CN107748057B - 一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统及其方法，包括N路相干偏振合成系统、其中N＝2ⁿ，n＝1,2,3……；经N路相干偏振合成系统合束输出的激光经过第一高反镜和第二高反镜后，大部分功率被功率接收器接收，小部分功率经过聚焦透镜聚焦后注入到光斑分析仪；光斑分析仪装配在电控平移台上，电控平移台与控制与数据处理系统连接，控制与数据处理系统能够调节电控平移台的位置，并对光斑尺寸和位移信息进行处理，得到热透镜效应对N路相干偏振合成系统合成效率的影响。本发明减弱了传统评价方法中外界环境对评价结果的影响，克服了传统测量方法测量光束尺寸受限的问题。

Description

一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系 统及其方法

技术领域

本发明属于强激光技术领域，特别是涉及一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统及其方法。

背景技术

相干偏振合成技术作为光束合成领域内的一种重要技术手段，得到了国内外多家单位的广泛关注，是近年来强激光领域的研究热点。

大功率相干偏振合成系统主要由三大部分组成：多路高功率全固态放大器、相位和光程控制系统、发射和合成器件(扩束准直系统、偏振态旋转系统、偏振合束系统等)。在大功率相干偏振合成系统中，由于辐照到发射和合成器件上的功率密度高，系统必然会产生一定的热透镜效应。合成系统中产生的热透镜效应会使参与合成各路光束之间的波面发生失配，进而引起合成效率的降低。

针对热透镜效应对相干偏振合成系统的影响，传统评价方法主要依赖于波前探测系统(如哈特曼波前测量仪、四波剪切干涉仪等)，整个测量系统价格昂贵且容易受外界环境(如光轴调节误差、背景噪声等)的影响。此外，目前商业化波前探测系统其入瞳孔径尺寸小，无法满足束腰直径5mm以上的光束测量，必须在系统中引入光束缩束系统，而光束缩束系统的引入极易给测量系统产生额外的离焦像差，进而对测量结果产生影响。

基于上述考虑，针对相干偏振合成技术设计一种新的热透镜效应影响评价方法对相干偏振合成系统向更高功率、更大阵元迈进具有重要的理论和现实意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统及其方法，以实现低误差、大尺寸光斑等情况下的热透镜效应影响因素分析，为大功率、大阵元相干偏振合成系统进一步优化热透镜效应的影响提供理论基础的和技术支撑。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，包括N路相干偏振合成系统、第一高反镜、第二高反镜、线起偏器、光电探测器、相位控制系统、功率接收器、聚焦透镜、光斑分析仪、电控平移台、控制与数据处理系统，其中：N路相干偏振合成系统包括依次连接的窄线宽-线偏振种子源、保偏分束器、保偏相位调节器、保偏放大器、扩束准直系统和n级偏振合束模块，n级偏振合束模块包括依次连接的第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元……和第n级相干偏振合成单元。

从窄线宽-线偏振种子源输出的激光被保偏分束器分为N束待合束光束，其中N＝2ⁿ，n＝1,2,3……；2ⁿ束待合束光束分别对应一个保偏相位调节器，2ⁿ束待合束光束分别经其对应的保偏相位调节器进行相位调节，经相位调节后的2ⁿ束待合束光束分别依次经过保偏放大器放大、扩束准直系统准直后依次输入到第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元……和第n级相干偏振合成单元中，从第n级相干偏振合成单元合束输出的激光入射至第一高反镜，其中小部分激光从第一高反镜透射到线起偏器，然后被光电探测器接收，光电探测器将光信号转变为电信号，反馈到相位控制系统用于锁相控制，相位控制系统与各相位调节器连接并对各相位调节器进行控制；大部分入射至第一高反镜的激光经第一高反镜反射至第二高反镜，入射至第二高反镜的大部分激光被反射到功率接收器并被功率接收器接收，入射至第二高反镜的小部分激光经过聚焦透镜聚焦后注入到光斑分析仪；光斑分析仪装配在电控平移台上，电控平移台、光斑分析仪均与控制与数据处理系统连接，所述光斑分析仪用于采集参与合成的各路待合束光束在聚焦透镜后的束腰半径以及束腰位置，并将传送给控制与数据处理系统，控制与数据处理系统能够调节电控平移台的位置并记录存储电控平移台的位移信息，并对光斑分析仪将采集到信息进行处理，得到热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率的影响。

本发明中：所述第1级相干偏振合成单元中包括2ⁿ个偏振旋转系统和2^n-1个偏振合束系统，从保偏分束器分出的2ⁿ束待合束光束分别依次经过保偏相位调节器相位调节、保偏放大器放大、扩束准直系统准直后分别输入到第1级相干偏振合成单元中的一个偏振旋转系统中，其中2^n-1路相干偏振光束分别经过对应的偏振旋转系统后调节为s偏振光束，2^n-1路相干偏振光束分别经过对应的偏振旋转系统后调节为p偏振光束；2^n-1个偏振合束系统中的每个偏振合束系统的输入均分别对应一路注入的s偏振光束和一路注入的p偏振光束；2^{n -1}束s偏振光束和2^n-1束p偏振光束分别输入到各自对应的偏振合束系统中，在偏振合束系统上将一束s偏振光束和一束p偏振光束合成为一束激光输出，这样第1级相干偏振合成单元输出2^n-1束激光；

