CN107302171A - 一种激光光束的波前净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光光束的波前净化方法，所述方法包括：将半导体制冷器贴合在光学材料上；通过调整半导体制冷器的温度改变光学材料中的折射率场分布，以使当带有波前畸变的激光光束通过光学材料时，得到净化的激光光束。由于光学材料的折射率随温度变化的特性，当激光束通过该光学材料后，对应光学材料不同位置处光程会形成差异，通过对光程差的控制从而实现对激光波前的控制，即实现对激光波前畸变的补偿，能够解决激光在通过板条后激光光束质量退化的问题。

Description

一种激光光束的波前净化方法

技术领域

本发明涉及激光光束净化技术领域，特别涉及一种激光光束的波前净化方法。

背景技术

高功率板条固体激光器研制中，除了需要提升功率/能量的技术方案，还必须研究光束控制与提高光束质量的问题，具有高功率高光束质量的激光才能满足实际应用的需要。在实际工作中，高功率激光系统输出的激光都有振幅调制和相位畸变，理论和实验研究都证明，对于远场光束质量来说，相位畸变是主要影响因素。激光束通过具有一定温度分布的激光增益介质或非理想的光学系统后，其波前会发生畸变，这种波前畸变通常会随着激光输出功率的增加而变得更加严重。

高功率板条固体激光器激光波前的畸变中一般包含热透镜效应等因素引起的低阶畸变和温度不均匀分布、衍射等因素引起的高阶畸变，低阶畸变可以利用柱面镜等光学元件进行修正或补偿，高阶畸变目前基本采用主要由变形镜组成的自适应光学系统进行净化，这项技术通常用来净化大气扰动引起的相差，用于高功率固体激光系统中也获得了成功，但是随高功率固体激光技术的发展，激光器的输出功率越来越高，影响的波前畸变也越来越大，变形镜系统遇到了一些难以逾越的障碍，一是分辨率不够，受到技术水平所限，用于高功率激光波前净化的变形镜致动器间距较大(目前国内用于高功率激光波前净化的变形镜致动器最小间距为8mm)，而高阶像差的变化非常复杂，一般都超出了变形镜的净化能力范围，这种情况下的净化效果较差。二是行程量小，受变形镜材料限制，变形镜面形不能在大范围内变化，通常的最大行程在10μm左右，而高功率固体激光系统中如果要提高激光输出功率激光光束就要通过更长的增益介质，相应的会产生很大的波前畸变，这就经常会超出变形镜的行程范围，因此反过来制约了激光功率的进一步提高。

除了以变形镜为代表的反射式波前净化器之外，还有透射式的波前净化器，其中主要有衍射光学元件和透射式液晶空间光调制器。衍射光学元件是利用了光的波动性，在一片光学材料的基底上做出许多台阶状的亚微米、微米量级的微结构，当光投射到这些带有浮雕结构的器件表面时，波前受到调制，进而实现某些光学功能。主要优点是这种元件是纯相位型的，有极高的衍射效率，不仅能够产生任何形式的波前，而且还能对光波波前进行变换和净化；可以大量复制；实现系统轻型化、集成化。但其用于高功率激光光束净化时需要准确测量出激光束波前然后再进行光学加工，这就使得其要求激光束有非常好的稳定性和重复性，否则波前净化能力大幅度降低，由于实际工作中高功率固体激光器的调试和元器件更换等改变是不可避免的，所以激光波前难以保持不变，所以这种方法目前很少用于高功率固体激光光束波前的净化。液晶光调制器是以电写入液晶空间光调制器为核心，结合滤波、CCD采集、监视器及计算机组成的实时、可调控的激光光束空间整形系统。它由两偏振片夹一液晶显示层构成,通过液晶分子的旋光偏振性和双折射性来实现对入射光束的波面振幅和相位的调制，即其光学调制特性主要是旋光偏振性和双折射性。通过设置不同的偏振片的相对偏振方位，改变加在液晶像素上的电压，可获得相应液晶空间光调制器的调制模式与调制特性曲线。现在最通行的电寻址液晶空间光调制器是薄膜晶体管透射阵列式液晶电视，这种电寻址液晶空间光调制器能方便地与计算机接口，在设定的光学调制模式下，实现相应的单元像素的振幅或相位的调制。其优点是实时可控的净化波前，缺点是激光损伤阈值较低，仅适用于高功率激光系统前级，但由于高功率激光系统波前畸变主要产生于放大级，如果采用预控制技术的话有会遇到孔径限制等难题，所以液晶空间光调制器目前也较少用于高功率激光系统中。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种激光光束的波前净化方法，能够解决激光在通过板条后激光光束质量退化的问题，保证激光功率不变的同时也能够满足光束质量的要求，减小因激光器散热不均匀导致的热致波前畸变和热致双折射效应，提高激光光束质量。

