一种腔内像差补偿非稳腔激光器及其像差补偿方法技术

本发明专利技术涉及一种腔内像差补偿非稳腔激光器及其像差补偿方法，包括非稳腔腔镜、耦合输出镜、激光增益介质、泵浦装置、探测光源、探测光导入镜、探测光导出镜、探测光波前探测器和至少一个补偿元件；探测光波前探测器探测导出的探测光束，基于导出的探测光束，修正补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补偿。本发明专利技术实现了，对腔内具有较强光学畸变的非稳腔进行主动光学补偿，获得高质量激光输出；补偿方法具有很强的普适性；腔内插入损耗小，无退偏影响；算法简单，提高补偿求解速率；整体结构简单、便于调试、维护，其中使用元件均为商用元件和便于定制加工的元件，具有很强的可实施性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及激光器
，特别设及一种腔内像差补偿非稳腔激光器及其像差 补偿方法。
技术介绍
激光技术自上世纪六十年代至今高速发展，同时，又与其他高新技术相互渗透，在 材料加工、医疗、军事、测量及科学实验研究等众多领域有越来越广泛的应用。激光技术发 展过程中，人类始终不断追求获得功率更高、光束质量更好的激光输出。其中，非稳腔因其 具有大尺寸模场、较强的模式鉴别能力、较高像差容忍度、对光轴失准不太敏感等优点，是 实现高功率、高光束质量激光输出的主要技术途径之一，且其可W获得环形光斑的激光输 出，适于卡塞格林系统发射实现超远距离传输和聚焦。但是，谐振腔内的各种像差不可避 免的存在，尤其是被高功率密度累浦的固体增益介质，其光学像差尤为显著，其会影响振荡 激光特征，在降低交叠效率影响输出功率的同时，随着腔内复杂的像差演化行为，最终输出 激光将产生介质光学像差数倍的波前崎变，严重降低输出激光的光束质量，且激光波面OPD 分布和腔内像差分布没有简单的对应关系，无法实现传统的点对点补偿。此外，因为在G参 数平面上非稳腔的工作点接近临界区域，当腔内元件具有高阶像差时，很容易在腔内出现 局部孔径区域的无禪合输出稳腔振荡，从而在运一小区域内出现高于平均腔内光强1至2 个数量的局部强点，运些强点很容易导致腔内元件的损坏，降低激光器的可靠性。 为了改善腔内像差对非稳腔激光器的不利影响，目前，国内外研究在两个方面做 了大量工作。第一个方面是竟可能降低腔内光学像差，具体包括采用高速流动的气体增益 介质或采用非约束封装且均匀冷却的固体介质，提高累浦均匀性等。但是受技术水平和具 体应用需求限制，很多情况下，高功率非稳腔激光器腔内光学像差仍然较强。第二个方面是 在腔内放置特别的补偿装置，对腔内像差进行补偿，本专利技术也属于运一范畴。目前公开的非 稳腔腔内补偿方法有W下几种： 1.美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的热容激光器基于几何近似离线计算的变 形镜补偿方式，在其系统中使用的变形镜具有192单元，行程达到10 ym。运种补偿方法的 原理是根据腔参数和变形镜腔内位置，在几何光学近似下，离线计算获得变形镜面形和往 返测量光束波面变化量的关系，获得往返探测面形和变形镜单元位移量之间的反向关系矩 阵，再根据往返测量光束波面驱动变形镜实现实时补偿。其像差补偿需要基于非稳腔内的 往返测量，但是其采用了一种基于偏振态变化的探测光路，结构复杂，腔内插入元件多，当 腔内激光增益介质具有热应力致退偏效应后会影响探测效果。因为其采用了几何近似计算 补偿面型而忽略光线通过像差元件后传输方向的偏折，只能适用于类似于透射板条热容激 光器等像差较小、高阶像差成分较少的激光器，不具有普遍适用性。 阳0化]2.美国波音公司的孔:YAG薄片激光器采用了共辆成像固定补偿方案。其系 统中有超过10片薄片状增益介质，单个薄片具有极高的加工质量，静态波前崎变不大于 1/10A，A等于632. 8nm，为了避免产生复杂的动态像差，其利用复杂的多通累浦机构实现 了很高的累浦均匀性。在此基础上其还需要在腔内实现薄片间4f共辆成像，使各薄片波前 崎变成像于提供补偿的位相板上，并在工作中利用变焦透镜对热致离焦实时补偿，运种光 束质量控制手段对腔内元件要求高，谐振腔内元件多，并且4f成像光学元件焦距及系统尺 寸与增益区尺寸相关，即运种方式不适用于大口径增益介质的非稳腔固体激光器，具有较 强的局限性。 3.美国达信公司的"化inzag"激光器采用了单程探测分段变形镜独立补偿方案， 其非稳腔内每个增益模块包含一套独立的主动光学崎变补偿系统，即对每个增益单元使用 探测光源和哈特曼探测器独立测量、并用变形镜独立补偿。在每个补偿单元中，其采用4f 成像系统将增益板条成像于变形镜上，并根据单通测量光波面实现补偿。运种补偿方式腔 内插入元件较多，系统复杂，且因为增益板条具有一定长度，不能和变形镜实现理想的共辆 关系，腔内补偿后，仍不能达到预期的光束质量提升效果。 上述几种方法虽然较像差补偿前提升了输出激光的光束质量，但是它们都具有很 强的局限性，无法有效用于具有强像差，尤其是包含较多高阶像差的大口径增益介质非稳 腔激光器。同时，运些方法或者对光学元件加工质量要求很高，或者谐振腔中插入元件很 多，或者需要使用多个补偿元件成本高昂而无法推广使用。 