所述第2级相干偏振合成单元中包括2^n-1个偏振旋转系统和2^n-2个偏振合束系统，从第1级相干偏振合成单元输出的2^n-1束激光分别输入到第2级相干偏振合成单元中的一个偏振旋转系统中，其中2^n-2束激光分别经过对应的偏振旋转系统后调节为s偏振光束；2^n-2束激光分别经过对应的偏振旋转系统后调节为p偏振光束；2^n-2个偏振合束系统中的每个偏振合束系统的输入均分别对应一路注入的s偏振光束和一路注入的p偏振光束；2^n-2束s偏振光束和2^n-2束p偏振光束分别输入到各自对应的偏振合束系统中，在偏振合束系统上将一束s偏振光束和一束p偏振光束合成为一束激光输出，这样第2级相干偏振合成单元输出2^n-2束激光；

依次类推，第n级相干偏振合成单元包括2(即2^n-(n-1))个偏振旋转系统和1(即2^n-n)个偏振合束系统，从第n-1级相干偏振合成单元输出的2束激光分别输入到第n级相干偏振合成单元中的一个偏振旋转系统中，其中一束激光经过偏振旋转系统后调节为s偏振光束；另一束激光经过偏振旋转系统后调节为p偏振光束；s偏振光束和p偏振光束注入到偏振合束系统进行最终合束即合成为一束激光输出。

本发明所述的窄线宽-线偏振种子源类型不限，可以是固体激光器、气体激光器、光纤激光器等不同类型激光光源；窄线宽-线偏振种子源输出的激光时域既可以是连续激光，也可以是纳秒、皮秒等脉冲激光。光谱既可以是单频，也可以是窄线宽。

本发明所述的保偏分束器实现方式不限，分束比不限，可以是半透半反镜、偏振不敏感型分束器，也可以是其他具备光束分束能力的器件，其类型根据种子激光类型确定。

本发明所述的保偏相位调节器实现方式不限，可以是电光相位调制器、压电陶瓷型相位调制器等。

本发明所述的保偏放大器实现方式不限，可以是固体放大器、光纤放大器、气体放大器等。所述保偏放大器级数不限，可以是单级放大器，也可以是多级级联放大器，其具体级数根据合束系统的功率要求而定。

本发明所述的扩束准直系统实现方式不限，可以是单透镜扩束准直系统、透镜组组合式扩束准直系统等。其中，扩束透镜的焦距根据扩束后光斑的大小而定，透镜的材料选择多样可以是融石英、ZnSe、CaF2等。

本发明所述的偏振旋转系统类型不限，可以是半波片、带选择功能的偏振片或者其他具有偏振态旋转功能的器件；所述的偏振旋转系统材料不限。

本发明所述的偏振合束系统实现方式多样，可以是偏振合束片、格兰棱镜等；所述的偏振合束系统材料不限，可以是石英、K9、钒酸钇、方解石、偏硼酸钡等不同的晶体材料。

本发明所述的高反镜实现激光的高反射功能，其构成材料不限，可根据输出激光功率密度有多种选择。反射波长范围由待合束激光中心波长确定。

本发明所述的线起偏器实现方式多样，可以是一个半波片与偏振分束器的组合，可旋转偏振分束器、布鲁斯特窗、沿特性方向吸收的吸收型线起偏片等。

本发明所述的光电探测器将接受到的光信号转换为电信号，其种类和响应材料有多种选择，只需激光波长在其相应波段内。

本发明所述的相位控制系统实现对各路光束之间相位的锁定和各路光束光程之间的补偿，其实现算法多样，可以是多抖动法、单频抖动法、随机并行梯度下降算法、爬山法等。

本发明所述的功率接收器对高反镜反射的光束进行收集，可以是功率计、锥形光束收集器等。

本发明所述的聚焦透镜实现方式多样，可以是平凸透镜、双凸透镜、双胶合透镜、非球面透镜等。所述的聚焦透镜材料选择方式多样，可以是融石英、ZnSe、CaF2等。所述的聚焦透镜镀膜方式选择多样，可以是无镀膜、单层镀膜或多层镀膜。

本发明所述的光斑分析仪用于采集参与合成各路光束在聚焦透镜后的束腰位置，光斑分析仪靶面材料选择根据待合束光源波长确定。

本发明所述的电控平移台采用步进电机驱动，可实现直线位移的精确自动化调整。所述电控平移台的承载能力、行程根据实际需求确定。

本发明所述的控制与数据处理系统用于控制电控平移台的位移，调节电控平移台的位置并记录存储电控平移台的位移信息，并处理调节电控平移台位移时在不同位置处光斑分析仪采集到的信息，用于后续分析评价热透镜效应对合成系统的影响。

基于上述提供的一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，本发明还提供一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的方法，方法如下：

