RU2783630C1 - Method for adaptive intracavity phase correction of laser emission - Google Patents

Method for adaptive intracavity phase correction of laser emission Download PDF

Info

Publication number
RU2783630C1
RU2783630C1 RU2022100175A RU2022100175A RU2783630C1 RU 2783630 C1 RU2783630 C1 RU 2783630C1 RU 2022100175 A RU2022100175 A RU 2022100175A RU 2022100175 A RU2022100175 A RU 2022100175A RU 2783630 C1 RU2783630 C1 RU 2783630C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
algorithm
voltages
actuators
laser
control
Prior art date
Application number
RU2022100175A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Богачев
Сергей Григорьевич Гаранин
Михаил Александрович Глухов
Михаил Олегович Колтыгин
Александр Валентинович Копалкин
Руслан Сергеевич Кузин
Федор Алексеевич Стариков
Роман Анатольевич Шнягин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Application granted granted Critical
Publication of RU2783630C1 publication Critical patent/RU2783630C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: lasers.
SUBSTANCE: invention relates to the field of laser technology and can be used for an effective procedure of intracavity phase correction of multimode laser emission. Method for intracavity phase correction of laser emission is based on changing the surface shape of a flexible adaptive mirror (AM) located in place of a fully reflective mirror of the laser resonator by emitting control signals on the actuators of the AM. The control signals are calculated using a stochastic parallel gradient (SPG) algorithm.
EFFECT: implementation of intracavity phase correction of multimode laser emission, consisting in narrowing the directivity pattern of the multimode emission and raising the speed of the adaptive optical system by applying an advanced algorithm for stochastic parallel gradient descent — the SPG algorithm.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной техники и может найти применение при внутрирезонаторной фазовой коррекции многомодового лазерного излучения.The invention relates to the field of laser technology and can be used for intracavity phase correction of multimode laser radiation.

В настоящее время адаптивная оптическая система (АОС) является неотъемлемой частью импульсных и непрерывных лазерных установок. Цель использования АОС - компенсация статических и (или) динамических искажений волнового фронта лазерного пучка, возникающих при его распространении через оптические неоднородности активной лазерной среды и оптического тракта. Основными составными частями традиционной АОС являются датчик волнового фронта (ДВФ), гибкое адаптивное зеркало (АЗ), спецвычислитель (например, персональный компьютер (ПК)), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и высоковольтный усилитель. Измерение локальных градиентов фазовой поверхности пучка проводится с помощью ДВФ. Восстановление фазовой поверхности и расчет требуемых напряжений, подаваемых на исполнительные механизмы АЗ, проводится в спецвычислителе. Вычисленные напряжения преобразуются с помощью ЦАП в аналоговый сигнал, усиливаются с помощью высоковольтного усилителя и подаются на исполнительные механизмы АЗ, в результате чего производится требуемая деформация поверхности АЗ.At present, an adaptive optical system (AOS) is an integral part of pulsed and cw laser systems. The purpose of using AOS is to compensate for static and (or) dynamic distortions of the laser beam wavefront that occurs when it propagates through optical inhomogeneities of the active laser medium and optical path. The main components of a traditional AOS are a wavefront sensor (WFS), a flexible adaptive mirror (AM), a special calculator (for example, a personal computer (PC)), a digital-to-analog converter (DAC) and a high-voltage amplifier. The local gradients of the beam phase surface are measured using the WFS. Restoration of the phase surface and calculation of the required voltages applied to the actuators of the AZ is carried out in a special calculator. The calculated voltages are converted by the DAC into an analog signal, amplified by a high-voltage amplifier and fed to the actuators of the core, resulting in the required deformation of the core surface.

На практике возможны ситуации, когда падающий на ДВФ пучок пространственно некогерентный, то есть в нем присутствует одновременно множество независимых волновых фронтов. В этом случае ДВФ будет измерять некий средний волновой фронт излучения, и коррекция такого пучка с помощью АОС с ДВФ будет неэффективна. Например, указанная ситуация реализуется в плоскопараллельном лазерном резонаторе. Внутри резонатора одновременно распространяется несколько независимых лазерных мод, при этом каждая мода имеет свой волновой фронт. В условиях нестационарной оптически неоднородной активной лазерной среды структура волновых фронтов непрерывно изменяется, и задача фазовой коррекции многомодового излучения усложняется.In practice, situations are possible when the beam incident on the WFS is spatially incoherent, that is, it simultaneously contains many independent wave fronts. In this case, the WFS will measure a certain average wave front of the radiation, and the correction of such a beam using AOS with a WFS will be inefficient. For example, this situation is realized in a plane-parallel laser resonator. Several independent laser modes simultaneously propagate inside the resonator, with each mode having its own wavefront. Under the conditions of a nonstationary optically inhomogeneous active laser medium, the structure of wave fronts changes continuously, and the problem of phase correction of multimode radiation becomes more complicated.

