、计算A_t＝M^-1B_t以及施加相位校正值-直到获得所需的同相水平。

在变型中，可以连续执行上述这些步骤，以便连续地补偿由干扰产生的任何相位缺陷。

图1中的激光系统的所有出口5.i(分别出现在同相后的基本激光束f_i处)形成功率高、亮度大的复合激光源5。可以按照实际情况使用该复合激光源5，例如使得照亮对一组光束f_i而言足够远的目标从而能够被认为形成了单一激光束。

在变型中，能够以已知的方式提供一种组合设备(未示出)，将出现在出口5.i的基本激光束f_i发送给该组合设备，并且该组合设备能够组合所述基本激光束f_i以形成功率高、亮度大的单一激光束。

在又一变型中，能够通过将校正值施加到相位调制器10.i上来将加权系数(大于或等于1的正实数)分配给相位校正值-从而优化同相速度。

Claims (11)

1.一种用于生成大激光功率的方法，所述大激光功率通过多个频率相同但相位不同的基本激光束(f_i)被生成，根据所述方法：

-通过应用函数矩阵方程M的相位对比滤波将所述基本激光束(f_i)中的每一个的相对相位转换成光强度水平(ΔI_i)；

-将获得的针对所述基本激光束(f_i)中的每一个的所述光强度水平(ΔI_i)转换成相位校正值以及

-将所述相位校正值分别施加到所述基本激光束(f_i)，

其特征在于：

a)从所述基本激光束(f_i)分别提取激光束部分(p_i)，所述激光束部分(p_i)构成复数光场(A_i)，所述复数光场(A_i)具有分别与所述激光束部分(p_i)源自的所述基本激光束(f_i)相同的相对相位并且其中，由所述基本激光束部分(p_i)构成的复数光场(A_i)形成的集合A根据矩阵方程B＝MA被相位对比滤波，以形成与所述激光束部分(p_i)的经滤波部分对应的经滤波的复数光场(B_i)的集合B；

b)确定由所述激光束部分(p_i)在滤波前形成的所述复数光场(A_i)的强度(a_i)；

c)确定由所述激光束部分(p_i)在滤波后形成的复数光场(B_i)的强度(b_i)；

d)考虑以下理想情况：所述基本激光束(f_i)的全部相对相位是相同的，所述复数集合A成为仅由在步骤b)确定的所述强度(a_i)形成的纯实数集合A_理想，并且通过矩阵方程B_理想＝MA_理想计算相应的经滤波的集合B_理想，以确定在该理想情况下经滤波的复数光场的相应的相位(θ_i)；

e)在步骤d)计算的所述相位(θ_i)归因于所述经滤波的复数光场(B_i)，以形成理论上经滤波的集合B_t，并且通过逆矩阵方程A_t＝M^-1B_t计算相应的滤波前的理论集合A_t，以确定构成所述滤波前的理论集合A_t的复数光场的相位以及

f)对理论集合A_t的所述相位的符号取反并将所述符号取反的相位用作相位校正值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，迭代进行步骤c)、d)、e)和f)直到获得所述基本激光束(f_i)所需的同相水平。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，连续地执行步骤c)、d)、e)和f)以连续地补偿由干扰产生的任何相位缺陷。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，连续地确定由所述激光束部分(p_i)在滤波前形成的所述复数光场(A_i)的强度(a_i)。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在预先的操作期间确定由所述激光束部分(p_i)在滤波前形成的所述复数光场(A_i)的强度(a_i)。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述基本激光束(f_i)在所述激光束部分(p_i)被提取之前被放大。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基本激光束(f_i)通过分离主激光束(F_m)而产生。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述相位校正值通过大于或等于1的乘法系数进行加权。

9.一种用于生成大激光功率的系统，所述大激光功率通过多个频率相同但相位不同的基本激光束(f_i)被生成，所述系统包括：

相位对比滤波设备(6)，根据矩阵方程M将所述基本激光束的相对相位转换成光强度水平(ΔI_i)；

转换装置(9)，用于将所述光强度水平(ΔI_i)转换成相位校正值以及

相位调制器(10.i)，用于将所述相位校正值施加到所述基本激光束(f_i)，

其特征在于：

所述系统包括分束装置(4.i)，所述分束装置(4.i)用于从所述基本激光束(f_i)中提取激光束部分(p_i)；

所述相位对比滤波设备(6)被放置在所述激光束部分(p_i)的路径上；

所述系统包括检测装置(7.i和8.i)，所述检测装置(7.i和8.i)用于检测分别在所述相位对比滤波设备(6)的上游和下游的所述激光束部分(p_i)的强度；以及

所述系统包括连接到所述检测装置(7.i和8.i)的计算装置(9)，所述计算装置(9)用于计算构成滤波前的理论集合A_t的复数光场的相位以及通过对所述相位的符号取反并将符号取反的相位作为相位校正值施加到所述相位调制器(10.i)上。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于放大所述基本激光束(f_i)的装置(3.i)，并且所述放大装置(3.i)被放置在所述相位调制器(10.i)和提取所述激光束部分(p_i)的所述分束装置(4.i)之间。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统包括振荡器(1)和激光分束器(2)，所述振荡器(1)生成主激光束(F_m)，所述激光分束器(2)根据所述主激光束(F_m)生成所述基本激光束(f_i)。