首先，对于任意两路将输入到第1级相干偏振合成单元中的同一偏振合束系统的待合束光束，设这两路光束分别为第2^k-1路待合束光束和第2^k路待合束光束(k＝1、2….n)，得到热透镜效应对这两路待合束光束合束时对整个N路相干偏振合成系统合成效率的影响，方法如下：

对于第2^k-1路待合束光束和第2^k路待合束光束(k＝1、2….n)，设第2^k-1路待合束光束依次经过其对应的保偏相位调节器、保偏放大器、扩束准直系统、第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元……第n级相干偏振合成单元、第一高反镜8-1、第二高反镜8-2、聚焦透镜13后其束腰半径为w_01.k，远场束腰到聚焦透镜13的距离为L_1.k；

第2^k路待合束光束依次经过其对应的保偏相位调节器、保偏放大器、扩束准直系统、第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元……第n级相干偏振合成单元、第一高反镜8-1、第二高反镜8-2、聚焦透镜13后其束腰半径为w_02.k，远场束腰到聚焦透镜13的距离为L_2.k；

设定沿光束传输方向合成效率考察位置为Z＝Z₀，聚焦透镜13到效率考察位置Z₀的距离为D，聚焦透镜13的焦距为f_h，则第2^k-1和2^k路待合束光束在远场束腰处的q参数表示：

其中j＝1、2 (1)

基于光路可逆原理，第2^k-1和2^k路待合束光束从远场束腰沿光束传输反方向传输至效率考察位置Z₀处时，q参数传输的ABCD矩阵分别表示为：

设Z_j.k(j＝1、2)分别为第2^k-1和2^k路待合束光束从远场束腰沿光束传输反方向传输至效率考察位置处的距离，Z_j.k＝D+L_j.k，在效率考察位置处第2^k-1和2^k路待合束光束的q参数可表示为：

其中，μ_0j.k(j＝1、2)分别为第2^k-1和2^k路待合束光束在远场束腰处的瑞丽距离，其表示为：

其中j＝1、2 (4)

获得第2^k-1和2^k路待合束光束的q参数后，沿光束传输反方向位置Z_j.k(j＝1、2)处第2^k-1和2^k路待合束光束的光场可表示为：

其中：

其中，P_Lj.k(j＝1、2)分别为第2^k-1和2^k路待合束光束的功率，R_j.k(Z_j.k)(j＝1、2)分别为第2^k-1和2^k路待合束光束在Z_j.k处的等相位面曲率半径，w_j.k(Z_j.k)(j＝1、2)分别为第2^k-1和2^k路待合束光束在Z_j.k处的束腰半径，λ为激光波长，K为波矢。

第2^k-1和2^k路待合束光束的合成效率表示为：

其中：

(8)式中，ξ_h.k(t)为相位控制系统11提供的为补偿第2^k-1和2^k路待合束光束之间差施加的相位补偿信号，为Π在相位控制系统11闭环时长T_h.k内的平均值。

按照上述方法，即可获得到热透镜效应对任何两路将输入到第1级相干偏振合成单元中的同一偏振合束系统的第2^k-1和2^k路待合束光束合束时对整个N路相干偏振合成系统合成效率的影响。

进一步定义w_0.k、L_k、μ_0.k分别为无热透镜效应下第2^k-1和2^k路待合束光束经过聚焦透镜后的平均束腰半径，远场束腰到聚焦透镜的平均距离、待合束光束在远场束腰处的瑞丽距离；设第2^k-1路待合束光束参考光束，第2^k路待合束光束相对于第2^k-1路待合束光束其经过聚焦透镜后束腰半径的变化量为δ_w.k，第2^k路待合束光束相对于第2^k-1路待合束光束其远场束腰到聚焦透镜的距离变化量为δ_L.k，则w_01.k＝w_0.k、L_1.k＝L_k、μ_01.k＝μ_0.k、w_02.k＝w_0.k+δ_w.k、L_2.k＝L_k+δ_L.k，定义δ_w.k/w_0.k为第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰尺寸的相对误差，δ_L.k/μ_0.k为第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰位置的相对误差，则热透镜效应对第2^k-1和2^k路待合束光束合成效率的影响仅取决于热透镜效应引起的第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰尺寸相对误差和第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰位置相对误差；

对于N＝2ⁿ，n＝1,2,3,4……时的N路相干偏振合成系统，为了将热透镜效应对合成系统的影响降到最低，一般需保证参与合成的各路待合束光束的功率基本一致。在本发明中设参与合成的各路待合束光束的功率相同，整个N路相干偏振合成系统合成效率表示为：

其中，T_h.k定义为第2^k-1和2^k路待合束光束热透镜效应相对强度误差因子。

式(9)给出了N路相干偏振合成系统合成效率与N路相干偏振合成系统中第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰尺寸相对误差δ_w.k/w_0.k、第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰位置相对误差δ_L.k/μ_0.k之间的解析关系式和定标关系式；基于式(9)，针对N＝2ⁿ，n＝1,2,3,4……时的N路相干偏振合成系统，通过依次测量δ_w.k/w_0.k和δ_L.k/μ_0.k(k＝1、2….n)就能够从实际工程上对热透镜效应对整个N路相干偏振合成系统的影响进行定量分析和评价。

