CN111211476B - 一种四程放大器波前控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种四程放大器波前控制方法，属于放大器波前控制技术领域，采用放大腔外测量像差、放大腔内补偿像差的方式，在双程静态通光下对四程放大器的静态像差进行校正并得到静态控制电压，在四程动态通光下对四程放大器的纯动态像差进行校正并得到动态控制电压，最终达到对四程放大器像差进行校正的目的，本发明能够针对四程放大器静态像差和纯动态像差所具有的不同的空间分布特征，在双程静态通光和四程动态通光两种状态下，分别针对静态像差和纯动态像差进行校正，得到静态控制电压和动态控制电压，既可以保证四程放大器的有效通光，提高四程放大器输出光束质量，又可以降低对波前校正器像差校正能力的要求。

Description

一种四程放大器波前控制方法
技术领域
本发明属于放大器波前控制技术领域，具体地说涉及一种四程放大器波前控制方法。
背景技术
四程放大器已经广泛应用于激光脉冲的能量放大，大大简化了放大光路的结构(The multi－pass amplifier theory and numerica lanalysis，《Journal of AppliedPhysics》，Vol.51，1980，2436－2444)。但是，光路中的光学元件和热泵浦下的激光增益介质会带来像差，严重影响了四程放大过程的顺利实现以及放大器的输出光学质量。为了克服像差的负面影响，波前控制方法被应用到四程放大器中(Adaptive optics－a progressreview，《Proc.SP IE》，Vol.1542，1991，2－17；A lignm ent and wave front controlsystem of nationalignition facility，《O ptics Engineering》，Vol.43，2004，2873－2884；Perform ance of a high－resolution deform able mirror for wavefrontcorrection on the LIL/LM J and PETAL baselines，《Journal of Physics：ConferenceSeries》，Vol.244，2010，032021)。简单来说，波前控制方法通过波前校正器校正了放大器的像差，保证了激光脉冲在放大过程中的有效传输和放大，实现了激光脉冲的能量增益。
目前，波前控制方法都是直接在四程通光状态下对静态像差和纯动态像差进行校正，并没有考虑到放大器静态像差和纯动态像差所具有的不同空间分布特征，因此，波前控制方法仍存在一定的优化空间。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种四程放大器波前控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种四程放大器波前控制方法，包括以下步骤：
S1：四程放大器处于双程静态通光模式下，利用波前传感器对双程静态像差进行测量，利用波前校正器对双程静态像差进行校正，得到静态控制电压；
S2：四程放大器处于四程静态通光模式下，波前校正器施加静态控制电压，将波前传感器采集的波前像差设为参考零位；
S3：对激光增益介质进行热泵浦，四程放大器处于四程动态通光模式下，利用波前传感器对四程纯动态像差进行测量，以所述参考零位作为校正目标，利用波前校正器对四程纯动态像差进行校正，得到动态控制电压，完成四程放大器波前控制。
进一步，所述波前校正器位于四程放大器的放大腔内部，且波前校正器作为放大腔的腔镜，所述波前传感器位于放大腔外部，且放大腔外部设有分别与波前校正器、波前传感器通讯连接的控制器。
进一步，所述放大腔内部依次设有第一空间滤波器、第一激光增益介质、第二空间滤波器、第二激光增益介质和取样镜，所述波前校正器、取样镜分别位于放大腔的两端。
进一步，所述第一空间滤波器的滤波小孔处设置第一反光镜，以将激光注入放大腔。
进一步，所述取样镜与波前传感器的通光口对应设置。