本发明提供了一种激光光束的波前净化方法，包括：

将半导体制冷器贴合在光学材料上；

通过调整所述半导体制冷器的温度改变所述光学材料中的折射率场分布，以使当带有波前畸变的激光光束通过所述光学材料时，得到净化的激光光束。

具体的，所述调整所述半导体制冷器的温度包括以下步骤：

通过温度控制单元控制所述半导体制冷器的温度，当带有波前畸变的激光光束通过所述光学材料时得到补偿后的波前畸变；

采集所述补偿后的波前畸变，当所述补偿后的波前畸变达不到净化的激光光束的要求时，根据所述补偿后的波前畸变的特点得到所述半导体制冷器下一次需要达到的温度；

继续通过温度控制单元控制所述半导体制冷器的温度为下一次需要达到的温度并采集补偿后的波前畸变，直到当补偿后的波前畸变达到净化的激光光束的要求。

更加具体的，在所述采集补偿后的波前畸变之前还包括：

对所述补偿后的波前畸变进行分光。

作为本发明进一步的实施方案，本发明所述的激光光束的波前净化方法，还包括以下步骤：

当所述补偿后的波前畸变为净化的激光光束时，通过温度传感器探测并显示所述半导体制冷器的温度。

进一步的，所述通过调整所述半导体制冷器的温度改变所述光学材料中的折射率场分布，包括：

通过温度控制单元控制所述半导体制冷器的温度为所述温度传感器探测并显示的温度。

具体的，所述半导体制冷器贴合在导热铜块上，所述导热铜块通过导热脂贴合在所述光学材料上，所述温度传感器放置在所述导热铜块内。

具体的，在本发明的激光光束的波前净化方法中所述温度控制单元用于控制一个半导体制冷器的温度，或用于控制由几个半导体制冷器构成的半导体制冷器组的温度。

具体的，所述光学材料的出射面和入射面上均设有光学膜或/和增透膜。

具体的，将半导体制冷器贴合在除所述出射面和所述入射面的光学材料的表面。

作为本发明的另一实施方案，本发明所述的激光光束的波前净化方法，还包括以下步骤：

通过改变所述半导体制冷器在所述光学材料上的排布方式，改变所述光学材料中的折射率场分布。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的激光光束的波前净化方法，使激光通过一块表面贴有半导体制冷器的光学材料，通过对半导体制冷器的温度控制改变光学材料内的温度场分布，由于光学材料的折射率随温度变化的特性，当激光束通过该光学材料后，对应光学材料不同位置处光程会形成差异，通过对光程差的控制从而实现对激光波前的控制，即实现对激光波前畸变的补偿，能够解决激光在通过板条后激光光束质量退化的问题，保证激光功率不变的同时也能够满足光束质量的要求，减小因激光器散热不均匀导致的热致波前畸变和热致双折射效应，提高激光光束质量。

附图说明

图1是本发明实施例的激光光束的波前净化方法的流程图；

图2是本发明实例1中导热铜块的结构示意图；

图3是本发明实例1中TEC单元的结构示意图；

图4是本发明实例2中激光光束的波前净化系统的结构示意图及光路图；

图5是本发明实例2中TEC单元的排布方式示意图；

图6是本发明实例3中激光光束的波前净化系统的结构示意图及光路图；

图7是本发明实例3中TEC单元的排布方式的侧视图；

图8是本发明实例3中TEC单元在光学材料一侧的排布方式示意图；

图9是本发明实例3中TEC单在光学材料另一侧的排布方式示意图；

其中，10、波前畸变的激光；20、净化后的激光光束；30、TEC单元；31、半导体制冷器TEC；32、导热铜块；32、热敏电阻；40、光学材料；50、分束镜；60、四波横向剪切仪；70、温度控制单元。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决现有技术中激光在通过板条后激光光束质量退化的问题，本发明提供了一种激光光束的波前方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种激光光束的波前净化方法，图1是本发明实施例的激光光束的波前净化方法的流程图，如图1所示，根据本发明实施例的激光光束的波前净化方法包括如下处理：

