专利名称：利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自适应光学装置，特别是一种用于补偿固体激光器腔内增益像差，改善出光光束质量的自适应光学装置。
背景技术：
激光是二十世纪最伟大的发明之一。自1960年T.Maiman发明了红宝石激光器以来，激光科学与激光技术的发展日新月异。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更具有实际价值。在应用固体激光器时，人们都期望获得高质量的单横模振荡，并且能使固体激光器在高平均功率下稳定运行，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，只有消除了增益介质中的热畸变效应，固体激光器才可能获得高的输出功率和良好的光束质量。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，选择良好的激光增益介质可以在一定程度上降低热致双折射，改善激光器的出光质量，但却难以从根本上消除热效应；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，不仅使激光器的效率降低，还会使其产生多模振荡。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。在实际应用中，为了改善固体激光器的出光光束质量，还常常在激光器谐振腔内加入一个硬边光阑来抑制激光的高阶模式，但是这种方法会使光束在近场形成衍射环，并且会大大降低激光器输出激光的功率，因此，这种通过大幅度的降低激光器的输出功率来获得较好的光束质量的方法也是不可取的。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 elements for the infrared”.H.Haidner，P.K ipfer，J.T.Sheridan，J.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 intracavity active 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。图1是常规利用哈特曼波前传感器测量固体激光器腔内综合像差的装置的结构示意图，这种测量方法每次测量的都是固体激光器的综合像差，即增益介质加上各个腔镜产生的像差总和。而根据已知固体激光器腔内像差的规律，主要像差来源是增益介质。所以图1的测量方式没有采用测量最主要的像差因素的方法，且测量光路也比较长。
图1是常规利用哈特曼波前传感器测量固体激光器腔内综合像差的装置的结构示意图，这种测量方法每次测量的都是固体激光器的综合像差，即增益介质加上各个腔镜产生的像差总和。而根据已知固体激光器腔内像差的规律，主要像差来源是增益介质。所以图1的测量方式没有采用测量最主要的像差因素的方法，且测量光路也比较长。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有的各种补偿固体激光器腔内像差技术的不足，提供一种用于实时探测固体激光器腔内像差信息，并利用波前校正器自动对腔内主要像差进行有效校正的自适应补偿装置。通过该装置可以把腔内的最主要的像差在经由出光光束带出激光器前就补偿掉，从而使固体激光器的输出光束变得稳定，光束质量达到良好的状态，因此可以得到性能良好的固体激光器，扩大固体激光器的应用范围。
本发明的技术解决方案是利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于主要由He-Ne激光器、变密度衰减盘，扩束系统、变形镜、固体激光器的增益介质、匹配扩束凹镜、分光镜、输出耦合镜、哈特曼波前传感器、功率计、高压放大器，高速处理机以及主控计算机组成，He-Ne激光器发出的信标光首先经过变密度衰减盘，调节信标光的强弱，使之强度适中，然后再经过扩束系统被凹镜引入到固体激光器的谐振腔内的增益介质，通过分光镜分出两路信号，一路经过输出耦合镜用来耦合输出固体激光器激光光束，再由功率计用作实时测量固体激光器的输出功率；一路由哈特曼波前传感器实时探测腔内像差信息，通过高速处理机接收哈特曼波前传感器探测到的腔内像差信息，并进行波前斜率计算，波前复原和波前控制运算，得到相应的电压控制信号，该电压信号在主控计算机控制下经过高压放大器放大后把变形镜校正像差所需要的电压施加到变形镜驱动器上，使变形镜能够实时补偿固体激光器的腔内像差。