进一步，所述第一空间滤波器的滤波小孔处设置第二反光镜，以将双程放大后的激光引入U型90°反转镜。
进一步，所述U型90°反转镜沿着激光的传输方向依次包括分光镜、第一透镜、第一波片、电光开关、第二波片、第一反转反光镜、第二反转反光镜、第三反转反光镜和第二透镜，且第一反转反光镜、第二反转反光镜和第三反转反光镜形成角锥结构。
进一步，所述第一激光增益介质、第二激光增益介质处于未泵浦状态时，调整所述波前校正器的姿态，促使双程放大后的激光经取样镜输出，保证四程放大器处于双程静态通光模式。
进一步，所述第一激光增益介质、第二激光增益介质处于未泵浦状态时，调整所述波前校正器的姿态，促使双程放大后的激光经第二反光镜引入U型90°反转镜，保证四程放大器处于四程静态通光模式。
进一步，所述第一激光增益介质、第二激光增益介质处于泵浦状态时，调整所述波前校正器的姿态，促使双程放大后的激光经第二反光镜引入U型90°反转镜，保证四程放大器处于四程动态通光模式。
本发明的有益效果是：
相比于现有的四程放大器波前控制方法，本发明能够针对四程放大器静态像差和纯动态像差所具有的不同的空间分布特征，在双程静态通光和四程动态通光两种状态下，分别针对静态像差和纯动态像差进行校正，得到静态控制电压和动态控制电压，既可以保证四程放大器的有效通光，提高四程放大器输出光束质量，又可以降低对波前校正器像差校正能力的要求。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是U型90°反转镜的结构示意图；
图3(a)是实施例二中四程静态像差旋转90度前的示意图；
图3(b)是实施例二中四程静态像差旋转90度后的示意图；
图3(c)是将图3(a)、图3(b)求差后的示意图；
图4(a)是实施例二中四程纯动态像差旋转90度前的示意图；
图4(b)是实施例二中四程纯动态像差旋转90度后的示意图；
图4(c)是将图4(a)、图4(b)求差后的示意图；
图5(a)是实施例二中双程静态像差校正前的示意图；
图5(b)是实施例二中双程静态像差校正后的示意图；
图6(a)是实施例二中四程纯动态像差校正前的示意图；
图6(b)是实施例二中四程纯动态像差校正后的示意图。
附图中：1－激光、2－第一反光镜、3－第二滤波透镜、4－第一激光增益介质、5－第三滤波透镜、6－第四滤波透镜、7－第二激光增益介质、8－波前校正器、9－第二反光镜、10－第三反光镜、11－U型90°反转镜、12－第一滤波透镜、13－取样镜、14－输出光、15－第一缩束透镜、16－第二缩束透镜、17－波前传感器、18－分光镜、19－第一透镜、20－第一波片、21－电光开关、22－第二波片、23－第一反转反光镜、24－第二反转反光镜、25－第三反转反光镜、26－第二透镜、27－第四反光镜、28－控制器。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
一种四程放大器波前控制方法，包括以下步骤：
S1：四程放大器处于双程静态通光模式下，利用波前传感器17对双程静态像差进行测量，利用波前校正器8对双程静态像差进行校正，得到静态控制电压。
S2：四程放大器处于四程静态通光模式下，波前校正器8施加静态控制电压，将波前传感器17采集的波前像差设为参考零位。
S3：对激光增益介质进行热泵浦，四程放大器处于四程动态通光模式下，利用波前传感器17对四程纯动态像差进行测量，以所述参考零位作为校正目标，利用波前校正器8对四程纯动态像差进行校正，得到动态控制电压，完成四程放大器波前控制。
具体的，如图1所示，所述放大腔内部依次设有第一空间滤波器、第一激光增益介质4、第二空间滤波器、第二激光增益介质7和取样镜13，所述波前校正器8位于四程放大器的放大腔内部，且波前校正器8、取样镜13分别位于放大腔的两端并作为腔径，所述波前传感器17位于放大腔外部，且放大腔外部设有分别与波前校正器8、波前传感器17通讯连接的控制器28。所述取样镜13与波前传感器17的通光口对应设置，其两者之间设有缩束透镜组，所述缩束透镜组包括第一缩束透镜15、第二缩束透镜16，取样光经缩束透镜组入射至波前传感器17。
