CN110649454A - 一种薄管激光光束质量主动补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄管激光光束质量主动补偿方法及装置，包括环形边缘驱动变形镜、探测器和控制处理器。环形边缘驱动变形镜是一种具有中空结构的变形镜，其驱动单元排布于变形镜通光口径外，通过驱动单元的位移来改变通光口径内的镜面面形，进而实现对入射光束波前畸变的校正。本发明所述薄管激光光束质量主动补偿方法及装置包括由环形边缘驱动变形镜、探测器和控制处理器构成的闭环控制系统，以实现对大遮拦比环形激光低阶波前畸变的校正。

Description

一种薄管激光光束质量主动补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种薄管激光光束质量主动补偿方法及装置。

背景技术

环形光束相比于传统实心光束在传输过程中具有自稳性和无加热性等优点，备受国内外众多学者的广泛关注。如何获得高功率、高光束质量的环形激光束一直是激光技术领域的研究热点、关键和难点问题。薄管激光器是一种可以直接产生环形光束的优质光源，其具有输出功率高、无边界效应、热稳定高，以及结构紧凑等诸多优势。由于量子亏损、宽带泵浦及现代材料工艺的限制等原因，薄管激光器在高功率工作条件下存在热致光学畸变的问题，同时由于现代加工工艺水平的限制，管状增益介质不可避免地存在形位误差，导致薄管环形光束具有各类低阶波前畸变。

在激光技术领域中，多采用自适应光学系统对激光器输出光束波前畸变进行校正。但在实际工作中发现，采用常规变形镜校正高功率激光系统时，受镜面沉积热量的影响，镜面上会出现非均匀温度场分布，其中以驱动器位置热沉积最为严重，使得镜面上呈现出与驱动器位置和数量相关的严重局部热形变和热应力，即“印透效应”，严重影响变形镜校正效果，甚至使得变形镜工作寿命降低。圆形边缘驱动变形镜是一种可用于校正低阶像差的特殊变形镜，其驱动器排布于镜面有效通光口径之外，通过边缘驱动器带动有效通光口径内的镜面产生形变，从而对有效通光口径内的激光束低阶波前畸变进行校正。边缘驱动变形镜具有行程大且无“印透效应”的优点，适用于高功率激光系统低阶像差的校正。然而，当将其用于环域畸变波前校正时，传统圆形边缘驱动变形镜中心部分显得多余而无用，且不利于薄管激光器内部冷却流道和电力线路的排布。此外，由于环域像差的特殊性，传统圆形边缘驱动器无法校正部分环域像差，包括环域慧差、环域像散和环域倾斜等。因此，亟需发展针对薄管激光的自适应光学校正方法及其装置。

发明内容

为了解决具有大遮拦比特征的薄管激光器的低阶波前畸变校正问题，本发明提出了一种薄管激光光束质量主动补偿方法及装置。

本发明的设计构思是：一种薄管激光光束质量主动补偿方法及装置，具体包括：环形边缘驱动变形镜、探测器和控制处理器。所述探测器用于接收薄管激光装置输出光场信息，并实时传递至控制处理器。所述探测器既可以选用哈特曼波前探测器或四波横向剪切干涉仪等波前探测器直接获得波前信息，亦可选用CCD探测器获得远场光强信息，进而间接获得近场波前信息。所述控制处理器接收来自探测器的光场信息后，通过直接或间接变形镜控制算法获得驱动信号，以控制环形变形镜驱动器的伸缩，从而使环形变形镜反射镜面产生特定形变。所述环形边缘驱动变形镜、探测器和控制处理器共同构成闭环波前控制系统。

