CN111367070A - 一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统与方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，包括变形镜及其驱动器、倍频晶体、计算控制处理器、会聚透镜及机壳组件；变形镜、倍频晶体、会聚透镜为同光轴设置，变形镜镜面法线与其入射光方向夹角为45°，倍频晶体镜面法线及会聚透镜的光轴与其入射光方向重合；倍频晶体在实际工作环境下存在面形畸变，平面波入射时会偏离角度相位匹配，降低倍频效率；本发明在工作前通过线下测量，得到倍频晶体的畸变面形和变形镜及其驱动器的响应函数，计算出变形镜驱动器补偿倍频晶体面形畸变及矫正输出光波前所需驱动电压，工作时，控制驱动器加载所计算出的驱动电压，即可达到在实现精准的角度相位匹配、将倍频效率提高的同时，提高输出光准直性的效果。

Description

一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统与方法
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，涉及激光惯性约束聚变装置中高功率固体激光驱动器中的倍频效率提升，特别涉及一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统与方法。
背景技术
在激光惯性约束聚变装置中的高功率固体激光驱动器中，倍频是激光输出前必不可少的过程，倍频效率的高低与出射光的波前面形质量直接影响着激光打靶的效果。角度相位匹配是产生倍频光的一个重要条件，具体表现为当入射光与倍频晶体光轴之间的夹角为一个特定角度时，倍频效率最大，因此一般在倍频晶体生产过程中便是以一定角度进行切割，以使其在具体光路中与入射光达到角度相位匹配。
但是在实际工作环境下，由于倍频晶体口径较大，其镜面尺寸高达400mm×400mm，因此在重力等因素的影响下，倍频晶体不再是一个平整的形态，此时如果入射光依然为平面波，必然会导致偏离角度相位匹配，导致倍频效率下降。在传统思路下，对倍频晶体的制造、装配等过程的优化已对上述问题进行了一定的改善，但已经难以进一步地对此问题进行解决，目前倍频晶体表面依然有约6到8微米的面形误差，阻碍着倍频效率的进一步提高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，进一步解决当前在实际工作环境下由于重力等因素影响使大口径倍频晶体形变导致倍频效率下降的问题，本发明利用自适应光学的原理和手段，从主动改变入射光波前以补偿倍频晶体形变的思路出发，提供了一种具有高倍频效率的大口径激光频率转换系统及方法，通过调控入射光波前改善角度相位匹配情况，进而提高倍频效率；并在出射端同样以波前调控的方法对出射光波前进行矫正，提高了其准直性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，包括同光轴设置的变形镜一1、倍频晶体一3、倍频晶体二4、变形镜二5和会聚透镜7，其中变形镜一1和变形镜二5均水平设置，变形镜一1镜面朝上，变形镜二5镜面朝下，倍频晶体一3、倍频晶体二4和会聚透镜7设置在变形镜一1和变形镜二5之间，倍频晶体一3和倍频晶体二4平行，均倾斜设置，且镜面法线与其入射光方向重合，入射激光束经变形镜一1反射后，入射至倍频晶体一3的入射端，经倍频晶体一3和倍频晶体二4频率转换后，入射至变形镜二5，经变形镜二5反射后再通过会聚透镜7聚焦输出，其中，变形镜一1与驱动器一2的驱动元件顶端机械连接，变形镜二5与驱动器二6的驱动元件顶端机械连接，所述驱动器一2和驱动器二6均与计算控制处理器8电连接，所述驱动器一2和驱动器二6为压电驱动器，通过改变驱动器控制电压使压电陶瓷产生形变进而控制对应变形镜的面形。
所述变形镜一1和变形镜二5的镜面法线均与其入射光方向夹角为45°，所述倍频晶体一3和倍频晶体二4均倾斜45°设置。