所述第一空间滤波器的滤波小孔处设置第一反光镜2，以将激光1注入放大腔，同时，所述第一空间滤波器的滤波小孔处还设置第二反光镜9，以将双程放大后的激光引入U型90°反转镜11。所述第一空间滤波器包括第一滤波透镜12和第二滤波透镜3，所述第二空间滤波器包括第三滤波透镜5和第四滤波透镜6。如图2所示，所述U型90°反转镜11沿着激光的传输方向依次包括分光镜18、第一透镜19、第一波片20、电光开关21、第二波片22、第一反转反光镜23、第二反转反光镜24、第三反转反光镜25、第二透镜26和第四反光镜，且第一反转反光镜23、第二反转反光镜24和第三反转反光镜25形成角锥结构。
所述第一激光增益介质4、第二激光增益介质7处于未泵浦状态时，激光1依次经过第一反光镜2、第二滤波透镜3、第一激光增益介质4、第三滤波透镜5、第四滤波透镜6、第二激光增益介质7传输至波前校正器8，完成一程放大，调整所述波前校正器8的姿态(即倾斜角度)，促使激光1反向传输至取样镜13，大部分光束作为输出光14输出，小部分光束作为取样光入射至波前传感器17，完成双程放大，也就是说，调整所述波前校正器8的姿态，促使双程放大后的激光1经取样镜13输出，此时，四程放大器处于双程静态通光模式。
所述第一激光增益介质4、第二激光增益介质7处于未泵浦状态时，激光1依次经过第一反光镜2、第二滤波透镜3、第一激光增益介质4、第三滤波透镜5、第四滤波透镜6、第二激光增益介质7传输至波前校正器8，完成一程放大，调整所述波前校正器8的姿态，促使激光1反向传输至第二反光镜9，完成双程放大，激光1经第二反光镜9、第三反光镜10入射至U型90°反转镜11，通过控制电光开关21的通断状态，促使激光经U型90°反转镜11反向传输至第三反光镜10、第二反光镜9、第二滤波透镜3、第一激光增益介质4、第三滤波透镜5、第四滤波透镜6、第二激光增益介质7传输至波前校正器8，完成三程放大，再次调整所述波前校正器8的姿态，促使激光1反向传输至取样镜13，大部分光束作为输出光14输出，小部分光束作为取样光入射至波前传感器17，完成四程放大。也就是说，调整所述波前校正器8的姿态，促使双程放大后的激光1经第二反光镜9引入U型90°反转镜11，保证四程放大器处于四程静态通光模式。
所述第一激光增益介质4、第二激光增益介质7处于泵浦状态时，调整所述波前校正器8的姿态，促使双程放大后的激光1经第二反光镜9引入U型90°反转镜11，保证四程放大器处于四程动态通光模式。四程放大器处于四程动态通光模式与四程静态通光模式下，激光1的传输路径相同。
实施例二：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
激光1的波长为1053nm，脉冲宽度为3ns。第一激光增益介质4为激光钕玻璃放大介质，尺寸为12×12×30mm。第二激光增益介质7为激光钕玻璃放大介质，尺寸为12×12×30mm。波前校正器8采用压电薄膜驱动变形镜，其参数如表1所示。波前传感器17采用哈特曼波前传感器，其参数如表2所示。
表1：波前校正器主要参数
有效口径 10mm×10mm
驱动器数目和布局 5×5正方形
最小闭环带宽 1Hz
驱动器冲程 4um
可校正的泽尼克像差阶数 ≤10阶
表面反射率 大于等于99.5％＠1053nm
表2：波前传感器主要参数
有效口径 5mm×5mm
子孔径数目 20×20
子孔径间距 250um
子孔径焦距 7.5mm
测量范围 20um
测量精度 0.05um
采样频率 50Hz
四程放大器处于四程静态通光模式时，利用波前传感器17对四程静态像差进行测量，如图3(a)所示，PV＝2.5μm，RMS＝0.5μm。对四程静态像差进行旋转90°，如图3(b)所示。对图3(a)、图3(b)进行求差，如图3(c)所示，PV＝1.6μm，RMS＝0.3μm，说明四程静态像差不具备很好的90°旋转对称性。然后，对第一激光增益介质4、第二激光增益介质7进行热泵浦，使四程放大器处于四程动态通光模式下，测量四程纯动态像差，如图4(a)所示，PV＝3.3μm，RMS＝0.7μm。对四程纯动态像差进行旋转90°，如图4(b)所示。对图4(a)、图4(b)进行求差，如图4(c)所示，PV＝0.8μm，RMS＝0.2μm，说明四程纯动态像差具备很好的90°旋转对称性。因此，发明人在双程通光状态下对静态像差进行校正，并在四程通光状态下对纯动态像差进行校正。