所述薄管激光光束质量主动补偿方法及装置，针对薄管激光所具有的大遮拦比的特征，通过将变形镜驱动单元排布于环形镜面变形镜有效通光口径之外，在获得更大的驱动器排布空间的同时避免由高功率薄管激光导致的“印透效应”。由固体弹性理论可知，边缘驱动器的位移可带动有效通光口径内镜面的形变，通过变形镜驱动单元的组合实现有效通光口径内低阶环域波前畸变的校正。所述薄管激光光束质量主动补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：根据激光器腔内或腔外补偿的实际应用需求，确定环形边缘驱动变形镜内外口径等结构参数、镜面和镜架材质。

步骤2：根据薄管激光具有的环域低阶波前畸变特点，优化驱动单元数量及其排布方式。

步骤3：使用环形边缘驱动变形镜进行波前校正之前，需要获得变形镜上每个驱动单元的面形响应函数。由固体弹性理论可知镜面形变大小可以通过解微分方程得到：

式中，ω是镜面形变量分布，q和D分别是载荷和镜面刚度。考虑到变形镜结构的复杂性和各部分材质的多样性，可利用有限元分析软件构建在实际工作温度下的变形镜模型，进而通过数值模拟计算得到镜面的形变分布和应力分布来获得镜面响应函数。

步骤4：选择适当口径以及探测范围的波前探测器或CCD探测器用于接收光场信息并传输给控制处理器

步骤5：在控制处理器接收到波前探测器或CCD探测器发送的光场信息后，基于已知镜面响应函数，利用直接或间接驱动器控制算法获得驱动器电压矩阵并传递至环形边缘驱动变形镜。

步骤6：重复步骤4和5，实时校正薄管激光的环域低阶波前畸变。

所述环形边缘驱动变形镜结构特征为：环形边缘驱动变形镜镜面为一环形区域，有效通光口径与实际待校正环形光束口径相匹配。有效通光口径内外排布若干驱动单元，驱动单元数量与间隔可根据薄管激光的波前畸变特性进行优化选择。

所述环形边缘驱动变形镜既可作为薄管激光振荡器腔镜，亦可作为多程或多通薄管激光放大器的端面反射镜。

环形边缘驱动变形镜通过边缘驱动器带动有效通光口径内的镜面产生形变，进而实现对有效通光口径内的薄管激光低阶波前畸变的校正。相较于圆形边缘驱动变形镜，环形边缘驱动变形镜具有行程大且无“印透效应”的优点，适用于高功率激光系统低阶像差的校正。同时，当用于环域畸变波前校正时，环形边缘驱动变形镜中空部分有利于薄管激光器内部冷却流道和电力线路的排布。更重要的是，环形边缘驱动变形镜可以校正诸如环域慧差、环域像散和环域倾斜等薄管激光所具备的主要像差类型。因此，环形边缘驱动变形镜是针对薄管激光独特的像差特性而提出的一种自适应光学校正装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