本发明的工作原理是从固体激光器腔外引入He-Ne光，He-Ne光主要用来探测腔内增益介质像差，以及用来标定哈特曼传感器。He-Ne光通过腔内增益介质后，会携带腔内主要像差源即增益介质产生的像差信号，He-Ne光再经由分光镜透射到哈特曼波前传感器上，高速处理机接受哈特曼传感器探测到的波前相位畸变信号，并进行波前复原和波前控制运算，根据这些信息，利用控制算法驱动变形镜的驱动器带动变形镜变形，实时把大部分像差补偿掉，从而可以把主要由增益介质产生像差的固体激光器谐振腔，变成无像差或小像差的激光器谐振腔，改善固体激光器输出激光的光束质量，提高输出光束的亮度和远场光斑的能量集中度。耦合输出镜后的功率计用来监测固体激光器出光功率在系统闭环前后的大小和变化情况。
本发明与现有技术相比有如下优点(1)本发明采用的测量腔内像差的方式是通过从固体激光器谐振腔内的一个凹镜引入He-Ne光，作为探测光，透过增益介质后，带有腔内像差信息的He-Ne光再从腔内的分光镜引出供哈特曼波前传感器测量；而现有的测量固体激光器腔内像差的方法，往往是测量固体激光器谐振腔的综合像差，如图1所示。因为在引起固体激光器输出激光光束质量变坏的诸多因数中，增益介质带来的像差往往是最主要的，而腔镜镜面畸变带来的像差常常是次要的，补偿掉由增益介质带来的像差，就能从根本上提高输出激光的光束质量。所以本发明通过引入He-Ne光主要测量腔内像差的主要来源即增益介质产生的像差，然后控制变形镜实时校正掉由增益介质产生的全部或大部分像差，就可以克服常规测量方式结构复杂，每次测量都要测量整个谐振腔像差的缺点。
(2)本发明能实现控制变形镜的镜面变形，不仅能够有效的补偿掉腔内的大部分像差，而且还可能改变激光输出的模式。这是因为波前校正器即变形反射镜是作为固体激光器的一个高反的腔镜，所以镜面的微小变形会改变谐振腔的结构参数，因此，能为激光器一些模式的产生和另一些模式的抑制创造有利条件。
(3)本发明并没有在腔内引入额外元件，避免了增加谐振腔的复杂性，克服了利用常规方法校正固体激光器腔内像差时，高功率和高质量往往不能兼备的缺点，使得在获得良好光束质量的同时，可以保证输出激光功率不会降低多少，而且还可能会有所提高。
(4)本发明使用与固体激光器的输出激光波长不同He-Ne光作为信标，使光路调整变得比较方便。因为大多固体激光器输出的光束是不可见光，所以如果直接利用固体激光器输出的光束作为信标光，去探测腔内像差，会使系统中各器件的对准和调节的难度变大。
(5)本发明采用的高速处理机的运算速度很快，能跟上腔内像差变化的速度，因此，不局限于对某种腔内像差变化缓慢的固体激光器适用，对腔内像差变化较快的固体激光器同样具有较好的校正效果。
综上所述，本发明可以很好的校正固体激光器谐振腔内的主要像差，使激光器的光束质量在光束输出激光器光前就得到很大的改善，从而大大扩展固体激光器在医疗，科研，以及国民经济生活中的应用范围。
图1为常规利用哈特曼波前传感器测量固体激光器腔内综合像差的装置的结构示意图；图2为本发明的结构示意图；图3为本发明所用的变形镜的结构图；图4为本发明所用的高速处理机的原理框图；图5为本发明所用的高速处理机的工作流程图；图6为本发明的控制算法流程图。
具体实施例方式
如图2所示，主要由以下部件构成作为波前校正器的变形镜1是这套装置最核心的能动器件，它能实时校正固体激光器腔内产生的像差；凹镜2用来引入信标光，同时用作匹配腔内光束直径与变形镜的直径大小；激光器3不仅用做探测固体激光器腔内像差的信标光源，也用来标定哈特曼传感器；变密度衰减盘14用来调节信标光的光强；扩束系统由4和5两个透镜组成，用来扩展信标光源发出的激光光束半径；增益介质6是激光器产生激光的物质基础，同时也是腔内像差最主要的来源；分光凹镜7用来引出信标光作为哈特曼波前传感器的探测光；高精度的可探测激光器腔内光束质量的哈特曼波前传感器8，主要实时探测腔内光束质量，输出耦合镜9用来耦合输出固体激光器产生的光束；功率计10用作实时测量固体激光器的输出功率；内置D/A转换电路的高速处理机11，接收哈特曼波前传感器8探测到的腔内像差信号，并进行波前复原和波前控制运算，得到的电压信号经D/A转化后，交给高压放大器12，在主控计算机13控制下，高压放大器把变形镜1所需要的校正电压施加到变形镜驱动器上，使变形镜能够实时校正固体激光器腔内像差。
