一种超多程放大系统激光光束质量控制方法

摘要

本发明涉及一种超多程放大系统激光光束质量控制方法，属于激光设备技术领域，包括测量放大腔内部像差，并对所述内部像差进行校正；测量全光路像差，并对所述全光路像差进行校正，本发明采用分步方式进行像差校正，与现有技术中一步校正式相比，能够有效避免多程放大像差积累问题，取得最优化的波前校正效果，适用于超多程放大激光光束质量控制。

说明书

技术领域

本发明属于激光设备技术领域，具体地说涉及一种超多程放大系统激光光束质量控制方法。

背景技术

多程放大技术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。但是，光路中光学元件和热泵浦的激光放大介质会带来波前畸变，严重影响了光学脉冲放大过程的顺利实现，以及脉冲放大后的光束质量。

为了克服光学畸变的负面影响，自适应光学技术被应用到放大技术中(Adaptiveoptics-a progress review,《Proc.SPIE》,Vol.1542,1991,2-17)。简单来说，都是通过变形镜校正了放大过程中激光脉冲的波前畸变，保证了脉冲在放大过程中的有效穿孔，实现了脉冲的能量增益。这些放大技术一般采用双程或者四程放大，放大过程积累的像差比较小，控制方法比较简单(Alignment and wave front control system ofnationalignition facility，《Optics Engineering》,Vol.43,2004,2873-2884)。为了提高放大器的增益倍数，超多程放大技术被采用(Design and optimization of an adaptive opticssystem for a high-average-power multi-slab laser,《Applied Optics》,Vol.53,2014,3255-3261)，由于该技术中放大脉冲的像差积累效应比较严重，采用目前的光束质量控制方法进行像差校正后，光束质量并没有得到显著提高。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种采用分步方式进行像差校正，能够有效避免多程放大像差积累问题，取得最优化的波前校正效果，适用于超多程放大系统激光光束质量控制。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超多程放大系统激光光束质量控制方法，包括以下步骤：

S₁：测量放大腔内部像差，并对所述内部像差进行校正；

S₂：测量全光路像差，并对所述全光路像差进行校正。

进一步，所述放大腔的外部设置波前探测器，对放大腔内部像差、全光路像差进行测量，所述放大腔的内部设置波前校正器，对放大腔内部像差、全光路像差进行校正。

进一步，所述内部像差采用分步方式进行测量、校正，具体方法如下：

(1)通过波前探测器测量放大腔外部的光路像差，并记作W₁；

(2)控制放大系统为双程放大状态，测量双程放大全光路像差，记作W₂，则W₂-W₁为双程放大腔内像差，利用波前校正器进行波前闭环校正，得到双程校正电压U₂；

(3)控制放大系统为四程放大状态，对波前校正器施加校正电压U₂后，测量四程放大全光路像差，记作W₄，则W₄-W₁为四程放大腔内像差残差，利用波前校正器进行波前闭环校正，得到四程校正电压U₄；

(4)以此类推，直至放大系统为n程放大状态时，对波前校正器施加校正电压U_n-2后，测量n程放大全光路像差，记作W_n，其中，n为放大系统放大程数的最大值，n为偶数且n＞2，U_n-2为放大系统的放大程数为n-2时的校正电压，则W_n-W₁为n程放大腔内像差残差，利用波前校正器进行波前闭环校正，得到n程校正电压U_n。

进一步，所述全光路像差的校正方法为：

将标定光直接注入波前探测器，得到测量光路像差W₀，控制放大系统为n程放大状态，对波前校正器施加校正电压U_n后，测量全光路像差，记作W，则W-W₀就是全光路像差残差，利用波前校正器进行波前闭环校正，得到全光路校正电压U。

进一步，所述放大腔外部的光路像差的测量方法为：

在所述放大腔的输入位置设置平面标准镜，激光经所述平面标准镜反射后注入波前探测器，标定不包含放大腔的光路剩余部分像差，得到放大腔外部的光路像差W₁。

进一步，所述放大系统放大程数的控制方法为：

沿着激光的传输方向，在所述放大腔的输入位置依次设置分光片和电光开关，通过电光开关控制放大程数。

进一步，测量W₁、W₂至W_n以及W时，先将所述平面标准镜移除，利用电光开关控制放大系统的放大程数，通过波前探测器测量该放大程数下的全光路像差。

进一步，所述放大腔的外部还设置控制系统，所述控制系统分别与波前探测器、波前校正器连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用分步方式进行像差校正，与现有技术中一步校正式相比，能够有效避免多程放大像差积累问题，取得最优化的波前校正效果，适用于超多程放大激光光束质量控制。