В настоящее время внутрирезонаторная коррекция лазерного излучения с помощью A3 уже осуществлялась. Для управления АЗ применяют различные итеративные алгоритмы: последовательное «восхождение на холмы, двухэтапное «восхождение на холм», имитация «отжигам, случайный поиск, адаптивный случайный поиск [М.А. Воронцов, А.В. Корябин. В.И. Полежаев, В.И. Шмальгаузен, "Адаптивное внутрирезонаторное управление модовым составом излучения твердотельного лазера", Квантовая электроника, 18, №8, (1991), 904-905. 1], [Waiter Lubeigt, Gareth Valentine, John Girkin, Erwin Bente, David Bums, "Active transverse mode control and optimization of an all-solid-state laser using an intracavity adaptive-optic mirror", Optics Express, Vol. 10, No. 13. (2002), 550-553. 2], [Walter Lubeigt, Gareth Valentine and David Bums, "Enhancement of laser performance using an intracavity deformable membrane mirror", Optics Express, Vol. 16, No. 15, (2008), 10943-10955. 3], [P. Yang, Y. Liu, W. Yang et al., "Adaptive mode optimization of a continuous-wave solid-state laser using an intracavity piezoelectric deformable mirror", Optics Communications, 278, (2007), 377-381. 4], [Ping Yang, MingWu Ao, Yuan Liu, Bing Xu, WenHan Jiang, "Intracavity transverse modes controlled by a genetic algorithm based on Zemike mode coefficients". Optics Express, Vol. 15, No. 25, (2007) 17051-17062. 5]. В качестве наиболее близкого аналога, реализующего заявляемый способ внутрирезонаторной фазовой коррекции лазерного излучения, был выбран способ [P. Yang, X. Lei, R. Yang, M. Ao, L. Dong, B. Xu "Fast and stable enhancement of the far-field peak power by use of an intracavity deformable mirror", Appl. Phys. B (2010) 100, 591-595. 6]. В этом способе рассмотрен вариант внутрирезонаторной фазовой коррекции одномодового лазерного излучения путем управления модой на базе определенного алгоритма.At present, intracavity correction of laser radiation using the A3 has already been carried out. Various iterative algorithms are used to control the AZ: sequential “hill climbing”, two-stage “hill climbing”, simulation of “annealing, random search, adaptive random search [M.A. Vorontsov, A.V. Koryabin. IN AND. Polezhaev, V.I. Schmalhausen, "Adaptive intracavity control of the mode composition of solid-state laser radiation", Quantum Electronics, 18, no. 8, (1991), 904-905. 1], [Waiter Lubeigt, Gareth Valentine, John Girkin, Erwin Bente, David Bums, "Active transverse mode control and optimization of an all-solid-state laser using an intracavity adaptive-optic mirror", Optics Express, Vol. 10, no. 13. (2002), 550-553. 2], [Walter Lubeigt, Gareth Valentine and David Bums, "Enhancement of laser performance using an intracavity deformable membrane mirror", Optics Express, Vol. 16, no. 15, (2008), 10943-10955. 3], [P. Yang, Y. Liu, W. Yang et al., "Adaptive mode optimization of a continuous-wave solid-state laser using an intracavity piezoelectric deformable mirror", Optics Communications, 278, (2007), 377-381. 4], [Ping Yang, MingWu Ao, Yuan Liu, Bing Xu, WenHan Jiang, "Intracavity transverse modes controlled by a genetic algorithm based on Zemike mode coefficients". Optics Express, Vol. 15, no. 25, (2007) 17051-17062. 5]. As the closest analogue that implements the inventive method of intracavity phase correction of laser radiation, the method [P. Yang, X. Lei, R. Yang, M. Ao, L. Dong, B. Xu "Fast and stable enhancement of the far-field peak power by use of an intracavity deformable mirror", Appl. Phys. B (2010) 100, 591-595. 6]. In this method, a variant of intracavity phase correction of single-mode laser radiation by mode control based on a certain algorithm is considered.

Способ адаптивной внутрирезонаторной фазовой коррекции (способ-прототип), реализуемый в [6], состоит в том, что обеспечивают внутрирезонаторное управление модой лазерного излучения, сгенерированного в активной среде лазерного резонатора, причем фазовую коррекцию одномодового лазерного излучения осуществляют с помощью АЗ, установленного внутри лазерного резонатора на месте полностью отражающего (глухого) зеркала резонатора. Внутри резонатора между АЗ и активной лазерной средой размещен телескоп, расширяющий лазерный пучок так, чтобы задействовать наибольшее количество исполнительных механизмов АЗ. Выходное лазерное излучение, сгенерированное в резонаторе, выводится из резонатора, и направляется на пластину, которая делит общий поток излучения на две части. Одна часть излучения отводится для использования потребителем. Другая часть излучения фокусируется на фоторегистраторе, где измеряется интегральное значение интенсивности в области заданного размера в лазерном пятне. Смысл фокусировки состоит в следующем. Размер фокального пятна характеризует расходимость пучка. И чем больше приосевая интенсивность, тем меньше размер фокального пятна и меньше расходимость. Значение приосевой интенсивности, характеризующее качество лазерного излучения, принимается за значение целевой функции алгоритма управления АЗ.The method of adaptive intracavity phase correction (prototype method), implemented in [6], consists in the fact that they provide intracavity control of the laser radiation mode generated in the active medium of the laser cavity, and the phase correction of single-mode laser radiation is carried out using the AZ installed inside the laser cavity. resonator in place of a fully reflecting (deaf) resonator mirror. Inside the resonator, between the core and the active laser medium, there is a telescope that expands the laser beam in such a way as to involve the largest number of actuators in the core. The output laser radiation generated in the resonator is taken out of the resonator and directed to the plate, which divides the total radiation flux into two parts. One part of the radiation is diverted for use by the consumer. The other part of the radiation is focused on a photographic recorder, where the integral value of the intensity is measured in a region of a given size in the laser spot. The meaning of focus is as follows. The focal spot size characterizes the beam divergence. And the greater the paraxial intensity, the smaller the size of the focal spot and the smaller the divergence. The value of the paraxial intensity, which characterizes the quality of laser radiation, is taken as the value of the objective function of the AZ control algorithm.