如图2所示，本发明的工作过程如下小功率的He-Ne激光器3发出的信标光，被变密度衰减盘14衰减后，经过由透镜4和透镜5组成的扩束系统扩束，入射到谐振腔内的凹面镜2上，其中凹面镜2镀制对信标激光光束高透，对固体激光器产生的激光光束的高反的分光膜；He-Ne光通过凹镜2后再穿过增益介质6，增益介质6两端镀制对固体激光器产生的激光和He-Ne激光都高透的增透膜。固体激光器运转前，增益介质产生的静态像差，腔内环境产生的像差，及凹镜2、凹镜7镜面带来的静态像差，都会被He-Ne光束携带，再由凹镜7被引出腔外入射到哈特曼波前传感器8的阵列透镜上，测出每一子孔径对应的光斑中心坐标，作为参考基准。在这一过程中，腔内的各元件和腔内环境产生的静态像差可以被标定掉，标定好哈特曼波前传感器8后，接下来的工作就是让固体激光器开始运转，此时，在腔内激光作用下，腔内各光学镜镜面的面形会有微小变化，但已经知道，这种变化引起的像差很小，所以，可以认为哈特曼波前传感器8测量到的像差绝大部分是增益介质6工作时产生的。带有腔内像差的He-Ne光束入射到哈特曼波前传感器8的阵列透镜上，子孔径范围内的波前倾斜将造成光斑的横向飘移，测量光斑中心在X，Y两个方向上的飘移量，就能由高速处理机11计算出各子孔径范围内的波前在两个方向上的平均斜率。得到子孔径斜率数据后，再经过高速处理机11的波前复原和控制运算，可以得到补偿固体激光器腔内波前像差所需的数字电压信号，该电压信号经过D/A转换后送到高压放大器12，再输出到变形镜1上实时校正固体激光器的腔内像差。以上的标定过程，以及实时校正过程，都在主控计算机13的协调控制下完成。功率计10用来实时测量固体激光器输出光束的功率，知道了输出功率后，就能知道闭环前后固体激光器输出功率的变化情况。主控计算机13上管理高速处理机和监测自适应光学系统的软件用高级语言编写。该软件具有初始化，数据和参数的加载、显示和修改，以及启动和停止波前处理机控制波前校正器工作的功能。通过该运行该软件，能知道系统闭环前后腔内光束质量的改善状况。
如图3所示，本发明的变形镜为镀高反射膜系的反射式变形镜，该变形镜的变形是靠镜面背后的压电陶瓷驱动器的推动产生的，通过对驱动器上电极施加电压，使镜面产生变形。这种变形镜谐振频率高(104Hz级)、响应时间快(可达微秒级)、动态行程范围大(几个微米)。
如图4所示，本发明的高速处理机主要由FPGA芯片，DSP信号处理器，SRAM存储器，CPLD器件，PCI接口芯片组成。FPGA芯片接收CCD输出的图像信号，波前斜率计算也在FPGA芯片中进行，DSP与FPGA芯片相连，主要完成波前复原和控制运算。DSP在再把处理后得到的控制电压信号传回FPGA，经过D/A转换后送出到高压放大器。SRAM存储器是用来存储采集到的图像信号的。FPGA芯片，SRAM存储器以及DSP信号处理器再与逻辑器件CPLD相连，在CPLD的总体协同和控制下，经过PCI接口芯片和主控计算机之间进行通信。
如图5所示，本发明的高速处理机的工作流程由图像采集部分、斜率计算部分、波前复原部分、D/A转换部分和控制运算部分组成。图像采集模块实时采集哈特曼波前传感器8中CCD相机输出的数据，完成A/D转换，并将有效子孔径的数据分配到斜率计算部分，斜率计算部分实时计算所有子孔径的波前斜率，得到斜率向量，送至波前复原部分；波前复原部分实时进行波前复原计算，得到波前误差向量，送至控制运算部分；控制运算部分实时完成控制算法，得到多路控制电压向量；D/A转换部分将控制运算的得到的多路数字电压信号转换为模拟信号，再将控制电压输出到高压放大器12，并将控制电压保持到下一帧数据输入前不变。由于高速处理机11的大量运算集中在斜率计算和波前复原部分，而这些运算都是基本的矩阵运算，有很好的并行性，因此高速处理机11采用流水和并行的工作方式即哈特曼波前传感器8的CCD相机的图像输出和斜率计算并行进行；波前复原、控制运算和下一帧图像的斜率计算并行进行，这样就能满足系统的实时性要求。