步骤101：将半导体制冷器贴合在光学材料上。

具体的，将半导体制冷器贴合除所述出射面和所述入射面的在光学材料的表面。

具体的，应选取对激光透过率高的光学材料，不同激光波长应选用不同透过率波段的光学材料，如1064nm激光可以选用钕玻璃、Nd:YAG晶体或陶瓷等，将光学材料加工成各种立体结构，以长方体为例，可以将光学材料的两个表面抛光镀膜，作为激光光束的入射面和出射面。

所述的光学材料表面的光学膜为二氧化硅膜，厚度为2～5μm，根据激光波长，镀有相应波长的增透膜，光学材料的厚度可以根据入射激光的尺寸进行调整，对于板条固体激光器而言，光学材料厚度一般为1～5mm。

步骤102：通过调整所述半导体制冷器的温度改变所述光学材料中的折射率场分布，以使当带有波前畸变的激光光束通过所述光学材料时，得到净化的激光光束。

具体的，所述调整所述半导体制冷器的温度包括以下步骤：

通过温度控制单元控制所述半导体制冷器的温度，当带有波前畸变的激光光束通过所述光学材料时得到补偿后的波前畸变；

采集所述补偿后的波前畸变，当所述补偿后的波前畸变达不到净化的激光光束的要求时，根据所述补偿后的波前畸变的特点得到所述半导体制冷器下一次需要达到的温度；

继续通过温度控制单元控制所述半导体制冷器的温度为下一次需要达到的温度并采集补偿后的波前畸变，直到当补偿后的波前畸变达到净化的激光光束的要求。

在本发明实施例中通过剪切干涉仪来采集所述补偿后的波前畸变。所述补偿后的波前畸变的特点包括波前畸变的幅值和变化频率等。

更加具体的，在所述采集补偿后的波前畸变之前还包括：

对所述补偿后的波前畸变进行分光。具体的，可采用分束镜对所述补偿后的波前畸变进行分光。

可选的，在本发明的激光光束的波前净化方法中所述温度控制单元用于控制一个半导体制冷器的温度，或用于控制由几个半导体制冷器构成的半导体制冷器组的温度。

作为本发明实施例的进一步的实施方案，本发明实施例所述的激光光束的波前净化方法，还包括以下步骤：

当所述补偿后的波前畸变为净化的激光光束时，通过温度传感器探测并显示所述半导体制冷器的温度。

进一步的，所述通过调整所述半导体制冷器的温度改变所述光学材料中的折射率场分布，包括：

通过温度控制单元控制所述半导体制冷器的温度为所述温度传感器探测并显示的温度。采用上述技术方案，可以直接将所述半导体制冷器的温度调整到合适的温度，使当带有波前畸变的激光光束通过所述光学材料时，得到净化的激光光束。

具体的，所述半导体制冷器贴合在导热铜块上，所述导热铜块通过导热脂贴合在所述光学材料上，所述温度传感器放置在所述导热铜块内。所述温度传感器可以为热敏电阻。所述导热脂的厚度要保持一致。

作为本发明实施例的另一实施方案，本发明所述的激光光束的波前净化方法，还包括以下步骤：

通过改变所述半导体制冷器在所述光学材料上的排布方式，改变所述光学材料中的折射率场分布。

所述半导体制冷器可以贴合在光学材料的一面，或相对的两面，双侧粘合的优点是增加了净化器的空间分辨率和净化量，缺点是增加了系统的复杂度，具体可根据激光波前分布情况决定，改变水平方向的半导体制冷器的数量可以改变净化量，改变垂直方向的半导体制冷器的数量和间距可以改变对高阶像差的净化能力。

同时，在板条激光器输出高功率激光时，光学材料对激光的吸收会引起光学材料整体温度升高，影响折射率场的分布，因此可以在光学材料的另一侧贴合一整块的半导体制冷器，用来散去光学材料吸收的多余热量，从而得到期望的折射率场分布，达到最佳的波前净化效果。