所述变形镜一1和变形镜二5的镜面均为矩形，在底面分布有若干玻璃柱，所述驱动器一2和驱动器二6上的驱动元件数量与玻璃柱数量一致，各驱动元件顶端有杯状接口，各玻璃柱与杯状接口用环氧树脂连接。
所述驱动器一2和驱动器二6的底座上均匀分布有数十个驱动元件，所述驱动元件为压电材料堆栈，其极化方向形变量与驱动电压成正比。
所述倍频晶体一3和倍频晶体二4为KDP晶体，倍频晶体一3主要将基频光转换为二倍频光，倍频晶体二4主要用于产生三倍频光。所述会聚透镜7为球面凸透镜。
所述变形镜一1与驱动器一2、变形镜二5与驱动器二6所能实现的调制范围为数十微米量级。
各个元件及其所需的装配结构安装于机壳组件9，保证各个元件的空间位置关系。
所述入射激光束经变形镜一1反射后，激光波前得到调制，与倍频晶体一3畸变的面形实现精准角度相位匹配，经变形镜二5反射后，出射光波前被矫正为平面波，经会聚透镜7聚焦后输出打靶。
本发明还提供了基于所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：在纳米精度量级的大口径激光干涉仪上，采用与实际工作情况一致的放置与安装方式，对倍频晶体镜面的面形进行精密测量，获取倍频晶体一3和倍频晶体二4在实际工作环境下面形的精准数据；
步骤2：将倍频晶体一3的面形数据输入到计算控制处理器8中，利用其面形数据计算出实现精准角度相位匹配所需要的入射光波前，计算此入射光波前的泽尼克像差系数以便拟合重建入射光波前面形；
步骤3：将倍频晶体二4的面形数据输入到计算控制处理器8中，结合拟合重建的入射光波前面形，计算得到倍频晶体二4的出射光波前面形数据，计算出射光波前面形的泽尼克像差系数以便矫正输出出射光波前；
步骤4：将变形镜一1、驱动器一2与变形镜二5、驱动器二6以与实际工作环境相同的方式放置，并用波前为平面的激光沿与镜面法线夹角为45°的方向照射变形镜一1，利用波前传感器，在分别给驱动器上的每个驱动元件加一定电压时，测量出此时被变形镜调制后的波前面形，并计算其泽尼克像差系数，即为每个驱动器的响应函数；
步骤5：利用步骤2中计算得到的倍频晶体一3的入射光波前面形的泽尼克像差数据和变形镜一1、驱动器一2对应的响应函数，在计算控制处理器8中拟合计算出驱动器一2的每个驱动元件所需的驱动电压；利用步骤3中计算得到的倍频晶体二4的出射光波前面形的泽尼克像差数据和变形镜二5、驱动器二6对应的响应函数，在计算控制处理器8中拟合计算出驱动器二6的每个驱动元件所需的驱动电压；
步骤6：在系统即将工作时，控制相应驱动器给其驱动元件加载步骤5中所计算出的驱动电压；
步骤7：工作结束后，控制驱动器及时清零驱动电压。
针对传统改善加工、装配的方法无法完全克服由于重力等因素影响使倍频晶体发生形变进而导致倍频效率下降的问题，本发明提供了一种基于入射波前调控提高倍频效率的大口径激光频率转换系统，并提出了利用该系统实现波前调控的具体方法流程。通过两块变形镜分别对入射光波前和出射光波前的控制，本发明能够实现：
一、理论上可以完全矫正在改善加工、装配工艺后仍残余的由于倍频晶体面形畸变导致的角度相位匹配误差，实现频率转换效率的进一步提高。
二、矫正由于入射光波前调制、倍频晶体面形畸变等因素综合作用下导致的出射光波前畸变，提高了出射光的准直性。
附图说明
图1是本发明所涉大口径激光频率转换系统的结构图。
图2是本发明实现波前控制的过程示意图。
图3是根据倍频晶体面形畸变计算所需入射光波前的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种具有高倍频效率的大口径激光频率转换系统，包括变形镜一1、驱动器一2、倍频晶体一3、倍频晶体二4、变形镜二5、驱动器二6、会聚透镜7、计算控制处理器8、机壳组件9；所述变形镜一1和变形镜二5水平设置，变形镜一1镜面朝上，变形镜二5镜面朝下，二者的镜面法线均与其入射光方向夹角为45°；所述倍频晶体一3与倍频晶体二4倾斜45°设置且镜面法线与其入射光方向重合，变形镜一1、倍频晶体一3、倍频晶体二4、变形镜二5、会聚透镜7的中心为同光轴设置。在工作过程中，入射激光束经变形镜一1反射后，激光波前得到调制，与倍频晶体一3畸变的面形实现精准角度相位匹配，入射至倍频晶体一3的入射端，经倍频晶体一3和倍频晶体二4的频率转换后，入射至变形镜二5，经变形镜二5反射后，出射光波前被矫正为平面波，经会聚透镜7聚焦后输出打靶。