На основе измерений значения целевой функции с помощью ПК вычисляются значения управляющих напряжений, которые требуется подать на исполнительные механизмы АЗ. Расчет управляющих напряжений для АЗ проводится на основе алгоритма стохастического параллельного градиентного спуска (СПГС) [М.А. Vorontsov, V.P. Sivokon. "Stochastic parallel-gradient-descent technique for hight-resolution wave-front phase-distortion correction", J. Opt. Soc. Amer. A, V. 15, №10, (1998), 2745-2758, 7]. Вычисленные значения напряжений из ПК передаются в ЦАП и затем усиливаются высоковольтным усилителем. Далее напряжения подаются на исполнительные механизмы АЗ, в результате чего поверхность АЗ деформируется, что в свою очередь приводит к фазовой коррекции лазерного излучения генерируемого внутри резонатора. Управление АЗ осуществляют в итерационном режиме в три этапа. Результатом внутрирезонаторной фазовой коррекции является сужение диаграммы направленности выходного лазерного излучения, характеризующей расходимость пучка. О достижении требуемого качества коррекции судят по значению целевой функции итерационного стохастического (СПГС) алгоритма.Based on the measurements of the value of the objective function with the help of a PC, the values of the control voltages that need to be applied to the actuators of the AZ are calculated. The calculation of control voltages for AZ is based on the algorithm of stochastic parallel gradient descent (SPGS) [M.A. Vorontsov, V.P. Sivokon. "Stochastic parallel-gradient-descent technique for hight-resolution wave-front phase-distortion correction", J. Opt. soc. amer. A, V. 15, No. 10, (1998), 2745-2758, 7]. The calculated voltage values from the PC are transferred to the DAC and then amplified by a high-voltage amplifier. Next, voltages are applied to the actuators of the core, as a result of which the surface of the core is deformed, which in turn leads to a phase correction of the laser radiation generated inside the resonator. The AZ is controlled in an iterative mode in three stages. The result of the intracavity phase correction is the narrowing of the directivity pattern of the output laser radiation, which characterizes the beam divergence. The achievement of the required correction quality is judged by the value of the objective function of the iterative stochastic (SPGS) algorithm.

К недостаткам вышеупомянутых аналогов и способа-прототипа (в случае одномодового лазерного излучения) можно отнести использование алгоритмов управления АЗ с неоптимальным быстродействием. Так, в прототипе [6] и аналоге [5] под управлением АЗ генетическим алгоритмом отдельные лазерные моды преобразуются в основную моду в течение достаточно длительного времени. Это обстоятельство делает непригодным использование АОС под управлением генетического алгоритма для коррекции излучения в резонаторах с быстро изменяющимися (в течение нескольких секунд или доли секунды) параметрами неоднородной активной среды, где требуется высокое быстродействие АОС. В способе-прототипе [6] под управлением АЗ алгоритмом СПГС отдельные лазерные моды преобразуются в основную моду в течение примерно десяти секунд. В работах [Huizhen Yang, Xinyang Li, "Comparison of several stochastic parallel optimization algorithms for adaptive optics system without a wavefront sensor", Optics & Laser Technology, 43, (2011), 630-635. 8], [R. Yazdani, M. Hajimahmoodzadeh, and H.R. Fallah, "Adaptive phase aberration correction based on imperialist competitive algorithm", Applied Optics, Vol. 53, No. 1, (2014), 132-140. 9] показано, что в идентичных условиях алгоритм стохастического параллельного градиентного спуска (СПГС) в 10-15 раз быстрее генетического алгоритма. Кроме того, в вышеупомянутых аналогах и способе-прототипе было рассмотрено преобразование одной лазерной моды высокого порядка в моду близкую к основной гауссовой моде.The disadvantages of the aforementioned analogs and the prototype method (in the case of single-mode laser radiation) include the use of AZ control algorithms with suboptimal speed. So, in the prototype [6] and analogue [5], under the control of the AD genetic algorithm, individual laser modes are converted into the fundamental mode for a sufficiently long time. This circumstance makes it unsuitable to use AOS controlled by a genetic algorithm for radiation correction in resonators with rapidly changing (within a few seconds or a fraction of a second) parameters of an inhomogeneous active medium, where a high speed of AOS is required. In the prototype method [6], under the control of the AZ SPGS algorithm, individual laser modes are converted to the fundamental mode within about ten seconds. In [Huizhen Yang, Xinyang Li, "Comparison of several stochastic parallel optimization algorithms for adaptive optics system without a wavefront sensor", Optics & Laser Technology, 43, (2011), 630-635. 8], [R. Yazdani, M. Hajimahmoodzadeh, and H.R. Fallah, "Adaptive phase aberration correction based on imperialist competitive algorithm", Applied Optics, Vol. 53, no. 1, (2014), 132-140. 9] shows that under identical conditions, the stochastic parallel gradient descent (SPGS) algorithm is 10–15 times faster than the genetic algorithm. In addition, in the aforementioned analogs and the prototype method, the conversion of one high-order laser mode into a mode close to the main Gaussian mode was considered.