本发明的斜率计算部分计算方法为波前相位斜率计算是波前复原的前一步工作，首先利用标准的平面光照明哈特曼波前传感器8的阵列透镜，测出每个子孔径对应的光斑中心坐标，作为标定原点。当入射带有波前畸变的光束时，子孔径范围内的波前倾斜将造成光斑的横向偏移，测量出光斑中心在两个方向上的漂移量，就可以求出各子孔径范围内的波前在X，Y两个方向上造成的平均斜率XC=ΣijXiIijΣijIij---(1)]]>YC=ΣijYjIijΣijIij]]>(1)式中(XC，YC)是光斑质心的坐标。Xi、Yj是CCD靶面上第(i，j)个像素的坐标；Iij是CCD靶面上第(i，j)个像素接受到的光强信号。光斑质心坐标(XC，YC)相对于标定原点(Xc0，Yc0)的偏移量ΔX＝Xc-Xc0(2)ΔY＝Yc-Yc0
则入射光束波前相位在子孔径内X和Y方向的平均斜率GX和GY为GX=ΔXf---(3)]]>GY=ΔYf]]>(3)式中f是微透镜的焦距本发明的波前复原部分所采用的算法是直接斜率法。直接斜率法，可以避免泽尼克模式波前复原算法需要两次矩阵运算的缺点，它以变形镜1的各个驱动器的控制电压作为波前复原的计算目标。可以根据各个驱动器施加单位电压时对哈特曼波前传感器8上各个子孔径斜率的影响，建立起驱动器与子孔径斜率之间的关系矩阵，用这个矩阵的逆矩阵就可以直接从斜率测量值求出控制电压，这样的计算量和实施难度都要比泽尼克模式复原法小。该算法的过程如下设输入信号Vj是加在变形镜1第j个驱动器上的控制电压，由此产生哈特曼波前传感器8子孔径内的平均斜率量为Gx(i)=Σj=1tVi∫∫Si(∂Rj(x,y)∂x)dxdySi=Σj=1tVjRxj(i)---(4)]]>i＝1，2，3，...，mGy(i)=Σj=1tVj∫∫Si(∂Rj(x,y)∂y)dxdySi=Σj=1tVjRyj(i)---(5)]]>i＝1，2，3，...，m其中，Rj(x，y)为变形镜1第j个驱动器的影响函数，t为驱动器个数，m为子孔径个数，Si为子孔径i的归一化面积。把电压控制在合适的范围内时，变形镜1的相位校正量与它背后的驱动器上所施加的电压有近似线性关系，并且满足迭加原理，哈特曼波前传感器8的子孔径斜率量也与驱动器电压成线性关系，且满足迭加原理，所以(4)(5)两式可以写成
G＝RXYV(6)其中RXY为变形镜1到哈特曼波前传感器8的斜率响应矩阵，这个矩阵既可以通过理论计算求得，也可以由实验测得，但是实验测量得出的斜率响应矩阵能更加准确地反映实际系统的真实情况。
设G是需要校正的波前像差的斜率测量值，用广义逆可以求得使斜率余量最小且控制能量也最小的控制电压为V＝R+XYG (7)R+XY是RXY的广义逆矩阵，因为传递函数矩阵RXY可以用哈特曼波前传感8方便快捷的测得，而且求其逆矩阵的过程也比较容易实现，所以，本发明中所采用的波前复原法就是直接斜率法。
如图6所示，本发明的控制算法流程如下哈特曼波前探测器HS探测出激光光束的波前相位畸变，在高速处理机中进行波前复原计算WFS和控制运算CC，其中波前复原计算WFS采用的方法是直接斜率法。得到的控制电压信号经过数模转换DAC和高压放大器HVA传到变形镜DM上，使变形镜产生需要的补偿波前。
波前控制运算的任务就是把复原出的残余电压经过控制算法，得到驱动器控制电压。由于比例积分(P-1)控制器可以根据实际情况，通过适当调节增益P就能使得控制系统的校正带宽达到最大且满足稳定性要求，所以波前控制运算采用的算法是比例积分法(P-1)。比例积分(P-1)控制器的传递函数为C(S)＝KC/S (8)比例-积分控制器具有对阶跃响应无静差的优点，可以满足准确跟踪的要求。在具体实施时，要用直接Z变换法将控制器C(S)离散化为适合在高速处理机实现的形式C(Z)＝P/(1-Z-1)(9)
权利要求
1.利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于主要由He-Ne激光器、变密度衰减盘，扩束系统、变形镜、固体激光器的增益介质、匹配扩束凹镜、分光镜、输出耦合镜、哈特曼波前传感器、功率计、高压放大器，高速处理机以及主控计算机组成，He-Ne激光器发出的信标光经过变密度衰减盘后，再经扩束系统被凹镜引入到固体激光器的谐振腔内的增益介质中，然后通过分光镜分出两路信号，一路经过输出耦合镜用来耦合输出固体激光器激光光束，再由功率计用作实时测量固体激光器的输出功率；一路由哈特曼波前传感器实时探测腔内像差信息，通过高速处理机接收哈特曼波前传感器探测到的腔内像差信息，并进行波前斜率计算，波前复原和波前控制运算，得到相应的电压控制信号，该电压信号在主控计算机控制下经过高压放大器放大后把变形镜校正像差所需要的电压施加到变形镜驱动器上，使变形镜能够实时补偿固体激光器的腔内像差。