相对于现有技术，本发明产生了以下有益技术效果：

1、本发明减弱了传统评价方法中外界环境(如光轴调节误差、背景噪声等)对评价结果的影响。

2、本发明克服了传统测量方法测量光束尺寸受限的问题。

3、本发明其设计理念具备通用性；从合束光源类型而言，本发明适用于固体激光、气体激光、光纤激光、盘片激光等不同类型激光光源；从合束光源频域特性而言，该评价方法适用于单频、窄线宽甚至宽谱激光光源；从待合束激光时域而言，本发明适用于连续激光或脉冲激光光源。从整体设计思想而言，本发明可移植到基于衍射光学元件、光波导等器件的其他共孔径相干合成系统。

4、本发明中，扩束准直系统、偏振旋转系统、偏振合束系统、高反镜、聚焦透镜等器件的材料选取、实现方式多样，并均可承受大功率。

综上，本发明在强激光领域，特别是高亮度、高效率光束合成系统激光技术应用领域有重大的应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图(N＝8时)；

图1中：窄线宽-线偏振种子源1、保偏分束器2、保偏相位调节器3；保偏放大器4；扩束准直系统5；偏振旋转系统6；偏振合束系统7；第一高反镜8-1、第二高反镜8-2、线起偏器9、光电探测器10、相位控制系统11、功率接收器12、聚焦透镜13、光斑分析仪14、电控平移台15、控制与数据处理系统16。

图2为本发明的结构原理示意图(N＝2时)。

图2中：窄线宽-线偏振种子源1、保偏分束器2，第一路保偏相位调节器3-1、第二路保偏相位调节器3-2、第一路保偏放大器4-1、第二路保偏放大器4-2、第一路扩束准直系统5-1、第二路扩束准直系统5-2、第一路偏振旋转系统6-1、第二路偏振旋转系统6-2，偏振合束系统7、第一高反镜8-1、第二高反镜8-2、线起偏器9、光电探测器10、相位控制系统11、功率接收器12、聚焦透镜13、光斑分析仪14、电控平移台15、控制与数据处理系统16。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

为了更好的诠释该系统的实现过程和作用，首先简要介绍相干偏振合成技术的基本原理。相干偏振合成技术基于偏振旋转系统(半波片等)和偏振合束系统实现多路光束的共孔径相干合成，其基本物理思想如下：当两路正交偏振的光束在偏振合束系统上进行合成时，通过利用主动相位控制技术将参与合成的两路光束之间的相位差锁定为π的整数倍，则合成后的光束仍然是线偏振光。合成后的线偏振光通过偏振旋转系统调节偏振态，又可以和另一束偏振方向垂直的线偏振光进行合成，进而不断递推实现多路激光的相干偏振合成。

以往研究结果表明，热透镜效应引起的光强畸变对合成效率的影响基本可以忽略，而波前畸变是引起合成效率降低的关键因素。因此，分了简化分析，假定在热透镜效应影响下，参与合成的光束其振幅仍然可以用高斯分布表述，而相位项被离焦像差调制。对于每一路光束而言，其在相干偏振合成系统中都要经过扩束准直系统、偏振旋转系统和偏振合束系统等合成元件，而上述系统在高功率辐照下均会给合成系统引入离焦像差。在相干偏振合成系统中，合成效率依赖于在效率检测位置处参与合成的两路光束的光场分布。在后续分析中，设沿光束传输方向合成效率考察位置为Z＝Z₀。一般而言，为了分析合成元件对系统合成效率的影响，需要在考虑上述各个合成元件热光效应的情况下给出热透镜效应的等效焦距，进而求解出Z＝Z₀处两路光束的光场分布。然而，这种方法分析过程复杂，且很难给出对实际工程有用的评价方法，只能针对热透镜效应对合成效率的影响进行理论分析。为了为实际工程系统提供指导，需要将合成元件热透镜效应的影响转换为其他等效物理参数的变化，且要求转换后的等效物理参数是一个实验可测量参数。

在高斯分布近似下，合成元件热透镜效应对合成效率的影响取决于其在Z＝Z₀处高斯光束q参数的不一致性。为了从实验上观测q参数的不一致性，一种有效的方法如下：(1)首先将携带热透镜效应影响的畸变光束通过聚焦透镜聚焦到远场；(2)通过测量手段获得聚焦到远场处的光束束腰大小、远场光束束腰到聚焦透镜的距离、聚焦透镜到探测位置Z₀的距离；(3)通过光路可逆原理和高斯光束q参数的变化规律，获取探测位置处光束的q参数，进而针对合成元件热透镜效应对合成效率的影响进行评价。

图1给出了一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，包括N路相干偏振合成系统、第一高反镜8-1、第二高反镜8-2、线起偏器9、光电探测器10、相位控制系统11、功率接收器12、聚焦透镜13、光斑分析仪14、电控平移台15、控制与数据处理系统16，其中：N路相干偏振合成系统包括依次连接的窄线宽-线偏振种子源1、保偏分束器2、保偏相位调节器3和n级相干偏振合成系统。n级相干偏振合成系统包括依次连接的第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元……和第n级相干偏振合成单元。其中N＝2ⁿ，n＝1,2,3……。在图1所示的实施例中N＝8，n＝3。