Для случая с многомодовым лазерным излучением проблема заключается в отсутствии информации о возможности его внутрирезонаторной фазовой коррекции.For the case with multimode laser radiation, the problem is the lack of information about the possibility of its intracavity phase correction.

При этом формально, с многомодовым пучком в прототипе не работали, и что даст применение СПГС (в прототипе) в этом случае - неясно.At the same time, formally, they did not work with a multimode beam in the prototype, and it is not clear what the use of SPGS (in the prototype) will give in this case.

То есть для случая с многомодовым лазерным излучением техническая проблема заключается в необходимости получения информации о возможности его внутрирезонаторной фазовой коррекции при условии обеспечения быстродействия процедуры, более высокого по сравнению с аналогом.That is, for the case with multimode laser radiation, the technical problem lies in the need to obtain information about the possibility of its intracavity phase correction, provided that the speed of the procedure is higher than that of the analogue.

Технический результат изобретения по сравнению с прототипом [6], где отражен способ внутрирезонаторной фазовой коррекции одномодового лазерного излучения, заключается в обеспечении возможности внутрирезонаторной фазовой коррекции в многомодовом режиме лазерной генерации, когда в лазерном резонаторе одновременно присутствует множество мод, при условии быстродействия работы АЗ, с целью повышения мощности узконаправленной компоненты выходного лазерного излучения.The technical result of the invention in comparison with the prototype [6], which reflects the method of intracavity phase correction of single-mode laser radiation, is to enable intracavity phase correction in the multimode laser generation mode, when many modes are simultaneously present in the laser cavity, subject to the speed of the AZ, with to increase the power of the narrowly focused component of the output laser radiation.

Технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного способа адаптивной внутрирезонаторной фазовой коррекции лазерного излучения заключающегося в том, что обеспечивают внутрирезонаторное управление модой лазерного излучения, сгенерированного в активной среде лазерного резонатора, с помощью установленного в нем адаптивного зеркала (АЗ), для чего часть мощности лазерного излучения отводят после лазерного резонатора от общего потока излучения и фокусируют на фоторегистраторе, измеряют значение интенсивности лазерного излучения в центральной области заданного размера в лазерном пятне на фоторегистраторе, на основе полученных данных вычисляют значения управляющих напряжений, которые требуется подать на исполнительные механизмы АЗ, причем при вычислении управляющих напряжений используют итерационный стохастический алгоритм, позволяющий найти экстремум заданной целевой функции, характеризующий качество лазерного излучения, управление АЗ осуществляют в итерационном режиме, при котором управление модой лазерного излучения производят путем подачи управляющих напряжений на исполнительные механизмы АЗ, обеспечиваемая при этом деформация поверхности АЗ приводит к фазовой коррекции лазерного излучения внутри лазерного резонатора, результатом внутрирезонаторной фазовой коррекции является сужение диаграммы направленности выходного лазерного излучения, причем о достижении требуемого качества коррекции судят по значению целевой функции итерационного стохастического алгоритма, в предложенном способе обеспечивают внутрирезонаторное управление многомодовым составом сгенерированного лазерного излучения, для обеспечения управления исполнительными механизмами АЗ при вычислении управляющих напряжений, подаваемых на исполнительные механизмы АЗ, используют стохастический параллельный градиентный (СПГ) алгоритм, управление АЗ осуществляют в итерационном режиме в два этапа, при котором производят измерение целевой функции СПГ алгоритма при вычислении значений управляющих напряжений по результатам фоторегистрации до подачи пробных малых напряжений на исполнительные механизмы АЗ, на первом этапе СПГ алгоритма на исполнительные механизмы АЗ подают малые пробные напряжения со случайным знаком «+» или «-». после установления напряжений на АЗ вновь производят измерение целевой функции СПГ алгоритма и вычисляют изменение целевой функции относительно ее значения до подачи пробных малых напряжений на исполнительные механизмы АЗ, в соответствии с СПГ алгоритмом вычисляют поправки к управляющим напряжениям, подаваемым на исполнительные механизмы АЗ, и корректируют напряжения, подаваемые на исполнительные механизмы АЗ, на втором этапе СПГ алгоритма подают скорректированные напряжения на исполнительные механизмы АЗ, причем корректирующие поправки к напряжениям пропорциональны параметру, контролирующему скорость сходимости СПГ алгоритма, изменению целевой функции после первого этапа и малым пробным напряжениям, подаваемым на исполнительные механизмы АЗ на первом этапе, и обратно пропорциональны значению целевой функции до подачи пробных малых напряжений и квадрату амплитуды пробных напряжений.The technical result is achievable due to the fact that, unlike the known method of adaptive intracavity phase correction of laser radiation, which consists in providing intracavity control of the mode of laser radiation generated in the active medium of the laser cavity, using an adaptive mirror (AM) installed in it, for whereby part of the laser radiation power is removed after the laser resonator from the total radiation flux and focused on the photo recorder, the value of the laser radiation intensity in the central region of a given size in the laser spot on the photo recorder is measured, based on the data obtained, the values of the control voltages that need to be applied to the actuators of the AZ are calculated , and when calculating the control voltages, an iterative stochastic algorithm is used to find the extremum of a given objective function that characterizes the quality of laser radiation, the AZ is controlled in an iterative mode, in which the laser radiation mode is controlled by applying control voltages to the actuators of the core, the resulting deformation of the core surface leads to a phase correction of the laser radiation inside the laser cavity, the result of the intracavity phase correction is a narrowing of the radiation pattern of the output laser radiation, and the achievement of the required correction quality judged by the value of the objective function of the iterative stochastic algorithm, in the proposed method, intracavity control of the multimode composition of the generated laser radiation is provided, to ensure control of the actuators of the AZ when calculating the control voltages applied to the actuators of the AZ, a stochastic parallel gradient (SPG) algorithm is used, the AZ is controlled in iterative mode in two stages, in which the objective function of the SPG algorithm is measured when calculating the values of the control parameters The results of photographic recording before applying test low voltages to the actuators of the AZ, at the first stage of the SPG algorithm, small test voltages with a random sign “+” or “-” are applied to the actuators of the AZ. after the voltages on the AZ are established, the objective function of the SPG algorithm is measured again and the change in the objective function relative to its value is calculated before the trial low voltages are applied to the AZ actuators, in accordance with the SPG algorithm, corrections to the control voltages applied to the AZ actuators are calculated and the voltages are corrected applied to the actuators of the AZ, at the second stage of the LNG algorithm, corrected voltages are applied to the actuators of the AZ, and the corrective corrections to the voltages are proportional to the parameter that controls the rate of convergence of the LNG algorithm, the change in the objective function after the first stage, and the small test voltages applied to the actuators of the AZ at the first stage, and are inversely proportional to the value of the objective function before applying trial low voltages and to the square of the trial voltage amplitude.

