自动优化激光模式的固体激光器谐振腔系统技术方案

自动优化激光模式的固体激光器谐振腔系统，由输出腔镜、反射变形镜、增益介质、窄带滤波片、光斑探测器、分光镜、功率计、高压放大器、主控计算机、望远镜，图像采集卡、聚焦透镜、控制算法组成。本发明专利技术利用一块高反射率的反射变形镜取代普通的平面反射镜作为谐振腔的反射端镜，通过优化反射变形镜背后各个驱动器上的电压，使之发生形变，产生相位补偿量校正掉谐振腔内的各种高低阶像差，抑制高阶激光模式的产生，创造利于谐振腔输出基模激光的条件，得到高质量，高亮度的基模输出。本发明专利技术不用增加谐振腔的复杂性，具有结构简单，控制方便的优点，使激光器在不大为降低输出功率的同时又能输出光束质量良好的基模激光。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光器谐振腔系统，特别是一种固体激光器谐振腔系统，是一种利用优化算法控制高分辨率压电反射变形镜对脉冲、准连续和连续固体激光器进行腔内模式自动优化的谐振腔系统。
技术介绍
近年来，各种类型的固体激光器应用越来越广泛，固态激光器与气体激光器相比具有寿命长、效率高和可靠性高优点；与化学激光器相比具有体积小、易操作、运转灵便(连续/重复率/长/短脉冲)、易智能化、无污染的优点。由激光原理可知，一台激光器的谐振腔中可能同时存在若干个稳定的振荡模，只要某一种模的单程增益大于其单程损耗，即满足激光振荡条件，该模式就有可能被激发而起振，这样的机理使得激光器输出的激光模式常常为多横模。由于横模阶数越高，光强分布就越复杂且分布范围越大，其光束发散角也越大，而基模(TEM00)的光强分布图案呈圆形且分布范围很小，其光束发散角最小，功率密度最大，因此亮度也最高，并且径向强度分布是均匀的。在诸如激光通信，高精度激光加工，激光测量等领域，拥有一台能既能输出基模激光，又能保持相对较高的的输出功率的激光器常常是必不可少的前提。要获得单横模的的激光输出，必须有针对性的对模式进行选取和优化。经过选模之后，输出功率可能有所降低，但由于发散度的改善，其亮度可提高几个数量级。横模选择方法可分为两类一类是改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能；另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。气体激光器常采用前类方法，固体激光器常采用后类方法。但是固体激光器谐振腔中存在增益介质造成的热透镜效应，热至双折射效应，增益介质的非均匀性，泵浦非均匀，衍射效应，谐振腔腔镜的不对准等因素.这些不利因素常常阻碍固体激光器获得高性能的激光输出。现有的各种针对固体激光器的腔内模式选取方法都难以在保持一定功率水平的同时获得高质量的基模激光输出，本专利技术针对这些问题，提出一种优化固体激光器模式的新系统。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题克服现有的固体激光器腔内模式控制方式的不足，提供利用反射变形镜直接作为固体激光器谐振腔的端镜，既能补偿腔内各种像差，又能抑制高阶模式，获得光束高质量的基模激光输出。本专利技术的技术解决方案是自动优化激光模式的固体激光器谐振腔系统，其特征在于主要包括输出腔镜组成的谐振腔、高压放大器、主控计算机、望远镜、功率计、聚焦透镜、窄带滤波片，反射变形镜作为固体激光器谐振腔的高反射端镜，望远镜将谐振腔内的光束口径与反射变形镜口径匹配，经过增益介质将激光放大后，由输出腔镜输出光束，该光束经过窄带滤波片过滤掉除了主要输出波长激光以外的其它杂光，该输出激光入射到分光镜上后，一束透过被功率计接收以便实时测量功率，另一束反射到聚焦透镜并被聚焦在其焦平面上的光斑探测器上，主控计算机内的图像采集卡采集光斑探测器探测到的光强信号，利用此信号作为主控计算机中控制算法要优化的目标函数，主控计算机把经过全局遗传控制算法运算得到的电压信号输出到高压放大器，该信号再经过高压放大器放大，施加在反射变形镜的各个驱动器上，使反射变形镜朝着让目标函数优化的方向产生相应的变形量，当目标函数最优时，在反射变形镜形变范围内的谐振腔中的各种像差得到补偿，输出的光束为光束质量良好的基模光束。所述的全局遗传算法实现如下(1)首先随机生成包含一定数量个体的种群(个体数量15-100)，本专利技术中每个个体分别对应作为谐振腔端镜的变形镜的一个面形，变形镜面形由变形镜后面驱动器上施加的电压值决定；(2)初始化种群后，需要对种群中个体进行编码操作，编码可以通过二进制编码，也可以通过实数编码，编码后的个体称之为染色体。