在本具体实施方式中，所述变形镜一1、变形镜二5镜面为矩形，主要尺寸为600mm×400mm×10mm，材料为BK7玻璃，并在底面均匀分布有81个直径为10mm的玻璃柱，分别与所述驱动器一2和驱动器二6的驱动元件顶端的杯状接口用环氧树脂连接。所述驱动器一2和驱动器二6的驱动元件为压电材料堆栈，其极化方向形变量与驱动电压成正比，81个驱动元件均匀分布在其底座上，与变形镜玻璃柱一一对应。所述倍频晶体一3和倍频晶体二4为KDP晶体，主要尺寸为400mm×400mm×10mm，倍频晶体一3主要将基频光转换为二倍频光，倍频晶体二4主要用于产生三倍频光。所述会聚透镜7为球面凸透镜，材料为BK7玻璃，主要轮廓为400mm×400mm的矩形。所述计算控制处理器8为计算机，拥有可以利用畸变面形计算出对应输入输出光波前面形的程序、计算波前面形数据的泽尼克像差并用驱动器响应函数拟合计算出对应驱动电压的程序，以及哈特曼—夏克波前传感器的配套程序、控制压电驱动器的驱动程序，并与驱动器一2和驱动器二6电连接，通过改变驱动器控制电压使压电陶瓷产生形变进而控制对应变形镜的面形。所述变形镜与驱动器所能实现的调制范围为数十微米量级，因此需要加工与装配工艺水平能够实现使倍频晶体面形畸变不超过变形镜调节范围。所述机壳组件9材料为铝61，在其元件安装部位应开有若干槽和孔，用于安装上述各个元件，保证各元件的位置关系，其中倍频晶体和会聚透镜的装配具体需参考相关大口径光学元件的精密装配结构及技术方法，变形镜与驱动器的安装配置具体需参考自适应光学器件装配的相关技术方法，机壳组件9的具体结构可根据实际需要更改设计。
以所述具有高倍频效率的大口径激光频率转换系统的原理和结构为基础，由于变形镜对面形的调节量有限，因此需配合对倍频晶体的精密制造、精密装配结构与方法等技术共同使用；同时，其实际线上工作时间很短，仅为激光打靶时的数秒时间，因此通过波前调控实现在激光打靶的短暂时间内提高频率转换效率和输出光准直性的方法具有“线下测量计算-线上直接控制”的工作特点。参考图2，其具体实现步骤如下：
步骤1：在纳米精度量级的
Figure BDA0002419820130000063
的大口径近红外波长移向干涉仪上，采用与实际工作情况一致的放置与安装方式，对倍频晶体镜面的面形进行精密测量，获取倍频晶体一3和倍频晶体二4在实际工作环境下面形的精准数据。
步骤2：将倍频晶体一3的面形数据输入到计算控制处理器8中，利用倍频晶体面形数据计算出实现精准角度相位匹配所需要的入射光波前，具体计算原理如图3所示，在倍频晶体表面的一点，由于面形畸变使得该点处镜面的法线相较于平整表面的法线倾斜角为θs，此时入射光线需偏转角度θd以保证进入晶体的光线与晶体光轴的夹角仍为相位匹配角θpm，根据光的折射公式：
n0sin(θs+θd)＝ne(θpm)sin(θs)
其中n0为环境空气折射率，ne(θpm)为与晶体光轴夹角为θpm方向的e光折射率。
即可计算得到θd，即该点处的入射光波前面形的倾斜角，对每个点在X、Y两个正交方向都进行上述计算，即可得到入射光波前面形的斜率分布：
Gx(x,y)＝tan(θdx(x,y))
Gy(x,y)＝tan(θdy(x,y))
其中Gx、Gy为入射光波前面形分别在X、Y方向上的波前斜率分布，θdx、θdy为入射光波前面形在每一点处分别在X、Y方向上的倾斜角。
进一步，由泽尼克多项式表达的波前面形为：
Figure BDA0002419820130000061
其中
Figure BDA0002419820130000062
为入射光波前面形，ak为第k项泽尼克像差系数，Zk为第k项泽尼克多项式。
因此入射光波前斜率分布又可表示为：
Figure BDA0002419820130000071
Figure BDA0002419820130000072
结合之前对入射光波前倾斜角的计算结果，即可解出入射光波前面形的泽尼克像差系数，考虑到计算效率与面形分辨率要求，这里取其前36项的泽尼克像差系数，整合记为36×1的矩阵A。