此外，在腔外激光光束净化、整形等工作中，为了避免复杂的补偿元件面型解析计 算，可W采用遗传算法、模拟退火算法等全局优化算法通过多次补偿尝试，检测补偿后光束 状态，寻找相对最优的补偿面型。但是，因为高功率非稳腔中往返激光具有不同尺寸，激光 非均匀提取存在着显著的热光禪合问题，即激光增益介质的非均匀生热、热致像差、腔内振 荡激光强度分布相互影响，当腔内引入随机的像差补偿，会导致振荡激光强度剧烈变化，从 而产生介质生热分布和像差的改变，使得全局算法迭代难于收敛。在高功率激光器中，甚至 可能因为引入随机像差导致振荡激光强度剧烈降低或无法起振，激光增益介质生热率急剧 增长而导致元件损坏。因此运种方法无法用于非稳腔腔内像差主动补偿。 如上所述，目前，非稳腔内像差补偿运一技术短板给非稳腔在高能激光中应用带 来了困难和制约。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是提供一种腔内像差补偿非稳腔激光器及其像差补偿 方法，可利用其对各种类型增益介质和工作体制增益介质的光学像差实现腔内像差补偿； 无需在腔内放置成像光学元件将腔内元件相互成像，也无需进行复杂的补偿面型直接解析 求解。 本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下： 一种腔内像差补偿非稳腔激光器，包括非稳腔腔镜、禪合输出镜、激光增益介质、 累浦装置、探测光源、探测光导入镜、探测光导出镜、探测光波前探测器和至少一个补偿元 件； 所述探测光源，其用于提供探测光束，其中所述探测光束传输到探测光导入镜处 与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束具有相同波面，且所述探测光束在腔内每个像 差元件处的光束尺寸与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束尺寸匹配； 所述探测光导入镜和探测光导出镜为平面镜，其放置位置实现所述探测光束在探 测光导入镜处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束同轴同屯、，沿着激光光轴在腔内 往返传输一次后导出腔外，且探测光导入镜和探测光导出镜之间不存在产生像差的光学元 件； 所述探测光波前探测器，其用于探测探测光导出镜导出的探测光束； 所述补偿元件，其用于补偿非稳腔腔内像差。 本专利技术的有益效果是：探测光波前探测器探测探测光导出镜导出的探测光束，基 于探测光导出镜导出的探测光束，修正补偿元件的光程调制函数，实现非稳腔腔内像差补 偿；可W对腔内具有较强光学崎变的非稳腔进行主动光学补偿，获得高质量激光输出；补 偿方法与非稳腔结构、增益元件特征、补偿元件种类等因素无关，具有很强的普适性；采用 自然偏振或随机偏振的探测光束，腔内无需插入偏振性的位相延迟元件或偏振选择元件， 插入损耗小，且无退偏影响；使用基于往返探测光束的波面，逐次逼近补偿获得最优光程调 制函数，避免由激光波面反向求解腔内像差、腔内补偿光程分布的复杂数学求解，降低了算 法复杂性的同时，提高了补偿求解速率，对随时间变化的腔内像差具有更强的补偿能力；可 W本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种腔内像差补偿非稳腔激光器，其特征在于，包括非稳腔腔镜(111、112,211、212)、耦合输出镜(12,22)、激光增益介质(13,231、232、233、234)、泵浦装置、探测光源(16，26)、探测光导入镜(14,24)、探测光导出镜(15,25)、探测光波前探测器(17,27)和至少一个补偿元件(18,281、282)；所述探测光源(16,26)，其用于提供探测光束(101,201)，其中所述探测光束(101,201)传输到探测光导入镜(14,24)处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束具有相同波面，且所述探测光束(101,201)在腔内每个像差元件处的光束尺寸与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束尺寸匹配；所述探测光导入镜(14,24)和探测光导出镜(15,25)为平面镜，其放置位置实现所述探测光束(101,201)在探测光导入镜(14,24)处与此处同向传输的理想非稳腔本征模式光束同轴同心，沿着激光光轴在腔内往返传输一次后导出腔外，且探测光导入镜(14,24)和探测光导出镜(15,25)之间不存在产生像差的光学元件；所述探测光波前探测器(17,27)，其用于探测探测光导出镜(15,25)导出的探测光束(101,201)；所述补偿元件(18,281、282)，其用于补偿非稳腔腔内像差。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尚建力，苏华，王小军，
申请(专利权)人：北京应用物理与计算数学研究所，中国工程物理研究院应用电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11