CN204858264U - 一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置的技术方案，该方案采用补偿折镜校正谐振腔腔内倾斜像差，能够可以对各种类型增益介质的激光器，稳腔以及非稳腔激光器进行腔内倾斜像差补偿，激光器可为连续激光器也可为脉冲型激光器，具有较强的通用性和普适性。此外，该装置谐振腔内插入元件少、插入损耗小，对腔内元件偏振特性无要求。同时，该装置实现容易、设计灵活、成本低、调试方便。

Description

一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置

技术领域

本实用新型涉及的是激光器技术领域，尤其是一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置。

背景技术

在激光器工作时腔内各种扰动，如增益密度的非对称分布、工作物质、腔镜热变形、装夹机构变形及环境气体热对流等均会导致谐振腔光轴倾斜，从而影响腔模式分布，将直接带来输出功率和输出光束质量的下降。更严重的，腔内倾斜的出现会改变激光模式，造成激光器热分布不均，热分布不均又会产生新的倾斜，使腔难于稳定。动态的倾斜会给激光器的调试带来困难，特别是在失调灵敏度较高的非稳腔激光器中，倾斜像差的影响更加明显，严重影响激光输出功率和输出光束质量。

为了改善腔内倾斜像差对激光器带来的不利影响，可以从三个方面入手。第一个方面是尽可能的降低和避免引入腔内倾斜像差，具体包括采用高速流动的低压气体增益介质或采用非约束封装且均匀冷却的固体介质、提高泵浦均匀性、增强支架稳定性、降低环境热扰动等，但是受限于工艺技术水平和应用需求，很多情况下腔内倾斜像差不能完全消除；第二种方法则是选用失调灵敏度低的腔型，但这种腔型往往基模体积小，无法获得高光束质量的激光输出，具有一定局限性；第三个方面是采用主动倾斜补偿，本实用新型也属于这一范畴。

常见的主动倾斜补偿方法均是基于输出功率最大值、单程测量波面倾斜信息等进行主动补偿。对于腔内倾斜像差不大的激光器，往往使用基于输出功率极值调节腔镜补偿倾斜，这种方法具有很强的盲目性，无法建立二维的闭环机制，容易因局部极值点影响最终补偿结构，且响应速度慢、频率低，难于用于倾斜随时间变化或抖动的谐振腔。在使用基于单程测量的倾斜补偿时，因为腔内存在倾斜像差不仅会带来光轴的倾斜还会带来光瞳的偏移，补偿后沿光轴传输但光瞳偏移的光束被带有曲率的腔镜反射后会引入新的倾斜，因此在单程探测补偿中，需要使用双折镜关联补偿，其控制及算法复杂、不易控制、难于实现。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置的技术方案，该方案采用补偿折镜校正谐振腔腔内倾斜像差，能够对各种类型增益介质的激光器，稳腔以及非稳腔激光器进行腔内倾斜像差补偿，激光器可为连续激光器也可为脉冲型激光器，具有较强的通用性和普适性。此外，该装置谐振腔内插入元件少、插入损耗小，对腔内元件偏振特性无要求。同时，该装置实现容易、设计灵活、成本低、调试方便。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置，包括有第一腔镜、第二腔镜、校正元件、倾斜元件、探测光源、探测光导出镜、探测光导入镜、远场探测器、聚焦镜、校正元件控制器；第一腔镜、第二腔镜、校正元件和倾斜元件组成激光谐振腔；第一腔镜和第二腔镜相对设置在激光谐振腔的两端且与激光光轴垂直；校正元件和倾斜元件设置在第一腔镜和第二腔镜之间；探测光导入镜和探测光导出镜设置在激光谐振腔内；探测光导入镜能够将探测光光源发出的探测光导入激光谐振腔；探测光导出镜能够将激光谐振腔中的探测光导出到聚焦镜后射入远场探测器；远场探测器设置在聚焦镜的焦面上；探测光导入镜和探测光导出镜均为平面镜且一面镀有针对激光的増透膜和针对探测光的部分反射膜，另一面镀有针对激光的増透膜和针对探测光的増透膜，激光光轴穿过探测光导入镜和探测光导出镜且光轴与镜面之间有一定夹角，激光通过探测光导入镜和探测光导出镜时传输方向不发生变化；探测光的波长与激光谐振腔内的激光波长不一致；校正元件控制器能够根据远场探测器接收的光斑信号控制校正元件对激光谐振腔内的倾斜相差进行校正；校正元件为补偿折镜；探测光在探测光导入镜前的曲率半径与激光谐振腔内的激光相匹配。