步骤3：将倍频晶体二4的面形数据输入到计算控制处理器8中，结合所计算出的调制后入射光波前面形，同样利用折射率公式，计算得到倍频晶体二4的出射光波前面形的斜率分布，以与步骤3相同的方法，计算出此波前面形的前36项的泽尼克像差系数以便矫正。
步骤4：将变形镜一1、驱动器一2与变形镜二5、驱动器二6以与实际工作环境相同的方式放置，并用波前为平面的激光沿与镜面成45°的方向照射变形镜，利用哈特曼-夏克波前传感器，在分别给驱动器上的每个驱动元件加10V电压时，测量出此时被变形镜调制后的波前面形，利用与步骤2相同的方式计算出其前36项泽尼克像差系数，即为每个驱动元件的响应函数，将同一个驱动器的响应函数整合记作36×81的矩阵B，其每一列为一个驱动元件的响应函数。
步骤5：利用步骤2中计算得到的倍频晶体一3的入射光波前面形的泽尼克像差数据和变形镜一1、驱动器一2对应的响应函数，在计算控制处理器8中拟合计算驱动器一2的每个驱动元件所需的驱动电压，设其为81×1的矩阵V，则有：
Figure BDA0002419820130000081
即A＝BV，利用此方程即可解出每个驱动元件所需的驱动电压，若B不可逆则可用最小二乘法进行拟合得到驱动电压的最优解。
利用步骤3中计算得到的倍频晶体二4的出射光波前面形的泽尼克像差数据和变形镜二5、驱动器二6对应的响应函数，在计算控制处理器8中，以与计算驱动器一2的驱动电压同样的方法，拟合计算出驱动器二6的每个驱动元件所需的驱动电压。
步骤6：在系统即将工作时，控制驱动器一2和驱动器二6分别给其驱动元件加载步骤5中所计算出的对应驱动电压。
步骤7：工作结束后，控制驱动器及时清零驱动电压，具体方式为依次给驱动器元件加载20V电压保持5秒、加载10V电压保持5秒、加载-10V电压保持5秒、加载-20V电压保持5秒、加载-10V电压保持5秒、加载0V电压结束。
综上，倍频晶体在实际工作环境下由于重力等因素的影响存在面形畸变，当平面波入射时会偏离角度相位匹配，降低倍频效率；本发明系统在工作前通过线下测量，得到倍频晶体的畸变面形和变形镜及其驱动器的响应函数，通过计算控制处理器分别计算出变形镜驱动器补偿倍频晶体面形畸变及矫正输出光波前所需的驱动电压，在系统工作时，控制驱动器加载所计算出的驱动电压，即可达到在实现精准的角度相位匹配、将倍频效率提高的同时，提高输出光准直性的效果。

Claims (10)

1.一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，其特征在于，包括同光轴设置的变形镜一(1)、倍频晶体一(3)、倍频晶体二(4)、变形镜二(5)和会聚透镜(7)，其中变形镜一(1)和变形镜二(5)均水平设置，变形镜一(1)镜面朝上，变形镜二(5)镜面朝下，倍频晶体一(3)、倍频晶体二(4)和会聚透镜7设置在变形镜一(1)和变形镜二(5)之间，倍频晶体一(3)和倍频晶体二(4)平行，均倾斜设置，且镜面法线与其入射光方向重合，入射激光束经变形镜一(1)反射后，入射至倍频晶体一(3)的入射端，经倍频晶体一(3)和倍频晶体二(4)频率转换后，入射至变形镜二(5)，经变形镜二(5)反射后再通过会聚透镜(7)聚焦输出，其中，变形镜一(1)与驱动器一(2)的驱动元件顶端机械连接，变形镜二(5)与驱动器二(6)的驱动元件顶端机械连接，所述驱动器一(2)和驱动器二(6)均与计算控制处理器(8)电连接，所述驱动器一(2)和驱动器二(6)为压电驱动器，通过改变驱动器控制电压使压电陶瓷产生形变进而控制对应变形镜的面形。
2.根据权利要求1所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，其特征在于，所述变形镜一(1)和变形镜二(5)的镜面法线均与其入射光方向夹角为45°，所述倍频晶体一(3)和倍频晶体二(4)均倾斜45°设置。