Авторами сделано теоретическое предположение о возможности использования численной модели на основе СПГ алгоритма для обеспечения адаптивной внутрирезонаторной фазовой коррекции многомодового излучения с учетом быстродействия процесса при применении СПГ алгоритма, и это предположение технически подтверждено при реализации заявляемого способа.The authors made a theoretical assumption about the possibility of using a numerical model based on the SPG algorithm to provide adaptive intracavity phase correction of multimode radiation, taking into account the speed of the process when using the SPG algorithm, and this assumption was technically confirmed when implementing the proposed method.

Особенность и преимущества заявляемого решения по сравнению с решением, принятым в прототипе, заключаются в том, что:The peculiarity and advantages of the proposed solution in comparison with the solution adopted in the prototype are that:

- предоставляется возможность управления многомодовым составом лазерного излучения в режиме лазерной генерации;- it is possible to control the multimode composition of laser radiation in the mode of laser generation;

- управление АЗ путем подачи на него управляющих напряжений, значения которых вычислены в рамках заявленной последовательности действий, организовано с помощью итеративного СПГ алгоритма [Гаранин С.Г., Маначинский А.Н., Стариков Ф.А., Хохлов С.В. "Фазовая коррекция лазерного излучения с помощью адаптивных оптических систем в РФЯЦ-ВНИИЭФ", Автометрия, Том 48, №2, (2012), С. 30-37. 10], который построен на основе трехэтапного метода СПГС [7];- AZ control by applying control voltages to it, the values of which are calculated within the declared sequence of actions, is organized using an iterative SPG algorithm [Garanin S.G., Manachinsky A.N., Starikov F.A., Khokhlov S.V. "Phase Correction of Laser Radiation Using Adaptive Optical Systems at RFNC-VNIIEF", Avtometry, Vol. 48, No. 2, (2012), pp. 30-37. 10], which is based on the three-stage SPGS method [7];

- в СПГ алгоритме число этапов в рамках проведения одной итерации сокращено с трех до двух и введен параметр, регулирующий скорость сходимости СПГ алгоритма к заданному значению целевой функции. То есть обеспечено повышение быстродействия работы АОС за счет применения алгоритма управления АЗ, имеющего преимущество в скорости сходимости по сравнению с СПГС алгоритмом. О том, что фазовая коррекция произошла, судят по сужению диаграммы направленности, а о качестве коррекции судят по значению целевой функции СПГ алгоритма.- in the LNG algorithm, the number of stages within one iteration has been reduced from three to two, and a parameter has been introduced that controls the rate of convergence of the LNG algorithm to a given value of the objective function. That is, an increase in the speed of the AOS operation is ensured due to the application of the AZ control algorithm, which has an advantage in the speed of convergence compared to the SPGS algorithm. The fact that the phase correction has occurred is judged by the narrowing of the radiation pattern, and the quality of the correction is judged by the value of the objective function of the LNG algorithm.