从窄线宽-线偏振种子源1输出的激光被保偏分束器2分为N束待合束光束，其中N＝2ⁿ，n＝1,2,3……；2ⁿ束待合束光束分别对应一个保偏相位调节器3，2ⁿ束待合束光束分别经其对应的保偏相位调节器3进行相位调节，经相位调节后的2ⁿ束待合束光束分别依次经过保偏放大器4放大、扩束准直系统5准直后依次输入到依次输入到第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元和第3级相干偏振合成单元中。

偏振旋转系统6；偏振合束系统7；第一高反镜8-1、第二高反镜8-2、线起偏器9、光电探测器10、相位控制系统11、功率接收器12、聚焦透镜13、光斑分析仪14、电控平移台15、控制与数据处理系统16。

所述第1级相干偏振合成单元中包括8个偏振旋转系统6和4个偏振合束系统7，从保偏分束器2分出的2ⁿ束待合束光束分别依次经过保偏相位调节器3相位调节、保偏放大器4放大、扩束准直系统5准直后分别输入到第1级相干偏振合成单元中的一个偏振旋转系统6中，其中4路相干偏振光束分别经过对应的偏振旋转系统6后调节为s偏振光束，4路相干偏振光束分别经过对应的偏振旋转系统6后调节为p偏振光束；4个偏振合束系统6中的每个偏振合束系统6的输入均分别对应一路注入的s偏振光束和一路注入的p偏振光束；4束s偏振光束和4束p偏振光束分别输入到各自对应的偏振合束系统6中，在偏振合束系统6上将一束s偏振光束和一束p偏振光束合成为一束激光输出，这样第1级相干偏振合成单元输出4束激光。

所述第2级相干偏振合成单元中包括4个偏振旋转系统6和2个偏振合束系统7，从第1级相干偏振合成单元输出的4束激光分别输入到第2级相干偏振合成单元中的一个偏振旋转系统6中，其中2束激光分别经过对应的偏振旋转系统6后调节为s偏振光束；2束激光分别经过对应的偏振旋转系统6后调节为p偏振光束；2个偏振合束系统中的每个偏振合束系统6的输入均分别对应一路注入的s偏振光束和一路注入的p偏振光束；2^n-2束s偏振光束和2^n-2束p偏振光束分别输入到各自对应的偏振合束系统6中，在偏振合束系统6上将一束s偏振光束和一束p偏振光束合成为一束激光输出，这样第2级相干偏振合成单元输出2束激光。

依次类推，第3级相干偏振合成单元包括2个偏振旋转系统6和1个偏振合束系统7，从第2级相干偏振合成单元输出的2束激光分别输入到第3级相干偏振合成单元中的一个偏振旋转系统6中，其中一束激光经过偏振旋转系统6后调节为s偏振光束；另一束激光经过偏振旋转系统6后调节为p偏振光束；s偏振光束和p偏振光束注入到偏振合束系统6进行最终合束即合成为一束激光输出。

从第3级相干偏振合成单元合束输出的激光入射至第一高反镜8-1，其中小部分激光从第一高反镜8-1透射到线起偏器9，然后被光电探测器10接收，光电探测器10将光信号转变为电信号，反馈到相位控制系统11用于锁相控制，相位控制系统11与各相位调节器连接并对各相位调节器进行控制；大部分入射至第一高反镜8-1的激光经第一高反镜8-1反射至第二高反镜8-2，入射至第二高反镜8-2的大部分激光被反射到功率接收器12并被功率接收器12接收，入射至第二高反镜8-2的小部分激光经过聚焦透镜13聚焦后注入到光斑分析仪14；光斑分析仪14装配在电控平移台15上，电控平移台15、光斑分析仪14均与控制与数据处理系统16连接，所述光斑分析仪14用于采集参与合成的各路待合束光束在聚焦透镜13后的束腰半径以及束腰位置，并将传送给控制与数据处理系统16，控制与数据处理系统16能够调节电控平移台15的位置并记录存储电控平移台15的位移信息，并对光斑分析仪14将采集到信息进行处理，得到热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率的影响。

下面利用本发明提供的一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的方法，获得热透镜效应对本实施例中的N＝8路相干偏振合成系统合成效率影响。

首先，参照图1，从窄线宽-线偏振种子源1输出的激光被保偏分束器2分为8束待合束光束。设图1中从上之下的8路待合束光束分别为第1路待合束光束，第2路待合束光束......第8路待合束光束。在图1中，第1路待合束光束和第2路待合束光束是将输入到第1级相干偏振合成单元中的同一偏振合束系统进行合束的两路光束，第3路待合束光束和第4路待合束光束是将输入到第1级相干偏振合成单元中的同一偏振合束系统进行合束的两路光束，第5路待合束光束和第6路待合束光束是将输入到第1级相干偏振合成单元中的同一偏振合束系统进行合束的两路光束，第7路待合束光束和第8路待合束光束是将输入到第1级相干偏振合成单元中的同一偏振合束系统进行合束的两路光束。

