一种基于遗传算法的自适应校正激光器像差的装置制造方法及图纸

一种基于遗传算法的自适应校正激光器像差的装置，由主振荡激光器，光学隔离器，功率放大器，Ｐ方向偏振片，１／４波片，平行光管，变形镜，功率计，变密度衰减盘，分光镜，光电探测器，高压放大器，数据采集卡，聚焦透镜，小孔光阑，主控计算机以及基于遗传算法的控制软件系统组成。本发明专利技术能够自适应地校正激光器系统的动态和静态像差，尤其适合校正静态像差和变化不快的准静态像差；能在不降低激光器输出功率的情况下有效地改善激光器的输出光束质量，提高输出光束的远场光斑能量集中度，扩大这种由主振荡激光器加功率放大器（ＭＯＰＡ）的固体激光器的应用领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自适应光学装置，特别是一种用于校正MOPA固体激光器输出激光动态和静态像差，提高输出激光光束质量的基于遗传算法的自适应校正激光器像差的装置。
技术介绍
自1960年T.Maiman专利技术了红宝石激光器以来，激光技术对传统学科和技术的发展产生了巨大影响，以激光技术为核心的相关产业已成为知识经济时代和信息时代的重要驱动力量，激光技术将在国民经济建设、医疗卫生和科学研究中发挥不可取代的关键作用，是一项具有战略性，全局性和带动性的战略高技术。激光器按其工作物质来说，可分为固体、气体、液体、化学和自由电子激光器等几大类。其中，固体激光器由于具有体积小、储能高、激发方案简单和可靠性高等优点，逐步处在激光研究的核心地位。人们也从过去单方面追求研制高功率的固体激光器，转而开始认识到提高出光光束的质量同样具有现实意义。主振荡激光器加功率放大器(MOPA)固体激光器是产生高光束质量和高脉冲能量激光的基本途径光束脉宽，发散角和光谱宽度，由主振荡激光器决定；主振荡激光器的脉冲能量通过功率放大器放大。利用MOPA固体激光器，人们希望让主振荡激光器小功率工作，输出接近衍射极限的光束，再让光束经过功率放大器放大，得到高功率且质量良好的输出激光。但是要达到这样的目标，所遇到困难就是如何消除高泵浦功率产生的堆积在增益介质中的热负荷产生的热畸变效应。因为热畸变效应引起的热致双折射以及增益介质中的热透镜效应会严重影响到激光器的出光性能，采用两个完全相同的激光棒串接中间加90°旋光片的方法可以降低热致双折射，改善激光器的出光质量，但却难以从根本上消除热畸变效应带来的各种像差；透镜效应中的球差也可以通过设计良好的谐振腔得到有效的减少，然而，非球差却难以用同样的方式补偿，而且这些非球差会随着增益介质中累积热量的增加而增加，使激光器的效率降低。相位共轭镜，衍射光学元件常常用来减少高功率固体激光器的热畸变效应。但是，这些器件的缺点是它们会增加谐振腔的复杂性，而且会引起新的损耗，不能在一个较大的功率范围内适用。在现代固体激光器技术中，常常还需要把一定强度的激光模式传输到指定物体的表面上，一般的方法是利用补偿棱镜，空间滤波器等光学器件。这些器件的工作原理和应用情况，可以参见“Diffractive optical elementsfortheinfrared”.H.Haidner，P.Kipfer，J.T.SheridanJ.Schwider，W.StorK，N.streibl，andM.Collischon.ProC.SPIE，Vol.1993，pp.666-667。这些光学元件对指定不变的光束模式结构(常常是高斯光束)是有效的，它们共同的缺点是当激光的模式稍稍发生变化，这些光学器件的效率就会变得非常低，这就限制了它们的应用范围。1996年，T.Y.Cherezova等人利用双压电变形反射镜构成的自适应谐振腔，可以校正连续波YAG:Nd3+固体激光器输出激光光束的前五阶低阶像差。这种系统的详细信息可以参见“T.Y.Cherezova，Cw industrial rod YAG:Nd3+laser with an intracavityactive bimorph mirror”，Applied Optics Vol.35，No.15，pp.2554-2561，1996。但此方法的缺点是采用人工手动的控制方法，并没有用到实时波前控制算法，而且系统中所用的双压电变形镜虽然具有行程量大的优点，却没有很高的精度，空间分辨能力也较差，在校正高频高阶像差方面显得力不从心。自适应光学技术能够实时测量并且校正受到大气湍流扰动的光学相位波前，因此在天文观测，激光传输等领域得到广泛的应用。近年来，自适应光学技术还被成功用来补偿固体激光器工作过程产生的各种像差，改善固体激光器输出激光的光束质量。常规的利用自适应光学校正固体激光器像差的系统主要由波前探测、波前重构和波前校正三部分组成，其中波前探测常采用的方式是直接探测法，而哈特曼波前传感器又是直接探测法常用的波前探测器，利用哈特曼波前传感器事先探测出激光光束波前像差的斜率，然后施加相应的控制算法驱动变形镜产生镜面变形补偿掉探测到的波前像差。