本发明针对高功率板条固体激光器提出一种折射率分布式的波前净化方法：让激光通过一块侧面贴有半导体制冷器的光学材料，通过对半导体制冷器的温度控制改变光学材料内的温度场分布，由于光学材料的折射率随温度变化的特性，当激光束通过该光学材料后，对应光学材料不同位置处光程会形成差异，通过对光程差的控制从而实现对激光波前的控制，即实现对激光波前畸变的补偿。同时，通过设计半导体制冷器的排放方式(阵列的数量及间距)，可以精细改变光学材料中的折射率场分布，进而补偿不同板条固体激光器的波前畸变。通过剪切干涉仪用来实时探测通过光学材料后的激光波前，据此动态调节光学材料的折射率场分布，从而实现对激光波前畸变的开环或闭环净化。

本发明提供的方法能够解决激光在通过板条后激光光束质量退化的问题，保证激光功率不变的同时也能够满足光束质量的要求，减小因激光器散热不均匀导致的热致波前畸变和热致双折射效应，提高激光光束质量，相比传统补偿方法，本发明还具有以下优点：

1.根据激光波前畸变的特点(波前畸变的幅值与变化频率)，通过计算，可以实时调整半导体制冷器的排放方式，从而达到最佳的净化效果。

2.技术上容易实现，调节简单，成本低廉。

3.可以实现对激光波前畸变的开环或闭环净化。

为了详细的说明本发明实施例给出以下实例。

实例1

一种适用于板条固体激光器的折射率分布式波前净化方法，包括下列步骤：

①光学材料处理：选取对激光透过率高的光学材料，不同激光波长应选用不同透过率波段的光学材料，如1064nm激光可以选用钕玻璃、Nd:YAG晶体或陶瓷等，将光学材料加工成各种立体结构，以长方体为例，可以将光学材料的两个表面抛光镀膜，作为激光光束的入射面和出射面；

②制作TEC单元：所述TEC单元由TEC贴片30(半导体制冷器TEC)，热敏电阻32及导热铜块31组成，导热铜块31结构如图3所示，尺寸为3×4×5(mm)，其中，的的圆孔凹槽用来放置热敏电阻32；导热铜块314×5(mm)的两面一侧与TEC工作面贴合，另一侧涂导热脂与光学材料40贴合，结构如图3所示；

③紧贴光学材料的导热脂厚度要保持一致；

④使用四波横向剪切干涉仪(SID4)测量激光波前，根据畸变波前特点决定TEC单元的使用数量与排布方式；

⑤TEC单元可以只排布在光学材料的一侧，也可以在光学材料的两侧都粘合TEC单元阵列，双侧粘合的优点是增加了净化器的空间分辨率和净化量，缺点是增加了系统的复杂度，具体可根据激光波前分布情况决定，改变水平方向的TEC单元数量可以改变净化量，改变垂直方向的TEC单元数量和间距可以改变对高阶像差的净化能力。

⑥在板条激光器输出高功率激光时，光学材料对激光的吸收会引起光学材料整体温度升高，影响折射率场的分布，因此可以在光学材料的另一侧贴合一整块的TEC单元，用来散去光学材料吸收的多余热量，从而得到期望的折射率场分布，达到最佳的波前净化效果。

所述的光学材料表面的光学膜为二氧化硅膜，厚度为2～5μm，根据激光波长，镀有相应波长的增透膜，光学材料的厚度可以根据入射激光的尺寸进行调整，对于板条固体激光器而言，光学材料厚度一般为1-5mm。

所述的TEC单元导热脂厚度为1-3mm，厚度需尽量保持一致，保证热传导的一致性。

所述的导热铜块与热敏电阻通过504胶粘合，导热铜块与TEC贴片通过504胶粘合，避免在使用过程中脱落。

通过温度控制单元控制每一个TEC单元的温度，也可以控制按照一定排列的几个TEC单元构成的TEC组的温度。

实例2

如图4所示，激光波长为1064nm，光学材料40在激光入射面和出射面上镀有1064nm增透膜，波前畸变的激光10(也可称为激光畸变波前)通过光学材料40后，经过分束镜50分光，分出的一束弱光由四波横向剪切干涉仪60对激光波前进行测量，光学材料40的一侧粘合有TEC单元30阵列，通过采集畸变波前信息，控制TEC单元30阵列的温度分布，对畸变波前进行净化，得到净化后的激光光束20。TEC单元30排布方式如图5所示，采用3*3的阵列，间隔5mm。