2、本发明采用放大腔外测量像差、腔内补偿像差的方式，波前探测器既可以测量放大腔内部像差，保证多程放大过程有效通光，避免空间滤波系统堵孔，又可以测量全光路像差，优化全光路系统输出光束质量。

3、本发明通过标准平面镜和电光开关的配合，实现激光光路和系统放大程数的变化，易于操作，成本低。

附图说明

图1是本发明的超多程放大系统结构示意图；

图2、图4分别是实施例一、二中放大腔外部的光路像差对应的波前分布图；

图3(a)(b)、图5(a)(b)分别是实施例一、二中双程放大状态时，光路像差校正前、后对应的波前分布图；

图3(c)(d)、图5(c)(d)分别是是实施例一、二中四程放大状态时，光路像差校正前、后对应的波前分布图；

图3(e)(f)、图5(e)(f)分别是实施例一、二中六程放大状态时，光路像差校正前、后对应的波前分布图；

图3(g)(h)、图5(g)(h)分别是实施例一、二中八程放大状态时，光路像差校正前、后对应的波前分布图；

图3(i)(j)是实施例一中十程放大状态时，光路像差校正前、后对应的波前分布图；

图3(k)(l)、图5(i)(j)分别是实施例一、二中全光路像差校正前、后对应的波前分布图。

附图中：1-激光、2-反射镜一、3-放大腔外光路元件、4-标准平面镜、5-分光片一、6-电光开关、7-激光放大介质、8-空间滤波系统、9-波前校正器、10-反射镜二、11-腔镜、12-分光片二、13-波前探测器、14-控制系统、15-标定光；

其中，图2-图5中，横坐标表示激光光束横截面的横向尺寸，单位是毫米，主纵坐标轴表示激光光束横截面的纵向尺寸，单位是毫米，次纵坐标轴表示光路像差的幅度，单位是波长。

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。

实施例一：

一种超多程放大系统激光光束质量控制方法，包括以下步骤：

S₁：测量放大腔内部像差，并对所述内部像差进行校正；

S₂：测量全光路像差，并对所述全光路像差进行校正。

所述超多程放大系统如图1所示，激光1的光束口径为8×8mm，波长为1053nm，脉冲宽度为3ns，p态偏振光，标定光15的各项参数与激光1相同，反射镜一2对激光1高反射率，标准平面镜4的口径为20×20mm，对1053nm激光1高反射率，分光片一5对p态偏振光高透过率，对s态偏振光高反射率，激光放大介质7的尺寸为12×12×30mm，空间滤波系统8的扩束比例为1：5，腔镜11的口径为20×20mm，其对1053nm激光高反射，分光片二12对p态偏振光高透过率、低反射率。

所述波前探测器13位于放大腔的外部，对放大腔内部像差、全光路像差进行测量，所述波前校正器9位于放大腔的内部，对放大腔内部像差、全光路像差进行校正，本发明采用放大腔外测量像差、腔内补偿像差的方式，波前探测器13既可以测量放大腔内部像差，保证多程放大过程有效通光，避免空间滤波系统8堵孔，又可以测量全光路像差，优化全光路系统输出光束质量，波前校正器9、波前探测器13分别与控制系统14连接，波前校正器9为压电薄膜驱动变形镜，其参数如表1所示：

，波前探测器13为哈特曼波前传感器，其参数如表2所示：

本实施例中放大系统为十程放大，对所述十程放大系统的激光光束质量控制方法为：

一、在放大腔的输入位置设置平面标准镜4，将激光1注入所述放大系统，激光1依次经过分光片二12、反射镜一2、放大腔外光路元件3，到达平面标准镜4处，激光1经所述平面标准镜4反射后，再次到达所述分光片二12处，所述激光1的小部分经分光片二12反射，注入波前探测器13，利用平面标准镜4改变激光光路，易于操作，标定不包含放大腔的光路剩余部分像差，得到放大腔外部的光路像差W₁，对应的波前分布图如图2所示，图中波前畸变为1.43波长；

二、将所述平面标准镜4移除并关闭电光开关6，此时，放大系统为双程放大状态，激光1依次经过分光片二12、反射镜一2、放大腔外光路元件3、分光片一5、电光开关6、激光放大介质7和空间滤波系统8，经波前校正器9反射后光路逆向传输，最后所述激光1的大部分透过分光片二12，激光1的小部分经分光片二12反射，注入波前探测器13，测量双程放大全光路像差(包含热像差和静态像差)，记作W₂，则W₂-W₁为双程放大腔内像差，利用控制系统14控制波前校正器9进行波前闭环校正，得到双程校正电压U₂，校正前、后对应的波前分布图分别如图3(a)、(b)所示，波前畸变分别为0.80波长、0.25波长；