四程放大器工作在双程静态通光模式下，利用波前传感器17对双程静态像差进行测量，如图5(a)所示，PV＝1.7μm，RMS＝0.3μm。用波前校正器8对双程静态像差进行校正，如图5(b)所示，PV＝0.4μm，RMS＝0.05μm，得到静态控制电压。
四程放大器处于四程静态通光模式下，波前校正器8施加静态控制电压之后，利用波前传感器17对四程静态像差进行测量，将此时波前传感器17采集的波前像差设为参考零位。然后，对第一激光增益介质4、第二激光增益介质7进行热泵浦，使四程放大器处于四程动态通光模式下，利用波前传感器17对四程纯动态像差进行测量，如图6(a)所示，PV＝3.3μm，RMS＝0.7μm。利用波前校正器8对四程纯动态像差进行校正，如图6(b)所示，PV＝0.4μm，RMS＝0.04μm，得到动态控制电压，完成四程放大器波前控制。
综上所述，采用放大腔外测量像差、放大腔内补偿像差的方式，在双程静态通光下对四程放大器的静态像差进行校正并得到静态控制电压，在四程动态通光下对四程放大器的纯动态像差进行校正并得到动态控制电压，最终达到对四程放大器像差进行校正的目的。相比于现有的四程放大器波前控制方法，本发明能够针对四程放大器静态像差和纯动态像差所具有的不同的空间分布特征，在双程静态通光和四程动态通光两种状态下，分别针对静态像差和纯动态像差进行校正，得到静态控制电压和动态控制电压，既可以保证四程放大器的有效通光，提高四程放大器输出光束质量，又可以降低对波前校正器像差校正能力的要求。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (3)

1.一种四程放大器波前控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：四程放大器处于双程静态通光模式下，利用波前传感器对双程静态像差进行测量，利用波前校正器对双程静态像差进行校正，得到静态控制电压；
S2：四程放大器处于四程静态通光模式下，波前校正器施加静态控制电压，将波前传感器采集的波前像差设为参考零位；
S3：对激光增益介质进行热泵浦，四程放大器处于四程动态通光模式下，利用波前传感器对四程纯动态像差进行测量，以所述参考零位作为校正目标，利用波前校正器对四程纯动态像差进行校正，得到动态控制电压，完成四程放大器波前控制；
所述波前校正器位于四程放大器的放大腔内部，且波前校正器作为放大腔的腔镜，所述波前传感器位于放大腔外部，且放大腔外部设有分别与波前校正器、波前传感器通讯连接的控制器，所述放大腔内部依次设有第一空间滤波器、第一激光增益介质、第二空间滤波器、第二激光增益介质和取样镜，所述波前校正器、取样镜分别位于放大腔的两端，所述第一空间滤波器的滤波小孔处设置第一反光镜，以将激光注入放大腔，所述第一空间滤波器的滤波小孔处设置第二反光镜，以将双程放大后的激光引入U型90°反转镜；
所述第一激光增益介质、第二激光增益介质处于未泵浦状态时，调整所述波前校正器的姿态，促使双程放大后的激光经取样镜输出，保证四程放大器处于双程静态通光模式；
所述第一激光增益介质、第二激光增益介质处于未泵浦状态时，调整所述波前校正器的姿态，促使双程放大后的激光经第二反光镜引入U型90°反转镜，保证四程放大器处于四程静态通光模式；
所述第一激光增益介质、第二激光增益介质处于泵浦状态时，调整所述波前校正器的姿态，促使双程放大后的激光经第二反光镜引入U型90°反转镜，保证四程放大器处于四程动态通光模式。
2.根据权利要求1所述的一种四程放大器波前控制方法，其特征在于，所述取样镜与波前传感器的通光口对应设置。
3.根据权利要求2所述的一种四程放大器波前控制方法，其特征在于，所述U型90°反转镜沿着激光的传输方向依次包括分光镜、第一透镜、第一波片、电光开关、第二波片、第一反转反光镜、第二反转反光镜、第三反转反光镜和第二透镜，且第一反转反光镜、第二反转反光镜和第三反转反光镜形成角锥结构。
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