作为本方案的优选：远场探测器为远场CDD或四象限仪。

作为本方案的优选：激光谐振腔中还包括有耦合输出镜。

作为本方案的优选：第一腔镜为平面镜或凹面镜，其镜面镀有针对激光波长的高反膜或部分反射膜。

作为本方案的优选：第二腔镜为平面镜或凹面镜，其镜面镀有针对激光波长的高反膜或部分反射膜。

作为本方案的优选：倾斜元件为具有倾斜像差的反射型增益介质或具有倾斜像差的透射型增益介质。

作为本方案的优选：校正元件的数量为一个或多个且能够放置在激光谐振腔内的任意位置。

作为本方案的优选：倾斜元件包括但不限于激光增益介质；增益介质为固体材料或气体材料，介质类型为透射型或反射型。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中采用补偿折镜进行校正，可以同时校正激光光轴和激光光瞳，与谐振腔结构、增益介质特征等因素无关，适用于各类稳腔及非稳腔、反射型增益介质及透射型增益介质，具有很强的普适性，可以对腔内具有较强的倾斜像差进行主动光学校正，提高激光器稳定性，并提高输出激光的光束质量。

由此可见，本实用新型与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本实用新型腔内使用反射型倾斜元件的平凹稳定腔示意图。

图2为本实用新型腔内使用透射型倾斜元件的正支共焦非稳腔示意图。

图3为本实用新型腔内倾斜的谐振腔往返探测光传输特性原理示意图。

图4为本实用新型腔内倾斜的谐振腔补偿后往返探测光传输特性原理示意图。

图中，1为第一腔镜，2为校正元件，3为倾斜元件，3-1、3-2…3-i…3-N为腔内各倾斜元件，4为探测光导出镜，5为探测光导入镜，6为探测光源，7为聚焦镜，8为远场探测器，9为探测光束，10为输出激光束，11为耦合输出镜，12为校正元件控制器，13为第二腔镜。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本装置的原理由图1可看出在腔内存在倾斜像差的情况时，探测光源6发出的探测光束9经过导入镜5导入后与激光同轴，经第一腔镜1反射后，沿光轴返回并通过腔内各元件到第二腔镜13，第一腔镜1与第二腔镜13距离为L。光在此传输期间经过N个倾斜元件而使光束发生倾斜，每个倾斜元件的倾斜量分别为a_i，其中i∈[1,N]，并每个倾斜元件分别与第一腔镜1距离为l_i，i∈[1,N]。故所有倾斜元件总倾斜量到第一腔镜1上总光瞳移动量将所有倾斜元件等效为一个倾斜元件3，其等效倾斜量为A，等效位置L₁＝S/A。此时探测光到达第一腔镜1时与光轴夹角为σ₁＝A，偏离光轴中心的距离Δ₁＝AL₁。光束经过曲率半径为R的第一腔镜1反射后，主光线与光轴夹角为α₁＝σ₁-2Δ₁/R，反射后光束再次经过倾斜元件3，并传输到第二腔镜13处时，光束与光轴夹角为α₂＝α₁+A，其光瞳偏移量为Δ₂＝Δ₁+α₁L₁，这一探测光束在回到第二腔镜13前被探测光导出镜4导出并经过聚焦透镜7，最终被远场探测器8探测。由上述表达式可知道，α₂＝2A(R-L₁)/R，Δ₂＝2AL₁(R-L₁)/R，故当存在腔内倾斜量A时，光束既发生与光轴夹角的偏移，又发生了光瞳的偏移。