Таким образом, использующий вышеназванные преимущества способ внутрирезонаторной фазовой коррекции многомодового лазерного излучения на основе СПГ алгоритма позволит по сравнению с прототипом осуществить в режиме многомодовой лазерной генерации компенсацию статических и (или) динамических искажений волнового фронта лазерного пучка, возникающих при его распространении через оптические неоднородности активной лазерной среды и оптического тракта, и обеспечить более быструю процедуру улучшения качества лазерного пучка на выходе из резонатора.Thus, using the above advantages, the method of intracavity phase correction of multimode laser radiation based on the SPG algorithm will allow, in comparison with the prototype, to compensate for static and (or) dynamic distortions of the laser beam wavefront that occur when it propagates through optical inhomogeneities of the active laser beam in the multimode laser generation mode. medium and optical path, and provide a faster procedure for improving the quality of the laser beam at the output of the resonator.

На фиг. 1 показаны распределения фазы (в λ) для шести различных «мод» (№1-№6 номера мод).In FIG. 1 shows the phase distributions (in λ) for six different "modes" (#1-#6 mode numbers).

На фиг. 2 показаны поперечные распределения интенсивности (в отн. ед.) лазерного пучка в дальней зоне до и после СПГ коррекции.In FIG. Figure 2 shows the transverse intensity distributions (in rel. units) of the laser beam in the far zone before and after the SPG correction.

На фиг. 3 показано характерное поведение целевой функции (δР/Р и нормированной на максимальное значение осевой интенсивности лазерного излучения (числа Штреля St) в итеративном процессе.In FIG. Figure 3 shows the characteristic behavior of the objective function (δР/Р and normalized to the maximum value of the axial intensity of laser radiation (the Strehl number St) in the iterative process.

Покажем, каким образом возможно достижение указанного выше технического результата. Численно смоделирована реализация заявленной последовательности операций. В численном моделировании на 19-элементное АЗ направлялось одновременно несколько пучков с однородным распределением интенсивности и фазой в виде двумерных полиномов Лежандра. Эти пучки рассматривались в качестве отдельных мод лазерного резонатора. Длина волны лазерного излучения λ=1 мкм. На фиг. 1 показаны распределения фазы (в λ) для шести различных «мод». Выходное излучение лазера на фотоприемнике представляется суммой интенсивностей различных «мод» в дальней зоне. Целевой функцией СПГ алгоритма в данном случае выступает доля мощности излучения δР/Р в приосевой диафрагме с угловым размером θd, где δP - мощность излучения в диафрагме, P - полная мощность излучения. Поперечные распределения интенсивности (в относительных единицах) лазерного пучка в дальней зоне до и после СПГ коррекции показаны на фиг. 2. Кружком обозначена граница диафрагмы. В расчетах продемонстрировано, что после СПГ коррекции происходит перераспределение интенсивности излучения в дальней зоне: формируется яркий приосевой керн и крыло, которое может даже несколько выходить за пределы области локализации исходного пучка. На фиг. 3 показано характерное поведение целевой функции δР/Р и нормированной на максимальное значение осевой интенсивности лазерного излучения (число Штреля St) в итеративном процессе. Видно, что значение целевой функции δP/P в результате коррекции за N≈100 итераций СПГ алгоритма возрастает в 2 раза от исходного значения, число Штреля возрастает в 3,3 раза от исходного значения. При этом важно, что организация режима управления АЗ с помощью вычисленных на основе СПГ алгоритма управляющих напряжений, осуществлена в соответствии с заявленной последовательностью действий. Очевидно, что любое АЗ не может подстроиться под коррекцию разных мод одновременно, но, тем не менее, возможность трансформировать модовый состав так, чтобы увеличить мощность узконаправленной компоненты излучения лазера-генератора, имеет большое значение для практики, в том числе при построении систем «задающий генератор и усилитель».Let us show how it is possible to achieve the above technical result. The implementation of the declared sequence of operations is numerically modeled. In numerical simulation, several beams with a uniform intensity distribution and phase in the form of two-dimensional Legendre polynomials were directed simultaneously to a 19-element AZ. These beams were considered as separate modes of the laser cavity. The wavelength of laser radiation λ=1 μm. In FIG. 1 shows the phase distributions (in λ) for six different "modes". The output radiation of a laser on a photodetector is represented by the sum of the intensities of various "modes" in the far zone. The target function of the SPG algorithm in this case is the fraction of radiation power δР/Р in a paraxial diaphragm with an angular size θ d , where δP is the radiation power in the diaphragm, P is the total radiation power. The transverse intensity distributions (in relative units) of the laser beam in the far zone before and after the SPG correction are shown in Fig. 2. The circle indicates the aperture limit. The calculations show that after the SPG correction, the radiation intensity is redistributed in the far zone: a bright paraxial core and a wing are formed, which can even somewhat go beyond the localization region of the original beam. In FIG. Figure 3 shows the characteristic behavior of the objective function δР/Р and normalized to the maximum value of the axial intensity of laser radiation (the Strehl number St) in the iterative process. It can be seen that the value of the objective function δP/P as a result of correction for N≈100 iterations of the LNG algorithm increases by 2 times from the initial value, the Strehl number increases by 3.3 times from the initial value. At the same time, it is important that the organization of the AZ control mode using the control voltage algorithm calculated on the basis of the SPG is carried out in accordance with the declared sequence of actions. It is obvious that any AP cannot adjust to the correction of different modes at the same time, but, nevertheless, the ability to transform the mode composition in such a way as to increase the power of the narrowly directed component of the radiation of the laser generator is of great importance for practice, including when building systems "master generator and amplifier.