按照前面发明内容部分提供的方法(即对于评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统中任意两路将输入到第1级相干偏振合成单元中的同一偏振合束系统的待合束光束，设这两路光束分别为第2^k-1路待合束光束和第2^k路待合束光束，其中k＝1、2….n，得到热透镜效应对这两路待合束光束合束时相干偏振合成系统合成效率的影响的方法)，得到热透镜效应对第1路待合束光束和第2路待合束光束合束时相干偏振合成系统合成效率的影响。按照同样的方法，同样能够得到热透镜效应对第3路待合束光束和第4路待合束光束合束时相干偏振合成系统合成效率的影响，热透镜效应对第5路待合束光束和第6路待合束光束合束时相干偏振合成系统合成效率的影响以及热透镜效应对第7路待合束光束和第8路待合束光束合束时相干偏振合成系统合成效率的影响。

对于整个N路相干偏振合成系统(N＝8)，式(9)给出了N路相干偏振合成系统合成效率与N路相干偏振合成系统中第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰尺寸相对误差δ_w.k/w_0.k、第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰位置相对误差δ_L.k/μ_0.k之间的解析关系式和定标关系式；基于式(9)，针对N＝2³时的N路相干偏振合成系统，通过依次测量δ_w.k/w_0.k和δ_L.k/μ_0.k就能够对N路待合束光束合束时热透镜效应对整个N路相干偏振合成系统的影响进行定量分析和评价。

图2给出了一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，其中N＝2，系统包括N路相干偏振合成系统、第一高反镜8-1、第二高反镜8-2、线起偏器9、光电探测器10、相位控制系统11、功率接收器12、聚焦透镜13、光斑分析仪14、电控平移台15、控制与数据处理系统16。N路相干偏振合成系统包括依次连接的窄线宽-线偏振种子源1、分束器2、相位调节器和n级相干偏振合成系统，n＝1。n级相干偏振合成系统仅包含第1级相干偏振合成单元；第1级相干偏振合成单元包括2路相干偏振支路和1个偏振合束系统，2路相干偏振支路分别为第一路相干偏振支路和第二路相干偏振支路，其中第一路相干偏振支路上依次连接有第一路放大器模块4-1、第一路扩束准直系统5-1和第一路偏振旋转系统6-1，第二路干偏振支路上依次连接有第二路放大器模块4-2、第二路扩束准直系统5-2和第二路偏振旋转系统6-2。

从分束器分出的2束待合束光束，分别为第1路待合束光束和第2路待合束光束；第1路待合束光束依次经过第一路相位调节器3-1相位调节、第一路放大器模块4-1放大以及第一路扩束准直系统5-1准直输出后注入到第一路偏振旋转系统6-1，第一路偏振旋转系统6-1对注入的光束的偏振方向进行调节，使得其偏振方向为s偏振；第2路待合束光束依次经过第二路相位调节器3-2相位调节、第二路放大器模块4-2放大以及第二路扩束准直系统5-2准直输出后注入到第二路偏振旋转系统6-2，第二路偏振旋转系统6-2对注入的光束的偏振方向进行调节，使得其偏振方向为p偏振；经第一路偏振旋转系统6-1输出的s偏振光束和经第二路偏振旋转系统6-2输出的p偏振光束输出至偏振合束系统7，在偏振合束系统7上合成为一束激光输出；合束输出的激光入射至第一高反镜8-1，其中小部分激光从第一高反镜8-1透射到线起偏器9，然后被光电探测器10接收，光电探测器10将光信号转变为电信号，反馈到相位控制系统11用于锁相控制，相位控制系统11与各相位调节器连接并对各相位调节器进行控制；大部分入射至第一高反镜8-1的激光经第一高反镜8-1反射至第二高反镜8-2，入射至第二高反镜8-2的大部分激光被反射到功率接收器12并被功率接收器12接收，入射至第二高反镜8-2的小部分激光经过聚焦透镜13聚焦后注入到光斑分析仪14。第一高反镜8-1和第二高反镜8-2两片高反镜装备在高精度调整架上，其组合可对入射到光斑分析仪14上光斑的中心位置进行精确调节。光斑分析仪14装配在电控平移台15上，电控平移台15、光斑分析仪14均与控制与数据处理系统16连接，所述光斑分析仪14用于采集参与合成的各路待合束光束在聚焦透镜后的束腰半径以及束腰位置，并将传送给控制与数据处理系统16，控制与数据处理系统16能够调节电控平移台15的位置并记录存储电控平移台15的位移信息，并对光斑分析仪14将采集到信息进行处理，便可分别得到聚焦后2束待合束光束的远场光束束腰尺寸和束腰位置。获取2束待合束光束的远场光束束腰尺寸和束腰位置后，通过前面提供的一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的方法，即可得到热透镜效应对其N路相干偏振合成系统合成效率影响。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，其特征在于：包括N路相干偏振合成系统、第一高反镜、第二高反镜、线起偏器、光电探测器、相位控制系统、功率接收器、聚焦透镜、光斑分析仪、电控平移台、控制与数据处理系统，其中：N路相干偏振合成系统包括依次连接的窄线宽-线偏振种子源、保偏分束器、保偏相位调节器、保偏放大器、扩束准直系统和n级偏振合束模块，n级偏振合束模块包括依次连接的第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元……和第n级相干偏振合成单元；所述第1级相干偏振合成单元中包括2ⁿ个偏振旋转系统和2^n-1个偏振合束系统，从保偏分束器分出的2ⁿ束待合束光束分别依次经过保偏相位调节器相位调节、保偏放大器放大、扩束准直系统准直后分别输入到第1级相干偏振合成单元中的一个偏振旋转系统中，其中2^n-1路相干偏振光束分别经过对应的偏振旋转系统后调节为s偏振光束，2^n-1路相干偏振光束分别经过对应的偏振旋转系统后调节为p偏振光束；2^n-1个偏振合束系统中的每个偏振合束系统的输入均分别对应一路注入的s偏振光束和一路注入的p偏振光束；2^n-1束s偏振光束和2^n-1束p偏振光束分别输入到各自对应的偏振合束系统中，在偏振合束系统上将一束s偏振光束和一束p偏振光束合成为一束激光输出，这样第1级相干偏振合成单元输出2^n-1束激光；所述第2级相干偏振合成单元中包括2^n-1个偏振旋转系统和2^n-2个偏振合束系统，从第1级相干偏振合成单元输出的2^n-1束激光分别输入到第2级相干偏振合成单元中的一个偏振旋转系统中，其中2^n-2束激光分别经过对应的偏振旋转系统后调节为s偏振光束；2^n-2束激光分别经过对应的偏振旋转系统后调节为p偏振光束；2^n-2个偏振合束系统中的每个偏振合束系统的输入均分别对应一路注入的s偏振光束和一路注入的p偏振光束；2^n-2束s偏振光束和2^n-2束p偏振光束分别输入到各自对应的偏振合束系统中，在偏振合束系统上将一束s偏振光束和一束p偏振光束合成为一束激光输出，这样第2级相干偏振合成单元输出2^n-2束激光；依次类推，第n级相干偏振合成单元包括2个偏振旋转系统和1个偏振合束系统，从第n-1级相干偏振合成单元输出的2束激光分别输入到第n级相干偏振合成单元中的一个偏振旋转系统中，其中一束激光经过偏振旋转系统后调节为s偏振光束；另一束激光经过偏振旋转系统后调节为p偏振光束；s偏振光束和p偏振光束注入到偏振合束系统进行最终合束即合成为一束激光输出；