如图2为在腔中加入校正元件的情况，在谐振腔中距离第一腔镜1为L₂处放入校正元件2，校正量为B。(其中L₁与L₂无相关性，图中画出为L₁>L₂的图示)，探测光束9镜探测光导入镜5导入后与激光同轴，经第二腔镜13反射后，沿光轴返回并通过腔内各元件到第一腔镜1，期间经过等效的倾斜元件3及校正元件2，因此探测光到达第一腔镜1时与光轴夹角为σ₁′＝A+B，偏离光轴中心的距离Δ₁′＝AL₁+BL₂，经曲率半径为R的第一腔镜1反射后，主光线与光轴夹角为α₁′＝σ₁′-2Δ₁′/R。经第一腔镜1反射后的光束再次经过校正元件2与倾斜元件3，到第二腔镜13时，光束与光轴夹角为α₂′＝α₁′+B+A，其光瞳偏移量为Δ₂′＝Δ₁′+α₁′L₁+B(L₁-L₂)，这一探测光束在回到第二腔镜13前被探测光导出镜4导出并经过聚焦透镜7，最终被远场探测器8探测。当腔内没有倾斜像差时(A＝0)，及静态腔无倾斜失调时，定义此时探测器中远场光斑的质心为基点；当腔失调存在倾斜像差(A≠0)，且还未进行腔内倾斜校正时，探测其中探测到的远场光斑质心偏离基点。为使光轴校正，需使α₂′＝0，此时B＝A(L₁-R)/(R-L₂)。将此值带入可得Δ₂′＝0。即此时在第二腔镜13处光轴倾斜与光瞳倾斜都被校正，这一光束可以在腔内往返振荡，完全补偿了谐振腔的失调。在上述方法中，校正量只与L₁、L₂、R和A有关，故可适用于多种腔型，当第一腔镜1为平面镜时，R＝∞，B＝-AL₁/L₂此式也是成立的。

本实用新型的第一种实现方式如图1所示，倾斜元件3为反射型，其物质形态、尺寸、形状等没有具体限制，泵浦机制也可以是多种多样的，故图中未画出泵浦装置。第一腔镜1与第二腔镜13组成平凹稳腔，其中第一腔镜1镀有针对激光波长和探测光波长的高反膜，而第二腔镜13作为输出镜，镀有针对激光波长一定反射率的膜，并且镀有针对探测光波长的高反膜。探测光源6发出的探测光束9经探测光导入镜5导入并与激光同轴，探测光源6发射的探测光束9导入腔内后，需要有足够的光束尺寸，不应小于腔内振荡激光尺寸的90％。探测光导入镜5与探测光导出镜4均为平面镜，一面镀有针对激光和探测光的増透膜，另一个表面镀有针对激光的増透膜和针对探测光的部分反射膜，且当其对探测光部分反射膜反射率为50％时效果最佳。探测光在腔内往返振荡一周后由探测光导出镜4导出，经聚焦透镜7后进入远场探测器8，其中聚焦透镜7表面应镀有针对探测光的増透膜，远场探测器可为远场CCD，也可以是四象限仪等光斑位置测量仪，也可以是像屏人工观测，这里选用远场CCD。远场探测器8应与探测光输出光束的波长、谱线宽度匹配。谐振腔中补偿折镜2、计算机和补偿折镜控制器12，补偿折镜2由可调镜架、反射镜和由补偿折镜控制器12控制的促动器构成，促动器可为压电式促动器、步进电机式促动器等，也可免去补偿折镜控制器12直接手动调节。反射镜镀有针对激光波长和探测光波长的高反膜，补偿折镜2可在设置在谐振腔中任意位置，可为1块，也可为多块组合。远场探测器8、补偿折镜控制器12、补偿折镜2相连接，形成闭环系统。

本实用新型的第二种实现方式如图2所示，与第一种实现方式不同的地方在于，激光腔型为非稳腔，其中第一腔镜1与第二腔镜13组成非稳腔镜，其表面都镀有针对激光波长和探测光波长的高反膜，通常非稳腔型激光器受到腔内倾斜像差的影响更为严重。耦合输出镜11为一环形孔径的反射镜，其中心区域可以使激光自由通过，而边缘环形区域镀有针对激光的高反膜，将该区域的激光耦合输出。倾斜元件3为透射型，其物质形态、尺寸、形状等没有具体限制，泵浦机制也可以是多种多样的，图中未画出泵浦装置。其余装置与第一种实现方式所述相同。

