CN111076904A - 一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置及方法，该装置包括沿激光传输方向依次设置的He‑Ne激光器、扩束系统、第一反射镜、薄片增益介质、第二反射镜、分束镜、第一成像系统与第二成像系统、以及第一CCD与第二CCD，由外界提供泵浦光到所述薄片增益介质表面；通过第一CCD与第二CCD同时采集两幅光强图，通过光强传输方程算法计算出测试波前的相位分布，对相位分布通过最小二乘法拟合得到测试波前的泽尼克像差信息。本发明采用了格拉姆‑施密特正交化算法，实现了高功率非稳腔薄片激光器动态波前像差的实时高精度检测。

Description

一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置及方法

技术领域

本发明涉及动态波前像差检测技术领域，特别涉及一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置及方法。

背景技术

在高功率非稳腔薄片激光器中，激光增益介质在热加载时由于上下表面温差会产生的热效应，从而导致动态波前像差。非稳腔内的动态波前像差会影响激光器的输出功率和输出质量，是限制高功率薄片激光器发展的主要原因之一。为了实现高功率非稳腔薄片激光器腔内像差的校正，首先需要对热加载过程中单个薄片增益介质所引起的动态波前像差进行实时检测，分析像差类型和变化规律，为后续的腔内像差校正提供计算基础。

为了实现瞬态波前的检测，目前国内对于薄片增益介质动态波前像差实时检测学者们提出了一系列研究方法，主要包括:夏克-哈特曼波前传感器法、剪切干涉法和点衍射干涉法。夏克-哈特曼波前检测技术一直是国内外的研究热点。夏克-哈特曼波前传感器利用微透镜阵列将包含像差的波面划分成若干子波面，在探测器上获得哈特曼图案。当待测波面与理想波面存在偏差时，单个子波面形成的会聚点与理想会聚点存在位置偏移。根据位置偏移量提取出波面的梯度信息，使用波面重构算法计算得到波面信息。夏克-哈特曼波前传感器广泛被用于人眼瞳孔的跟踪、大口径波前检测等领域。在固体激光领域，徐鎏婧等人利用夏克-哈特曼波前传感器对传导冷却端面抽运板条激光放大器的波前畸变进行了实验研究。夏克-哈特曼波前传感器，易于校准，广泛用于动态波前像差的实时检测。然而，该技术受到微透镜阵列加工工艺的限制，波面采样频率低，很难做到高分辨率检测。薄片增益介质产生的动态波前像差复杂，低分辨率的采样不能满足高精度的动态波前像差的实时检测。

剪切干涉法与夏克-哈特曼波前传感器类似，也是通过测量波前斜率的方式获取波前相位信息。剪切干涉法通过复制被测波前与原始被测波前错位干涉，产生剪切干涉图，通过相位重构算法计算得到被测波前分布。剪切干涉法分为横向剪切干涉法和径向剪切干涉法两种，并形成了成熟的横向和径向剪切干涉仪。剪切干涉法中采用的波前重构算法复杂度高，在处理高分辨率干涉图时计算效率低，不适用于动态波前像差的实时检测。此外，剪切干涉检测装置复杂，不适用于紧凑的高功率非稳腔薄片激光器中增益介质的高精度检测。

点衍射干涉法利用点衍射板的衍射效应生成接近于理想球面的参考波前，使用共光路系统，抗干扰性好；通过解调干涉图可以直接得到被测波前的分布，具有较高的分辨率。1978年，Kolipoulos首次提出并研制了红外点衍射干涉仪，并检测了10.6um的红外激光波前。此后，基于光电调制的移相式点衍射干涉仪、偏振移相式点衍射干涉仪、光栅移相式式点衍射干涉仪和反射式点衍射干涉仪相继被提出并应用于波前和光学元件面形的检测中。点衍射干涉法中普遍采用衍射针孔、光栅等衍射元件，其辅助装调装置复杂，且装调误差对检测结果有一定的影响，并不适用于高功率非稳腔薄片激光器中增益介质的实时检测。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置及方法，以达到对薄片增益介质动态波前像差实时高精度检测的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置，包括沿激光传输方向依次设置的He-Ne激光器、扩束系统、第一反射镜、薄片增益介质、第二反射镜、分束镜、第一成像系统与第二成像系统、以及第一CCD与第二CCD，由外界提供泵浦光到所述薄片增益介质表面；所述第一反射镜、薄片增益介质、第二反射镜的表面以及分束镜的分光面互相平行；所述第一反射镜与第二反射镜关于薄片增益介质的轴线对称；所述第一成像系统和第一CCD位于分束镜的透射光方向，所述第二成像系统和第二CCD位于分束镜的反射光方向。