实例3

光路如图6所示，激光波长为1064nm，光学材料40在激光入射面和出射面上镀有1064nm增透膜，波前畸变的激光10(也可称为激光畸变波前)通过光学材料40后，经过分束镜50分光，分出的一束弱光由四波横向剪切干涉仪60对激光波前进行测量，光学材料40的两侧均粘合有TEC单元30阵列，通过采集畸变波前信息，控制TEC单元30阵列的温度分布，对畸变波前进行净化，得到净化后的激光光束20。图7是本发明实例3中TEC单元的排布方式的侧视图，两个面的TEC单元阵列位置是错开的，这样排布的好处是增加了净化器的空间分辨率，增强了对复杂像差的净化能力。TEC单元30在光学材料一侧的排布方式如图8所示，一面采用3*3的阵列，间隔5mm，另一侧采用2*3的阵列，间隔5mm，如图9所示。

本发明利用光学材料的折射率变化改变激光光束波前，可以用来净化板条固体激光光束波前畸变：即将阵列热源加载在光学材料上，当温度平衡后就会在光学材料内部形成折射率分布场，当激光光束通过这个光学材料的时候其波前就会产生变化，控制折射率场的变化就可以改变激光波前分布。该光束净化系统包括一块经过加工的光学材料、半导体制冷器(TEC)阵列；光学材料与半导体制冷器(TEC)阵列通过导热脂连接，通过TEC温度的改变控制光学材料中的折射率场分布，通过设计TEC阵列的数量及间距，可以精细改变光学材料中的折射率场分布，进而补偿不同板条固体激光器的波前畸变。四波横向剪切干涉仪用来实时探测通过光学材料后的激光波前，据此动态调节光学材料的折射率场分布，从而实现对激光波前畸变的开环或闭环净化。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种激光光束的波前净化方法，其特征在于，包括以下步骤：

将半导体制冷器贴合在光学材料上；

通过调整所述半导体制冷器的温度改变所述光学材料中的折射率场分布，以使当带有波前畸变的激光光束通过所述光学材料时，得到净化的激光光束。

2.如权利要求1所述的激光光束的波前净化方法，其特征在于，所述调整所述半导体制冷器的温度包括以下步骤：

通过温度控制单元控制所述半导体制冷器的温度，当带有波前畸变的激光光束通过所述光学材料时得到补偿后的波前畸变；

采集所述补偿后的波前畸变，当所述补偿后的波前畸变达不到净化的激光光束的要求时，根据所述补偿后的波前畸变的特点得到所述半导体制冷器下一次需要达到的温度；

继续通过温度控制单元控制所述半导体制冷器的温度为下一次需要达到的温度并采集补偿后的波前畸变，直到当补偿后的波前畸变达到净化的激光光束的要求。

3.如权利要求1所述的激光光束的波前净化方法，其特征在于，在所述采集补偿后的波前畸变之前还包括：

对所述补偿后的波前畸变进行分光。

4.如权利要求2所述的激光光束的波前净化方法，其特征在于，还包括以下步骤：

当所述补偿后的波前畸变为净化的激光光束时，通过温度传感器探测并显示所述半导体制冷器的温度。

5.如权利要求4所述的激光光束的波前净化方法，其特征在于，所述通过调整所述半导体制冷器的温度改变所述光学材料中的折射率场分布，包括：

通过温度控制单元控制所述半导体制冷器的温度为所述温度传感器探测并显示的温度。

6.如权利要求4所述的激光光束的波前净化方法，其特征在于，所述半导体制冷器贴合在导热铜块上，所述导热铜块通过导热脂贴合在所述光学材料上，所述温度传感器放置在所述导热铜块内。

7.如权利要求2或5所述的激光光束的波前净化方法，其特征在于，所述温度控制单元用于控制一个半导体制冷器的温度，或用于控制由几个半导体制冷器构成的半导体制冷器组的温度。

8.如权利要求1所述的激光光束的波前净化方法，其特征在于，所述光学材料的出射面和入射面上均设有光学膜或/和增透膜。

9.如权利要求1所述的激光光束的波前净化方法，其特征在于，将半导体制冷器贴合在除所述出射面和所述入射面的光学材料的表面。

10.如权利要求1～9任一项所述的激光光束的波前净化方法，其特征在于，还包括以下步骤：

通过改变所述半导体制冷器在所述光学材料上的排布方式，改变所述光学材料中的折射率场分布。