当激光器未运转时，腔内不存在倾斜像差时，可在远场探测器8中观测到探测光远场光斑质心基点坐标(X₀,Y₀)，当倾斜元件3泵浦产生激光后，可能因为多种原因产生固定或者变化的倾斜像差，并使激光光束质量恶化，激光器变得不稳定。此时可在远场探测器8中观察到远场光斑的偏移，观测此时远场光斑质心坐标(X₁,Y₁)，将此数据传入补偿折镜控制器12，并驱动控制补偿折镜2，不断使远场光斑质心向基点坐标(X₀,Y₀)，直到补偿到质心基点，此时即校正了腔内倾斜像差。此后继续对CCD中远场光斑质心进行监测，进行实时校正。当腔内插入多个补偿折镜2时，倾斜补偿量可以平均或以特定分配比例或随机的分配于各补偿折镜2。

本实用新型中腔内增益介质的数量无具体要求，可为单增益介质激光器，也可为多增益介质激光器，其中腔内元件放置过程中需保证探测光导入镜5与探测光导出镜4之间没有放置会产生倾斜像差的元件。

本实用新型的具体实时方案中，理想输出光束形状无具体要求，可以为圆形、椭圆形、矩形。谐振腔类型、倾斜元件类型、补偿折镜类型间没有对应关系，可根据实际情况任意组合。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置，其特征是：包括有第一腔镜、第二腔镜、校正元件、倾斜元件、探测光源、探测光导出镜、探测光导入镜、远场探测器、聚焦镜、校正元件控制器；所述第一腔镜、第二腔镜、校正元件和倾斜元件组成激光谐振腔；所述第一腔镜和第二腔镜相对设置在激光谐振腔的两端且与激光光轴垂直；所述校正元件和倾斜元件设置在第一腔镜和第二腔镜之间；所述探测光导入镜和探测光导出镜设置在激光谐振腔内；所述探测光导入镜能够将探测光光源发出的探测光导入激光谐振腔；所述探测光导出镜能够将激光谐振腔中的探测光导出到聚焦镜后射入远场探测器；所述远场探测器设置在聚焦镜的焦面上；所述探测光导入镜和探测光导出镜均为平面镜且一面镀有针对激光的増透膜和针对探测光的部分反射膜，另一面镀有针对激光的増透膜和针对探测光的増透膜，激光光轴穿过探测光导入镜和探测光导出镜且光轴与镜面之间有一定夹角，激光通过探测光导入镜和探测光导出镜时传输方向不发生变化；所述探测光的波长与激光谐振腔内的激光波长不一致；所述校正元件控制器能够根据远场探测器接收的光斑信号控制校正元件对激光谐振腔内的倾斜相差进行校正；所述校正元件为补偿折镜；所述探测光在探测光导入镜前的曲率半径与激光谐振腔内的激光相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置，其特征是：所述远场探测器为远场CDD或四象限仪。

3.根据权利要求1所述的一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置，其特征是：所述激光谐振腔中还包括有耦合输出镜。

4.根据权利要求1所述的一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置，其特征是：所述第一腔镜为平面镜或凹面镜，其镜面镀有针对激光波长的高反膜或部分反射膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置，其特征是：所述第二腔镜为平面镜或凹面镜，其镜面镀有针对激光波长的高反膜或部分反射膜。

6.根据权利要求1所述的一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置，其特征是：所述倾斜元件为具有倾斜像差的反射型增益介质或具有倾斜像差的透射型增益介质。

7.根据权利要求1所述的一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置，其特征是：所述校正元件的数量为一个或多个且能够放置在激光谐振腔内的任意位置。

8.根据权利要求1所述的一种基于往返探测的腔内倾斜像差主动补偿装置，其特征是：所述倾斜元件包括但不限于激光增益介质。