本专利技术采用实数编码的编码方式；(3)编码后，计算每个镜面个体的对应的适应度，适应度是用来衡量种群中每个个体可能达到或接近于最优解的优良程度，个体适应度越大，就越逼近最优解，它被选出参与后期交叉操作与变异操作的概率就越大，本专利技术以光斑探测器探测到的光强信号作为遗传算法的要优化的适应度函数；(4)在各个个体的适应度被计算出来以后，全局遗传算法根据与适应度成正比例的轮盘赌选择方式进行选择操作，接着再按照一定的交叉概率(0.5-0.99)以单点交叉的方式对种群中被选择出来的个体两两进行交叉操作，然后再按照一定变异概率(0.001-0.9)对种群中的部分个体本身进行变异操作。选择、交叉和变异操作是全局遗传控制算法的三个最主要的操作，它们一起决定了全局遗传控制算法的全局寻优性能和收敛能力；(5)遗传算法每经过以上4个步骤执行一次，就会产生一个新的种群。遗传算法不断迭代执行以上4个步骤，直到算法满足预先设定的中止条件。本专利技术的原理是采用镀高反射膜系的反射变形镜作为固体激光器谐振腔的端镜，反射变形镜由遗传算法控制，把输出光束经过聚焦透镜聚焦在焦平面上，再把焦平面上探测到的信号作为遗传算法要优化的目标函数，使变形镜朝着让目标函数优化的方向产生相应的变形量。通过控制反射变形镜上各个驱动器的电压，改变变形镜的表面形状，产生相应地相位补偿量，补偿掉谐振腔中地各种像差，从而使谐振腔的结构发生变化，自适应地抑制高阶模式产生，而创造利于产生基模激光的谐振腔条件，输出光束质量良好地基模激光。本专利技术与现有技术相比有如下优点(1)本专利技术利用一块高反射率的反射变形镜取代普通的平面反射镜作为谐振腔的反射端镜，通过优化反射变形镜背后各个驱动器上的电压，使之发生形变，产生相位补偿量校正掉谐振腔内的各种高低阶像差，抑制高阶激光模式的产生，创造利于谐振腔输出基模激光的条件，得到高质量和高亮度的基模输出；(2)本专利技术不用增加谐振腔的复杂性，具有结构简单，控制方便的优点，使激光器在不大为降低输出功率的同时又能输出光束质量良好的基模激光；(3)本专利技术能够实现谐振腔的动态选模，即不局限于仅仅针对某一输出功率或包含某一特定像差条件下的谐振腔有效。在变形镜的形变范围和空间频率允许范围内，可以在一个相对宽广的功率范围内，对包含各种像差的谐振腔成功实现选模。而现有的通过特定的腔型结构实现腔内模式选取的技术一般是针对某一具体的谐振腔条件，因此，当谐振腔内条件一发生改变，针对初始条件设定的腔型结构，就无法灵活的实现动态的稳定。所以本专利技术的动态补偿性能恰恰可以很好的解决这一问题；(4)本专利技术在校正腔内像差方面可以保证谐振腔耦合输出镜和反射变形镜的自动对准，消除因为腔镜不对准产生的像差，降低衍射损耗，增大输出功率；同时能够消除热透镜效应带来的模式尺寸和光束发散角的变化，以及各种高阶像差。而现有技术常采用的自动调腔技术却难以校正高阶像差，消除热透镜效应带来的模式尺寸和光束发散角的变化，这是因为现有技术采用的自动调腔技术主要调节的器件常常是普通的平面、凹面或者凸面反射镜，这些镜子主要在控制器件如步进电机的控制下工作，最多能实现上下、左右的倾斜调节，从而调整谐振腔的对准和消除倾斜像差，但是这些反射镜无法产生补偿各种高阶像差的面型，从而难以消除高阶像差，当然更不可能动态的消除掉腔内热透镜效应产生的各种不利因素了；(5)本专利技术采用的反射变形镜为镀高反射膜系的反射式变形镜，这种变形镜谐振频率高(104Hz级)，响应时间快(微秒级)，非线性滞后小(＜±5％)，动态行程范围大(几个微米)，能承受高功率密度激光(达数本文档来自技高网...

【技术保护点】
自动优化激光模式的固体激光器谐振腔系统，其特征在于：主要包括输出腔镜４组成的谐振腔、高压放大器（１１）、主控计算机（１０）、望远镜（２）、功率计（７）、聚焦透镜（８）、窄带滤波片（８），反射变形镜（１）作为固体激光器谐振腔的高反射端镜，望远镜（２）将谐振腔内的光束口径与反射变形镜（１）口径匹配，经过增益介质（３）将激光放大后，由输出腔镜（４）输出光束，该光束经过窄带滤波片（８）过滤掉除了主要输出波长激光以外的其它杂光，该输出激光入射到分光镜（６）上后，一束透过被功率计（７）接收以便实时测量功率，另一束反射到聚焦透镜（８）并被聚焦在其焦平面上的光斑探测器（９）上，主控计算机（１０）内的图像采集卡采集光斑探测器（９）探测到的光强信号，利用此信号作为主控计算机（１０）中控制算法要优化的目标函数，主控计算机（１０）把经过全局遗传控制算法运算得到的电压信号输出到高压放大器（１１），该信号再经过高压放大器（１１）放大，施加在反射变形镜（１）的各个驱动器上，使反射变形镜（１）朝着让目标函数优化的方向产生相应的变形量，当目标函数最优时，在反射变形镜（１）形变范围内的谐振腔中的各种像差得到补偿，输出的光束为光束质量良好的基模光束。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨平，许冰，刘渊，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]