2.根据权利要求1所述的利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于所述的变形镜为镀高反射膜系的反射式变形镜。
3.根据权利要求1或2所述的利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于所述的变形镜既作为校正器件能实时校正固体激光器腔内的像差，还作为固体激光器谐振腔的一个高反腔镜使用。
4.根据权利要求1所述的利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于所述的高速处理机由图像采集部分、斜率计算部分、波前复原部分、D/A转换部分和控制运算部分组成，图像采集模块实时采集哈特曼波前传感器中CCD相机输出的数据，完成A/D转换，并将有效子孔径的数据分配到斜率计算部分，斜率计算部分实时计算所有子孔径的波前斜率，得到斜率向量，送至波前复原部分；波前复原部分实时进行波前复原计算，得到波前误差向量，送至控制运算部分；控制运算部分实时完成控制算法，得到多路控制电压向量；D/A转换部分将控制运算的得到的多路数字电压信号转换为模拟信号，再将控制电压输出到高压放大器，并将控制电压保持到下一帧数据输入前不变。
5.根据权利要求1所述的利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于所述的分光镜一方面使带有固体激光器腔内像差信息的信标光源透射输出到哈特曼波前传感器上供探测，另一方面该分光镜和凹镜配合构成望远镜，通过调整凹镜和哈特曼波前传感器构成的望远镜的放大率，可扩大固体激光器的基模体积，使之与增益介质的半径大小匹配。
6.据权利要求1所述的利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于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微瓦级到百瓦级。
7.据权利要求1所述的利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于所述的哈特曼波前传感器的CCD靶面对可见光所对应的波段响应最敏感，且它与腔内的分光镜之间的距离相对在十厘米以内，以保证测量的准确度。
8.据权利要求1所述的利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于He-Ne激光器、变密度衰减盘、扩束系统、变形镜、固体激光器的增益介质、匹配扩束凹镜、分光镜、输出耦合镜、哈特曼波前传感器的中心高度一致。
9.据权利要求1所述的利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，其特征在于所述的He-Ne激光器产生与固体激光器的输出激光波长不同He-Ne光作为信标，使光路调整方便。
全文摘要
利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置，由He－Ne激光器、变密度衰减盘，扩束系统、变形镜、固体激光器的增益介质、匹配扩束凹镜、分光镜、输出耦合镜、哈特曼波前传感器、功率计、高压放大器，高速处理机以及主控计算机组成，He－Ne激光器发出的信标光被凹镜引入到固体激光器的增益介质中，通过分光镜分出两路信号，一路经过输出耦合镜用来耦合输出固体激光器激光光束；另一路由哈特曼波前传感器实时探测腔内像差信息，并通过高速处理机运算处理后得到相应的电压控制信号，把该电压施加到变形镜驱动器上，使其能够实时补偿固体激光器的腔内像差。本发明能够自适应地校正腔内像差，实时性好，有效地改善了固体激光器的输出光束质量，提高了输出光束的远场光斑能量集中度。
文档编号H01S3/00GK1804711SQ200610011199
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月16日 优先权日2006年1月16日
发明者杨平, 胡诗杰, 杨伟, 陈善球, 许冰 申请人:中国科学院光电技术研究所