从窄线宽-线偏振种子源输出的激光被保偏分束器分为N束待合束光束，其中N＝2ⁿ，n＝1,2,3……；2ⁿ束待合束光束分别对应一个保偏相位调节器，2ⁿ束待合束光束分别经其对应的保偏相位调节器进行相位调节，经相位调节后的2ⁿ束待合束光束分别依次经过保偏放大器放大、扩束准直系统准直后依次输入到第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元……和第n级相干偏振合成单元中，从第n级相干偏振合成单元合束输出的激光入射至第一高反镜，其中小部分激光从第一高反镜透射到线起偏器，然后被光电探测器接收，光电探测器将光信号转变为电信号，反馈到相位控制系统用于锁相控制，相位控制系统与各相位调节器连接并对各相位调节器进行控制；大部分入射至第一高反镜的激光经第一高反镜反射至第二高反镜，入射至第二高反镜的大部分激光被反射到功率接收器并被功率接收器接收，入射至第二高反镜的小部分激光经过聚焦透镜聚焦后注入到光斑分析仪；光斑分析仪装配在电控平移台上，电控平移台、光斑分析仪均与控制与数据处理系统连接，所述光斑分析仪用于采集参与合成的各路待合束光束在聚焦透镜后的束腰半径以及束腰位置，并将传送给控制与数据处理系统，控制与数据处理系统能够调节电控平移台的位置并记录存储电控平移台的位移信息，并对光斑分析仪将采集到信息进行处理，得到热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率的影响。

2.根据权利要求1所述的评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，其特征在于：窄线宽-线偏振种子源是固体激光器、气体激光器或光纤激光器；窄线宽-线偏振种子源输出的激光是连续激光或者脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，其特征在于：所述保偏分束器是半透半反镜或者偏振不敏感型分束器。

4.根据权利要求1所述的评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，其特征在于：所述保偏相位调节器是电光相位调制器或者压电陶瓷型相位调制器。

5.根据权利要求1所述的评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，其特征在于：所述保偏放大器是固体放大器、光纤放大器或者气体放大器；所述保偏放大器是单级放大器或者多级级联放大器。

6.根据权利要求1所述的评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，其特征在于：所述的扩束准直系统是单透镜扩束准直系统或者透镜组组合式扩束准直系统。

7.根据权利要求1所述的评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，其特征在于：偏振合束系统是由石英、K9、钒酸钇、方解石或者偏硼酸钡材质的偏振合束片或格兰棱镜。