上述方案中，所述第一CCD的像面与第一成像系统的光轴垂直，第二CCD的像面与第二成像系统的光轴垂直，第一成像系统与第二成像系统的光轴与各自对应的出射光束平行。

上述方案中，所述扩束系统采用开普勒式望远镜结构，包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜与第二透镜的焦点重合。

上述方案中，所述第一成像系统与第二成像系统均采用开普勒式望远镜结构，包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜与第四透镜的焦点重合。

一种高功率薄片激光器动态波前像差检测方法，采用上述的一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置，包括以下步骤：

步骤1，通过第一CCD和第二CCD同时采集两幅光强图，通过光强传输方程算法计算出测试波前的相位分布，该相位分布为垂直于各成像系统光轴方向上圆形孔径内的波前相位分布；

步骤2，将步骤1所得的波前相位分布反向投影到薄片增益介质表面，计算出薄片增益介质表面椭圆形孔径内的相位分布；

步骤3，根据薄片增益介质表面椭圆孔径内的相位分布，通过格拉姆-施密特正交化算法计算出对应薄片增益介质表面圆形孔径内的相位分布；

步骤4，对薄片增益介质表面圆形孔径内的相位分布，通过最小二乘法拟合得到测试波前的泽尼克像差分布，该像差分布为薄片增益介质表面圆形孔径内的动态波前像差分布。

进一步的技术方案中，所述步骤1中，采集光强图的方法如下：

所述He-Ne激光器发出的激光经扩束系统后，经第一反射镜沿非稳腔光轴方向入射到薄片增益介质上；测试光在薄片增益介质前表面透射后，经薄片增益介质后表面反射，携带了薄片增益介质的像差信息；然后测试光通过第二反射镜反射，通过分束镜分光后，透射光进入第一成像系统，反射光进入第二成像系统，泵浦光稳定工作后，通过第一CCD和第二CCD同时采集两幅光强图。

通过上述技术方案，本发明提供的高功率薄片激光器动态波前像差检测装置及方法具有如下有益效果：

(1)该检测装置采用薄片增益介质构成激光器的谐振腔，与传统激光谐振腔相比，其结构更加紧凑，光束体积更大可产生更高功率的输出激光，薄片增益介质较大的表面积使得散热性能更强，且通过调节薄片增益介质的相对角度可消除部分像差，提高光束波前质量。

(2)采用光强传输方程、最小二乘法像差拟合以及格拉姆-施密特正交化等算法，计算精度高且速度快，可实现薄片增益介质动态波前像差实时高精度检测；

(3)该检测装置不需要结构复杂的辅助装调装置，因此不会引入很大的装调误差，进一步提高了检测精度。

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。

图1为本发明实施例所公开的一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置结构示意图；

图2为本发明的一种高功率薄片激光器动态波前像差检测方法流程图；

图3为本发明实施例中对薄片增益介质动态波前像差检测时第一CCD采集到的光强图；

图4为本发明实施例中对薄片增益介质动态波前像差检测时第二CCD采集到的光强图；

图5为通过光强传输方程算法计算得到的垂直于各成像系统光轴方向上圆形孔径内的波前相位分布图；

图6为反向投影得到的薄片增益介质表面椭圆形孔径内的相位分布图；

图7为格拉姆-施密特正交化计算中正交多项式项数与正交多项式系数的关系图；

图8为得到的泽尼克像差分布中泽尼克多项式项数与泽尼克多项式系数的关系图。

图中，1、He-Ne激光器；2、扩束系统；3、第一反射镜；4、薄片增益介质；5、第二反射镜；6、分束镜；7、第一成像系统；8、第二成像系统；9、第一CCD；10、第二CCD；11、第一透镜；12、第二透镜；13、第三透镜；14、第四透镜。

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。

本发明提供了一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置，如图1所示，包括沿激光传输方向依次设置的He-Ne激光器1、扩束系统2、第一反射镜3、薄片增益介质4、第二反射镜5、分束镜6、第一成像系统7与第二成像系统8、以及第一CCD 9与第二CCD 10，由外界提供泵浦光到薄片增益介质4表面；第一反射镜3、薄片增益介质4、第二反射镜5的表面以及分束镜6的分光面互相平行；第一反射镜3与第二反射镜5关于薄片增益介质4的轴线对称；第一成像系统7和第一CCD 9位于分束镜6的透射光方向，第二成像系统8和第二CCD 10位于分束镜6的反射光方向。

本实施例中，第一CCD 9的像面与第一成像系统7的光轴垂直，第二CCD 10的像面与第二成像系统8的光轴垂直，第一成像系统7与第二成像系统8的光轴与各自对应的出射光束平行。