三、对波前校正器9施加校正电压U₂，启动电光开关6，将激光1转换为s态偏振光，s态偏振光经过四程放大后再转换为p态偏振光，此时，放大系统为四程放大状态，测量四程放大全光路像差，记作W₄，则W₄-W₁为四程放大腔内像差残差，利用波前校正器9进行波前闭环校正，得到四程校正电压U₄，校正前、后对应的波前分布图分别如图3(c)、(d)所示，波前畸变分别为0.73波长、0.32波长；

四、对波前校正器9施加校正电压U₄，启动电光开关6，将激光1在s态偏振光与p态偏振光间转换，控制放大系统为六程放大状态，测量六程放大全光路像差，记作W₆，则W₆-W₁为六程放大腔内像差残差，利用波前校正器9进行波前闭环校正，得到六程校正电压U₆，校正前、后对应的波前分布图分别如图3(e)、(f)所示，波前畸变分别为0.73波长、0.38波长；

五、对波前校正器9施加校正电压U₆，启动电光开关6，将激光1在s态偏振光与p态偏振光间转换，控制放大系统为八程放大状态，测量八程放大全光路像差，记作W₈，则W₈-W₁为八程放大腔内像差残差，利用波前校正器9进行波前闭环校正，得到八程校正电压U₈，校正前、后对应的波前分布图分别如图3(g)、(h)所示，波前畸变分别为0.83波长、0.34波长；

六、对波前校正器9施加校正电压U₈，启动电光开关6，将激光1在s态偏振光与p态偏振光间转换，控制放大系统为十程放大状态，测量十程放大全光路像差，记作W₁₀，则W₁₀-W₁为十程放大腔内像差残差，利用波前校正器9进行波前闭环校正，得到十程校正电压U₁₀，校正前、后对应的波前分布图分别如图3(i)、(j)所示，波前畸变分别为0.58波长、0.34波长；

七、将标定光15直接注入波前探测器13，得到测量光路像差W₀，启动电光开关6，将激光1在s态偏振光与p态偏振光间转换，控制放大系统为十程放大状态，对波前校正器9施加校正电压U₁₀后，测量全光路像差，记作W，则W-W₀就是全光路像差残差，利用波前校正器9进行波前闭环校正，得到全光路校正电压U，校正前、后对应的波前分布图分别如图3(k)、(l)所示，波前畸变分别为1.69波长、0.27波长，整个光路的波前畸变被校正到0.27波长，既满足了空间滤波系统8的穿孔，也优化了输出光束质量。

现有技术中采用一步式进行像差校正，像差累计现象非常严重。一般情况下，八程放大时像差是双程放大时像差的四倍左右，十程放大时像差是双程放大时像差的五倍左右，导致发生空间滤波系统8的“堵孔”效应，使得输出光束的近场不完整，严重影响波前测量。

本实施例利用电光开关6实现系统放大程数的变化，采用分步方式进行像差校正，从腔内双程到四程，然后到六程、八程，直到十程，最后再到全光路。在整个激光光束质量控制过程中，随着放大程数的增加，像差并没有产生累计现象，有效避免多程放大像差积累问题，取得最优化的波前校正效果，适用于超多程放大激光光束质量控制。

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的光束口径为10×10mm，波长为1053nm，脉冲宽度为1ns，p态偏振光，激光放大介质7的尺寸为15×15×40mm，空间滤波系统8的扩束比例为1：6，腔镜11的口径为20×20mm，波前校正器9为压电薄膜驱动变形镜，其参数如表3所示：

，波前探测器13为哈特曼波前传感器，其参数如表4所示：

本实施例中放大系统为八程放大，测量放大腔外部的光路像差W₁，其对应的波前分布图如图4所示，波前畸变为0.42波长；激光光路分别为双程、四程、六程和八程放大状态时，像差校正前、后对应的波前分布图分别如图5(a)-(h)所示，波前畸变分别为0.88波长、0.16波长、0.42波长、0.18波长、0.33波长、0.22波长、0.47波长、0.25波长；所述全光路像差校正前、后对应的波前分布图分别如图5(i)、(j)所示，波前畸变分别为0.42波长、0.22波长，整个光路的波前畸变被校正到0.22波长，既满足了空间滤波系统8的穿孔，也优化了输出光束质量。

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。