8.一种评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的方法，其特征在于：基于权利要求1至7中任一权利要求所述的评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统，对于评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的系统中任意两路将输入到第1级相干偏振合成单元中的同一偏振合束系统的待合束光束，设这两路光束分别为第2^k-1路待合束光束和第2^k路待合束光束，其中k＝1、2….n，得到热透镜效应对这两路待合束光束合束时对整个N路相干偏振合成系统合成效率的影响，方法如下：

对于第2^k-1路待合束光束和第2^k路待合束光束，设第2^k-1路待合束光束依次经过其对应的保偏相位调节器、保偏放大器、扩束准直系统、第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元……第n级相干偏振合成单元、第一高反镜、第二高反镜、聚焦透镜后其束腰半径为w_01.k，远场束腰到聚焦透镜的距离为L_1.k；

第2^k路待合束光束依次经过其对应的保偏相位调节器、保偏放大器、扩束准直系统、第1级相干偏振合成单元、第2级相干偏振合成单元……第n级相干偏振合成单元、第一高反镜、第二高反镜、聚焦透镜后其束腰半径为w_02.k，远场束腰到聚焦透镜的距离为L_2.k；

设定沿光束传输方向合成效率考察位置为Z＝Z₀，聚焦透镜到效率考察位置Z₀的距离为D，聚焦透镜的焦距为f_h，则第2^k-1和2^k路待合束光束在远场束腰处的q参数表示：

基于光路可逆原理，第2^k-1和2^k路待合束光束从远场束腰沿光束传输反方向传输至效率考察位置Z₀处时，q参数传输的ABCD矩阵分别表示为：

设Z_j.k分别为第2^k-1和2^k路待合束光束从远场束腰沿光束传输反方向传输至效率考察位置处的距离，Z_j.k＝D+L_j.k，在效率考察位置Z₀处第2^k-1和2^k路待合束光束的q参数可表示为：

其中，μ_0j.k分别为第2^k-1和2^k路待合束光束在远场束腰处的瑞丽距离，其表示为：

获得第2^k-1和2^k路待合束光束的q参数后，沿光束传输反方向位置Z_j.k处第2^k-1和2^k路待合束光束的光场可表示为：

其中：

其中，P_Lj._k(j＝1、2)分别为第2^k-1和2^k路待合束光束的功率，R_j._k(Z_j._k)(j＝1、2)分别为第2^k-1和2^k路待合束光束在Z_j._k处的等相位面曲率半径，w_j._k(Z_j._k)(j＝1、2)分别为第2^k-1和2^k路待合束光束在Z_j._k处的束腰半径，λ为激光波长，K为波矢；

第2^k-1和2^k路待合束光束的合成效率表示为：

其中：

(8)式中，ξ_h.k(t)为相位控制系统提供的为补偿第2^k-1和2^k路待合束光束之间差施加的相位补偿信号，为Π在相位控制系统闭环时长T_h.k内的平均值；

按照上述方法，即可获得到热透镜效应对任何两路将输入到第1级相干偏振合成单元中的同一偏振合束系统的第2^k-1和2^k路待合束光束合束时对整个N路相干偏振合成系统合成效率的影响。

9.根据权利要求8所述的评价热透镜效应对相干偏振合成系统合成效率影响的方法，其特征在于：还包括以下步骤：定义w_0.k、L_k、μ_0.k分别为无热透镜效应下第2^k-1和2^k路待合束光束经过聚焦透镜后的平均束腰半径，远场束腰到聚焦透镜的平均距离、待合束光束在远场束腰处的瑞丽距离；设第2^k-1路待合束光束参考光束，第2^k路待合束光束相对于第2^k-1路待合束光束其经过聚焦透镜后束腰半径的变化量为δ_w.k，第2^k路待合束光束相对于第2^k-1路待合束光束其远场束腰到聚焦透镜的距离变化量为δ_L.k，则w_01.k＝w_0.k、L_1.k＝L_k、μ_01.k＝μ_0.k、w_02.k＝w_0.k+δ_w.k、L_2.k＝L_k+δ_L.k，定义δ_w.k/w_0.k为第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰尺寸的相对误差，δ_L.k/μ_0.k为第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰位置的相对误差，则热透镜效应对第2^k-1和2^k路待合束光束合成效率的影响仅取决于热透镜效应引起的第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰尺寸相对误差和第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰位置相对误差；

对于N＝2ⁿ，n＝1,2,3,4……时的N路相干偏振合成系统，设参与合成的各路待合束光束的功率相同，整个N路相干偏振合成系统合成效率表示为：

其中，T_h.k定义为第2^k-1和2^k路待合束光束热透镜效应相对强度误差因子；

式(9)给出了N路相干偏振合成系统合成效率与N路相干偏振合成系统中第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰尺寸相对误差δ_w.k/w_0.k、第2^k-1和2^k路待合束光束远场光束束腰位置相对误差δ_L.k/μ_0.k之间的解析关系式和定标关系式；基于式(9)，针对N＝2ⁿ，n＝1,2,3,4……时的N路相干偏振合成系统，通过依次测量δ_w.k/w_0.k和δ_L.k/μ_0.k就能够对热透镜效应对整个N路相干偏振合成系统的影响进行定量分析和评价。