附图为本发明的一种薄管激光光束质量主动补偿方法及装置。

图1是薄管激光光束质量主动补偿方法的一种实施方案示意图；

图2是薄管激光光束质量主动补偿方法的另外一种实施方案示意图；

图3是环形边缘驱动变形镜装置的结构示意图，(a)为变形镜背面，(b)为变形镜侧面；

图4是内外环驱动器对镜面有效通光区域的响应函数，(a)为内环驱动器响应函数，(b)为外环驱动器响应函数；

图5是基于哈特曼波前探测器的薄管激光波前畸变分布图；

图6是薄管激光经校正前后的远场光斑分布，(a)校正前，(b)校正后。

图中，1环形边缘驱动变形镜，2薄管增益介质，3泵浦源，4输出耦合镜，5哈特曼波前探测器，6控制处理器，7薄管激光器，8未校正波前，9衰减片，10校正波前，11聚焦透镜，12CCD探测器，13外侧驱动器，14内侧驱动器，15镜面，16镜架，17内环直径D，18镜面厚度d。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、图2和图3。图1是薄管激光光束质量主动补偿方法中的一种用于腔内主动补偿的结构示意图。如图1所示，1环形边缘驱动变形镜，2薄管增益介质，用于提供能量的3泵浦源和4输出耦合镜构成一个有源振荡器，环形边缘驱动变形镜作为薄管激光振荡器的其中一个高反腔镜。光在振荡器中持续振荡获得放大，从输出耦合镜输出后由位于其后的5哈特曼波前探测器接收并传输给6控制处理器，控制处理器采用直接变形镜控制算法得到驱动信号，以控制环形变形镜驱动器的伸缩。以上所述环形边缘驱动变形镜、哈特曼波前探测器和控制处理器共同构成闭环波前控制系统实现腔内主动补偿。图2是薄管激光光束质量自补偿方法的另外一种用于腔外主动补偿的结构示意图。如图2所示，7薄管激光器输出具有畸变波前的环形光束依次通过1环形边缘驱动变形镜，用于衰减激光光强的9衰减片和11聚焦透镜后被CCD探测器接收。CCD探测器接收光信息后传输给6控制处理器，控制处理器采用间接变形镜控制算法获得驱动信号，以控制环形变形镜驱动器的伸缩。与图1类似，以上所述环形边缘驱动变形镜、CCD探测器和控制处理器共同构成闭环波前控制系统实现腔外主动补偿。图3为本实施例所述环形边缘驱动变形镜的结构示意图，(a)为变形镜背面，环形光束通光口径的内外两侧排布有若干驱动单元，(b)为变形镜侧面，镜面口径与基座口径相匹配。

本实施例以图1为例说明所述薄管激光光束质量主动补偿方法的校正效果。本发明实施例在使用时，参照图1所示，环形激光振荡器输出光中心波长为1064nm，输出环形光束内外口径为60mm和72mm。环形边缘驱动变形镜镜面口径为30mm和110mm，镜面材料为单晶硅且表面镀高反膜，其反射率大于99％，基座镜架采用不锈钢材料。环形镜面有效区域内外两侧5mm处各均匀排布8个驱动单元，总计16个驱动单元，驱动单元角向间隔45度。泵浦源为高功率激光二极管激光器阵列，均匀排布在薄管增益介质侧面。哈特曼波前探测器的探测范围满足对应的工作波长。

根据本发明的实施例，一种薄管激光光束质量主动补偿方法及装置，包括如下步骤：

步骤1：为匹配环形薄管激光，环形边缘驱动变形镜内外口径为30mm和110mm，基座镜架厚度10mm、镜架有效环形凹陷深度8mm、镜面材料为单晶硅，镜架材质为不锈钢。

步骤2：综合考虑薄管激光在环形有效通光口径内所具有的诸如环域慧差、环域像散和环域倾斜等主要环域低阶像差类型，驱动器保持均匀间隔排布在环形有效区域内外两侧，每侧各8个，共16个驱动器，如图3所示。

步骤3：为确保最终变形镜的光束补偿能力，应初步预估当前结构变形镜的光束质量补偿能力。由固体弹性理论可知，镜面形变大小可以通过解微分方程得到：

式中，ω是镜面形变量分布，q和D分别是载荷和镜面刚度。利用有限元分析软件构建上述结构变形镜模型，仿真计算出镜面的形变分布，获得镜面有效区域的响应函数，如图4示。

步骤4：基于步骤1、2和3中的变形镜，选择口径110mm，探测范围包括1064nm附近波段的哈特曼波前探测器接收光场信息，哈特曼波前探测器探测到的典型薄管激光波前分布如图5所示。

步骤5：在控制处理器接收到哈特曼波前探测器发送的信息后，基于已知的镜面响应函数，利用最小二乘法，可根据下式获得驱动器电压矩阵：

式中，I是影响函数耦合矩阵，R是波前影响函数耦合矢量。

步骤6：重复步骤4和5，实时校正环域低阶波前畸变。

表1 针对薄管激光主动补偿前后的波前畸变参数

	校正前	校正后
			RMS/μm	0.9726	0.0728
PV/μm	4.3320	0.7669

表1列出了校正前后的波前畸变参数的比较。可以看出，校正前薄管激光的畸变波前RMS值和PV值分别为0.9726μm和4.3320μm，校正后畸变波前的RMS值和PV值为0.0728μm和0.7669μm，校正效果非常明显。