但是，由于哈特曼波前传感器成本较高，高精度的哈特曼波前传感器价格可达数十万元，而且哈特曼波前传感器的通用性很差，不同的自适应系统常需要不同的哈特曼传感器，再加上这种传感器并没有市场化，购买困难。这些不利因素在很大程度上限制了自适应光学技术在固体激光器像差校正方面的应用。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题克服现有的各种补偿MOPA固体激光器像差技术的不足，提供了一种用间接波前探测技术探测MOPA固体激光器输出激光的像差信息，再利用变形镜对像差进行有效补偿的基于遗传算法的自适应校正激光器像差的装置。本专利技术的技术解决方案是一种基于遗传算法的自适应校正激光器像差的装置，其特征在于包括主振荡激光器、光学隔离器、功率放大器、P方向偏振片、1/4波片、平行光管、变形镜、功率计、变密度衰减盘、分光镜、光电探测器、高压放大器、数据采集卡、聚焦透镜、小孔光阑、主控计算机18，主振荡激光器发出的种子光经过光学隔离器引入到功率放大器中，通过P方向偏振片和1/4波片再经过平行光管扩束后，入射到变形镜上，经过镜面反射后再返回通过1/4波片，经过P方向偏振片反射后再入射到分光镜上，其中分光镜的反射部分由实时测量激光器输出功率的功率计接收，透过分光镜的那部分光束，经过变密度衰减盘衰减再由小孔光阑限制后入射到远场光电探测器，把测量到的光强信号作为遗传算法的适应度函数，同时作为算法要优化的目标函数目标函数值越大，该激光器输出激光的像差就校正得越好，光强信号通过主控计算机内的数据采集卡被采集到主控计算机中，执行主控计算机内的基于遗传算法的控制算法，通过基于遗传算法的处理，把经过迭代运行得到的控制电压控制信号由高压放大器施加在变形镜驱动器上，使变形镜朝着让目标函数增大的方向发生形变，当目标函数即激光器输出的光强信号达到最大时，激光光束的像差就得到最大程度的校正。所述的由一块P方向偏振片，1/2波片，以及法拉第旋光片组成的光学隔离器，用来隔离输出激光和功率放大器自发辐射激光的反射光，使之不能回到主振荡激光器中，保护主振荡激光器不受损害。所述的遗传算法是一种全局寻优算法，它以焦平面上小孔光阑后的光电探测器探测到的光强信号作为适应度函数，利用此函数作为MOPA固体激光器输出激光像差校正效果的目标函数。小孔光阑的尺寸可以调节。在遗传算法控制下使变形镜朝着让目标函数增大的方向发生形变，当目标函数即激光器输出的光强信号达到最大时，输出激光的像差就得到最大程度的校正。如图3所示，本专利技术的遗传算法在执行的时候，(1)首先随即生成一个初始种群为遗传算法提供搜索空间，初始种群由一定数量(30～100个)的个体组成；每个个体分别对应于变形镜的一个面形。(2)产生初始种群以后，要对各个个体进行编码操作，实数编码是连续参数优化问题直接的自然描述，不存在编码和解码问题，相对于二进制编码，实数编码能够提高解的精度和运算速度，故所述的遗传算法采取实数编码的方式对各个面型个体编码。所述的用来测量固体激光器出光功率的功率计的响应范围从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于遗传算法的自适应校正激光器像差的装置，其特征在于包括：主振荡激光器（１）、光学隔离器（２０）、功率放大器（２１）、Ｐ方向偏振片（８）、１／４波片（９）、平行光管（１０）、变形镜（１１）、功率计（１３）、变密度衰减盘（１４）、分光镜（１２）、光电探测器（１７）、高压放大器（１９）、聚焦透镜（１５）、小孔光阑（１６）和主控计算机（１８），主振荡激光器（１）发出的种子光经过光学隔离器（２０）引入到功率放大器（２１）中，通过Ｐ方向偏振片（８）和１／４波片（９）再经过平行光管（１０）扩束后入射到变形镜（１１）上，经过镜面反射后再返回通过１／４波片（９），再经过Ｐ方向偏振片（８）反射后再入射到分光镜（１２）上，其中分光镜（１２）的反射部分由实时测量激光器输出功率的功率计（１３）接收，而透过分光镜（１２）的那部分光束，经过变密度衰减盘（１４）衰减再由小孔光阑（１６）限制后入射到光电探测器（１７），把测量到的光强信号作为遗传算法的适应度函数，同时作为算法要优化的目标函数，该光强信号通过主控计算机（１８）内的数据采集卡被采集到主控计算机（１８）中，执行主控计算机（１８）内的基于遗传算法的控制算法，通过基于遗传算法的处理，把经过迭代运行得到的控制电压控制信号由高压放大器（１９）施加在变形镜（１１）驱动器上，使变形镜（１１）朝着让目标函数增大的方向发生形变，当目标函数即激光器输出的光强信号达到最大时，激光光束的像差就得到最大程度的校正。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨平，胡诗杰，杨伟，陈善球，许冰，姜文汉，
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：90[中国|成都]