3.根据权利要求1所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，其特征在于，所述变形镜一(1)和变形镜二(5)的镜面均为矩形，在底面分布有若干玻璃柱，所述驱动器一(2)和驱动器二(6)上的驱动元件数量与玻璃柱数量一致，各驱动元件顶端有杯状接口，各玻璃柱与杯状接口用环氧树脂连接。
4.根据权利要求1所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，其特征在于，所述驱动器一(2)和驱动器二(6)的底座上均匀分布有数十个驱动元件，所述驱动元件为压电材料堆栈，其极化方向形变量与驱动电压成正比。
5.根据权利要求1所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，其特征在于，所述倍频晶体一(3)和倍频晶体二(4)为KDP晶体，倍频晶体一(3)主要将基频光转换为二倍频光，倍频晶体二(4)主要用于产生三倍频光。
6.根据权利要求1所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，其特征在于，所述会聚透镜(7)为球面凸透镜。
7.根据权利要求1所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，其特征在于，所述变形镜一(1)与驱动器一(2)、变形镜二(5)与驱动器二(6)所能实现的调制范围为数十微米量级。
8.根据权利要求1所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，其特征在于，各个元件及其所需的装配结构安装于机壳组件(9)，保证各个元件的空间位置关系。
9.根据权利要求1所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，其特征在于，所述入射激光束经变形镜一(1)反射后，激光波前得到调制，与倍频晶体一(3)畸变的面形实现精准角度相位匹配，经变形镜二(5)反射后，出射光波前被矫正为平面波，经会聚透镜(7)聚焦后输出打靶。
10.基于权利要求1所述具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统使用法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：在纳米精度量级的大口径激光干涉仪上，采用与实际工作情况一致的放置与安装方式，对倍频晶体镜面的面形进行精密测量，获取倍频晶体一(3)和倍频晶体二(4)在实际工作环境下面形的精准数据；
步骤2：将倍频晶体一(3)的面形数据输入到计算控制处理器(8)中，利用其面形数据计算出实现精准角度相位匹配所需要的入射光波前，计算此入射光波前的泽尼克像差系数以便拟合重建入射光波前面形；
步骤3：将倍频晶体二(4)的面形数据输入到计算控制处理器(8)中，结合拟合重建的入射光波前面形，计算得到倍频晶体二(4)的出射光波前面形数据，计算出射光波前面形的泽尼克像差系数以便矫正输出出射光波前；
步骤4：将变形镜一(1)、驱动器一(2)与变形镜二(5)、驱动器二(6)以与实际工作环境相同的方式放置，并用波前为平面的激光沿与镜面法线夹角为45°的方向照射变形镜一(1)，利用波前传感器，在分别给驱动器上的每个驱动元件加一定电压时，测量出此时被变形镜调制后的波前面形，并计算其泽尼克像差系数，即为每个驱动器的响应函数；
步骤5：利用步骤2中计算得到的倍频晶体一(3)的入射光波前面形的泽尼克像差数据和变形镜一(1)、驱动器一(2)对应的响应函数，在计算控制处理器(8)中拟合计算出驱动器一(2)的每个驱动元件所需的驱动电压；利用步骤3中计算得到的倍频晶体二(4)的出射光波前面形的泽尼克像差数据和变形镜二(5)、驱动器二(6)对应的响应函数，在计算控制处理器(8)中拟合计算出驱动器二(6)的每个驱动元件所需的驱动电压；
步骤6：在系统即将工作时，控制相应驱动器给其驱动元件加载步骤5中所计算出的驱动电压；
步骤7：工作结束后，控制驱动器及时清零驱动电压。
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