表2 薄管激光主动补偿前后的远场光束质量β因子

	校正前	校正后
			β因子	4.2	1.2

从表2和图6可知，薄管激光校正前的远场光束质量β因子为4.2，校正后的远场光束质量β因子为1.2，经校正后的光束质量得到明显提升。

本发明所述实施例仅给出了具体的应用例子，但对于从事光束质量控制技术的研究人员而言，还可根据以上启示设计出多种用于光强和偏振快速旋转的光场调控方法，这仍被认为涵盖于本发明之中。

Claims (7)

1.一种薄管激光光束质量主动补偿方法及装置，其特征在于通过环形边缘驱动变形镜、探测器和控制处理器构建闭环控制系统，以对薄管激光器输出光束的低阶波前畸变进行校正，改善光束质量。

2.如权利要求1所述的薄管激光光束质量主动补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：根据激光器腔内或腔外补偿的实际需求，确定环形边缘驱动变形镜内外口径等结构参数、镜面和镜架材质、驱动器排布方式以及驱动器数量；

步骤2：在使用环形边缘驱动变形镜进行波前校正之前，需要获得变形镜上每个驱动单元的面形响应函数，基于固体弹性理论求解如下微分方程可得到镜面形变分布：

式中，ω是镜面形变量分布，q和D分别是载荷和镜面刚度，考虑到变形镜结构的复杂性和各部分材质的多样性，可利用有限元分析软件构建在实际工作温度下的变形镜模型，进而通过数值模拟计算得到的镜面形变分布来获得镜面响应函数；

步骤3：选择口径和探测范围与薄管激光器输出光束相当的波前探测器或CCD探测器，用于接收光场信息并传输给控制处理器；

步骤4：在控制处理器接收到波前探测器或CCD探测器发送的光场信息后，基于已知的镜面响应函数，利用直接或间接驱动器控制算法获得驱动器电压矩阵并传递至环形边缘驱动变形镜；

步骤5：重复步骤4，实时闭环校正激光束的环域低阶波前畸变。

3.如权利要求1所述的薄管激光光束质量主动补偿方法，其特征在于该补偿方法及装置既可应用于薄管激光振荡器，亦可应用于薄管激光放大器；当应用于薄管激光振荡器时，环形边缘驱动变形镜可作为振荡器腔镜使用，而当应用于多程或多通薄管激光放大器时，环形边缘驱动变形镜则可作为端面反射镜使用。

4.如权利要求1和2所述的环形边缘驱动变形镜，其主要结构包括环形镜面、环形基座和边缘驱动器；所述环形镜面的有效通光口径外排布若干驱动单元，且与待校正环形光束口径相匹配；所述环形基座的口径与镜面口径相匹配，其底部排布有若干边缘驱动器。

5.如权利要求4所述的环形边缘驱动变形镜，镜面与基座材质根据实际工作环境进行选择，所述镜面需要镀制对应激光工作波段的高反膜系。

6.如权利要求4所述的边缘驱动器的排布方式、数量与间隔根据实际光束畸变特性进行优化选择，排布方式包括但不限于均匀排布和非均匀排布等方式。

7.如权利要求1和2所述的薄管激光光束质量主动补偿方法及装置，其特征在于，探测器既可以选用哈特曼波前探测器或四波横向剪切干涉仪等波前探测器，亦可选用CCD探测器；当选用哈特曼波前探测器或四波横向剪切干涉仪等波前探测器时，采用直接控制算法控制环形边缘驱动变形镜，当选用CCD探测器接收远场光强信息时，采用间接控制算法控制环形边缘驱动变形镜。

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