Таким образом, может быть реализовано техническое решение по адаптивной внутрирезонаторной фазовой коррекции лазерного излучения с достижением технического результата, состоящего в сужении диаграммы направленности многомодового лазерного излучения и применении, для достижения этой цели, более быстродействующего, по сравнению с СПГС, СПГ алгоритма, используемого для управления АЗ внутри лазерного резонатора.Thus, a technical solution for adaptive intracavity phase correction of laser radiation can be implemented with the achievement of a technical result consisting in narrowing the radiation pattern of multimode laser radiation and applying, to achieve this goal, a faster, compared to SPGS, SPGS algorithm used to control AZ inside the laser cavity.

Изобретение найдет применение в создании адаптивной оптической системы для внутрирезонаторной фазовой коррекции многомодового лазерного излучения, в том числе и при создании непрерывных лазерных систем, построенных по схеме «задающий генератор и усилитель».The invention will find application in the creation of an adaptive optical system for intracavity phase correction of multimode laser radiation, including the creation of continuous laser systems built according to the “master oscillator and amplifier” scheme.

Claims (19)

Способ адаптивной внутрирезонаторной фазовой коррекции лазерного излучения, заключающийся в том, чтоA method for adaptive intracavity phase correction of laser radiation, which consists in the fact that - обеспечивают внутрирезонаторное управление модой лазерного излучения, сгенерированного в активной среде лазерного резонатора, с помощью установленного в нем адаптивного зеркала (АЗ), для чего- provide intracavity control of the mode of laser radiation generated in the active medium of the laser cavity, using an adaptive mirror (AM) installed in it, for which - часть мощности лазерного излучения отводят после лазерного резонатора от общего потока излучения и фокусируют на фоторегистраторе,- part of the laser radiation power is removed after the laser resonator from the total radiation flux and focused on the photo recorder, - измеряют значение интенсивности лазерного излучения в центральной области заданного размера в лазерном пятне на фоторегистраторе,- measure the value of the intensity of laser radiation in the central region of a given size in the laser spot on the photo recorder, - на основе полученных данных вычисляют значения управляющих напряжений, которые требуется подать на исполнительные механизмы АЗ,- on the basis of the data obtained, the values of the control voltages that need to be applied to the actuators of the AZ are calculated, - причем при вычислении управляющих напряжений используют итерационный стохастический алгоритм, позволяющий найти экстремум заданной целевой функции, характеризующий качество лазерного излучения,- moreover, when calculating the control voltages, an iterative stochastic algorithm is used to find the extremum of a given objective function that characterizes the quality of laser radiation, - управление АЗ осуществляют в итерационном режиме, при котором- AZ control is carried out in an iterative mode, in which - управление модой лазерного излучения производят путем подачи управляющих напряжений на исполнительные механизмы АЗ,- control of the laser radiation mode is carried out by applying control voltages to the actuators of the AZ, - обеспечиваемая при этом деформация поверхности АЗ приводит к фазовой коррекции лазерного излучения внутри лазерного резонатора,- the deformation of the surface of the core provided in this case leads to a phase correction of the laser radiation inside the laser resonator, - результатом внутрирезонаторной фазовой коррекции является сужение диаграммы направленности выходного лазерного излучения, причем о достижении требуемого качества коррекции судят по значению целевой функции итерационного стохастического алгоритма, отличающийся тем, что- the result of intracavity phase correction is the narrowing of the radiation pattern of the output laser radiation, and the achievement of the required correction quality is judged by the value of the objective function of the iterative stochastic algorithm, characterized in that - обеспечивают внутрирезонаторное управление многомодовым составом сгенерированного лазерного излучения,- provide intracavity control of the multimode composition of the generated laser radiation, - для обеспечения управления исполнительными механизмами АЗ при вычислении управляющих напряжений, подаваемых на исполнительные механизмы АЗ, используют стохастический параллельный градиентный (СПГ) алгоритм,- to ensure the control of the actuators of the AZ when calculating the control voltages applied to the actuators of the AZ, a stochastic parallel gradient (SPG) algorithm is used, - управление АЗ осуществляют в итерационном режиме в два этапа, при котором- AZ control is carried out in an iterative mode in two stages, in which - производят измерение целевой функции СПГ алгоритма при вычислении значений управляющих напряжений по результатам фоторегистрации до подачи пробных малых напряжений на исполнительные механизмы АЗ,- measure the objective function of the SPG algorithm when calculating the values of control voltages based on the results of photographic recording before applying trial low voltages to the actuators of the AZ, - на первом этапе СПГ алгоритма на исполнительные механизмы АЗ подают малые пробные напряжения со случайным знаком «+» или «-»,- at the first stage of the SPG algorithm, small test voltages with a random sign “+” or “-” are applied to the actuators of the AZ, - после установления напряжений на АЗ вновь производят измерение целевой функции СПГ алгоритма и вычисляют изменение целевой функции относительно ее значения до подачи пробных малых напряжений на исполнительные механизмы АЗ,- after the establishment of voltages on the AZ, the objective function of the SPG algorithm is again measured and the change in the objective function relative to its value is calculated before applying trial low voltages to the actuators of the AZ, - в соответствии с СПГ алгоритмом вычисляют поправки к управляющим напряжениям, подаваемым на исполнительные механизмы АЗ, и корректируют напряжения, подаваемые на исполнительные механизмы АЗ,- in accordance with the SPG algorithm, corrections are calculated to the control voltages supplied to the actuators of the AZ, and the voltages supplied to the actuators of the AZ are corrected, - на втором этапе СПГ алгоритма подают скорректированные напряжения на исполнительные механизмы АЗ,- at the second stage of the SPG algorithm, corrected voltages are applied to the actuators of the AZ, - причем корректирующие поправки к напряжениям пропорциональны параметру, контролирующему скорость сходимости СПГ алгоритма, изменению целевой функции после первого этапа и малым пробным напряжениям, подаваемым на исполнительные механизмы АЗ на первом этапе и обратно пропорциональны значению целевой функции до подачи пробных малых напряжений и квадрату амплитуды пробных напряжений.- moreover, the corrective corrections to the stresses are proportional to the parameter that controls the rate of convergence of the LNG algorithm, the change in the objective function after the first stage and the small test voltages applied to the actuators of the AZ at the first stage and are inversely proportional to the value of the objective function before applying the test small voltages and the square of the amplitude of the test voltages .
RU2022100175A 2022-01-10 Method for adaptive intracavity phase correction of laser emission RU2783630C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2783630C1 true RU2783630C1 (en) 2022-11-15