本实施例中，扩束系统2采用开普勒式望远镜结构，包括第一透镜11和第二透镜12，第一透镜11与第二透镜12的焦点重合。

本实施例中，第一成像系统7与第二成像系统8均采用开普勒式望远镜结构，包括第三透镜13和第四透镜14，第三透镜13与第四透镜14的焦点重合。

一种高功率薄片激光器动态波前像差检测方法，采用上述的一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，He-Ne激光器1发出的激光经扩束系统2后，经第一反射镜3沿非稳腔光轴方向入射到薄片增益介质4上；测试光在薄片增益介质4前表面透射后，经薄片增益介质4后表面反射，携带了薄片增益介质4的像差信息；然后测试光通过第二反射镜5反射，通过分束镜6分光后，透射光进入第一成像系统7，反射光进入第二成像系统8；

泵浦光稳定工作后，通过第一CCD 9和第二CCD 10同时采集两幅光强图，如图3和图4所示，通过光强传输方程算法计算出测试波前的相位分布，该相位分布为垂直于各成像系统光轴方向上圆形孔径内的波前相位分布，如图5所示。

步骤2，将步骤1所得的波前相位分布反向投影到薄片增益介质表面，计算出薄片增益介质表面椭圆形孔径内的相位分布，如图6所示；

步骤3，根据薄片增益介质表面椭圆孔径内的相位分布，通过格拉姆-施密特正交化算法计算出对应薄片增益介质表面圆形孔径内的相位分布；图7为格拉姆-施密特正交化计算中正交多项式项数与正交多项式系数的关系图；

步骤4，对薄片增益介质表面圆形孔径内的相位分布，通过最小二乘法拟合得到测试波前的泽尼克像差分布，该像差分布为薄片增益介质表面圆形孔径内的动态波前像差分布，图8为得到的泽尼克像差分布中泽尼克多项式项数与泽尼克多项式系数的关系图。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置，其特征在于，包括沿激光传输方向依次设置的He-Ne激光器、扩束系统、第一反射镜、薄片增益介质、第二反射镜、分束镜、第一成像系统与第二成像系统、以及第一CCD与第二CCD，由外界提供泵浦光到所述薄片增益介质表面；所述第一反射镜、薄片增益介质、第二反射镜的表面以及分束镜的分光面互相平行；所述第一反射镜与第二反射镜关于薄片增益介质的轴线对称；所述第一成像系统和第一CCD位于分束镜的透射光方向，所述第二成像系统和第二CCD位于分束镜的反射光方向。

2.根据权利要求1所述的一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置，其特征在于，所述第一CCD的像面与第一成像系统的光轴垂直，第二CCD的像面与第二成像系统的光轴垂直，第一成像系统与第二成像系统的光轴与各自对应的出射光束平行。

3.根据权利要求1所述的一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置，其特征在于，所述扩束系统采用开普勒式望远镜结构，包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜与第二透镜的焦点重合。

4.根据权利要求1所述的一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置，其特征在于，所述第一成像系统与第二成像系统均采用开普勒式望远镜结构，包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜与第四透镜的焦点重合。

5.一种高功率薄片激光器动态波前像差检测方法，采用如权利要求1所述的一种高功率薄片激光器动态波前像差检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过第一CCD和第二CCD同时采集两幅光强图，通过光强传输方程算法计算出测试波前的相位分布，该相位分布为垂直于各成像系统光轴方向上圆形孔径内的波前相位分布；

步骤2，将步骤1所得的波前相位分布反向投影到薄片增益介质表面，计算出薄片增益介质表面椭圆形孔径内的相位分布；

步骤3，根据薄片增益介质表面椭圆孔径内的相位分布，通过格拉姆-施密特正交化算法计算出对应薄片增益介质表面圆形孔径内的相位分布；

步骤4，对薄片增益介质表面圆形孔径内的相位分布，通过最小二乘法拟合得到测试波前的泽尼克像差分布，该像差分布为薄片增益介质表面圆形孔径内的动态波前像差分布。

6.根据权利要求5所述的一种高功率薄片激光器动态波前像差检测方法，其特征在于，所述步骤1中，采集光强图的方法如下：

所述He-Ne激光器发出的激光经扩束系统后，经第一反射镜沿非稳腔光轴方向入射到薄片增益介质上；测试光在薄片增益介质前表面透射后，经薄片增益介质后表面反射，携带了薄片增益介质的像差信息；然后测试光通过第二反射镜反射，通过分束镜分光后，透射光进入第一成像系统，反射光进入第二成像系统，泵浦光稳定工作后，通过第一CCD和第二CCD同时采集两幅光强图。

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