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2080638C1 (en) * 1994-08-02 1997-05-27 Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете Phase modulator of wave front
RU2186412C1 (en) * 2001-06-13 2002-07-27 Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" Ростовского государственного университета Adaptive mirror
US9383576B2 (en) * 2012-07-17 2016-07-05 Rachel Andreasen Apparatus and method for a flexible adaptive telescope mirror
RU2623661C2 (en) * 2015-09-15 2017-06-28 Автономная Некоммерческая Организация "Кластерный Инжиниринговый Центр Самарской Области" Method of compensation of optical aberrations using a deformed mirror

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2080638C1 (en) * 1994-08-02 1997-05-27 Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете Phase modulator of wave front
RU2186412C1 (en) * 2001-06-13 2002-07-27 Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" Ростовского государственного университета Adaptive mirror
US9383576B2 (en) * 2012-07-17 2016-07-05 Rachel Andreasen Apparatus and method for a flexible adaptive telescope mirror
RU2623661C2 (en) * 2015-09-15 2017-06-28 Автономная Некоммерческая Организация "Кластерный Инжиниринговый Центр Самарской Области" Method of compensation of optical aberrations using a deformed mirror

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101794962B (en) Self-adaptive high-order transverse mode laser coherent synthesis device
US9502854B1 (en) Self-seeding high power laser
Wang et al. 350-W coherent beam combining of fiber amplifiers with tilt-tip and phase-locking control
RU2783630C1 (en) Method for adaptive intracavity phase correction of laser emission
Galaktionov et al. Bimorph vs stacked actuator deformable mirror for laser beam focusing through a moderately scattering medium
EP4342040B1 (en) Coherent beam combination system and control method thereof
RU2781803C1 (en) Method for intracavity correction of laser wavefront tilts
Lachinova et al. Performance analysis of an adaptive phase-locked tiled fiber array in atmospheric turbulence conditions
Li et al. Experimental Study on Wavefront Distortion Correction of 40-Elements Adaptive Optical System Based on SPGD Algorithm
CN104678556A (en) Real-time shaping and low-order aberration compensation system for strip-shaped astigmatic light beam of lens group
Yagnyatinskiĭ et al. Algorithm for sequential correction of wavefront aberrations with the criterion of focal spot size minimization
RU2781859C1 (en) Method of laser phase equalising using an adaptive mirror
Orlenko et al. Off-axis parabolic mirrors: A method of adjusting them and of measuring and correcting their aberrations
CN115236848B (en) Full-caliber high-precision deformable mirror control method and device
Liberman et al. Use of spatiotemporal couplings and an axiparabola to control axial energy deposition velocity
Zou et al. Improvement of the LULI high-energy CPA laser system focusability and repetition rate using an adaptive optical system
Vdovin et al. Recent progress in technology and applications of membrane micromachined deformable mirrors
Vorontsov et al. Coherent beam combining and atmospheric compensation with adaptive fiber array systems
Jiang et al. High environmentally adaptable phase control with reinforcement learning for coherent beam combination
Zou et al. High focusability performance obtained on the LULI 100TW laser facility by use of a dielectric coated deformable mirror
Chao et al. Simulation and analysis of laser coherent combining system based on adaptive fiber optics collimator array
Heuck et al. Wavefront measurement and adaptive optics at the PHELIX laser
Vyhlídka et al. This document is part of the deliverables from the project THRILL, which has received funding from the European Union. Views and opinions expressed are however those of the author (s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or the European Commission. Neither the European Union nor the granting authority can be held responsible for them.
Mehta Remote alignment of adaptive optical systems with far-field optimization
Ma et al. Adaptive conversion of a wavefront-distortion beam to near-diffraction-limited flattop beam based on stochastic parallel gradient descent algorithm