利用自适应光学器件和中场监测的激光束波前校正的制作方法

本发明一般涉及激光束波前校正，尤其涉及使用自适应光学器件来稳定激光束的尺寸和发散特性的技术。

背景技术：

1、激光束的光束质量表征其可聚焦性。高质量激光束的波前具有平滑且简单的形状。高质量的激光束可以比低质量的激光束更紧密地聚焦。在本领域中使用了不同的光束质量度量。一种度量是光束参数积(bpp)，定义为(i)束腰处的光束半径和(ii)远场光束发散角的乘积。衍射受限高斯光束可实现最高可能的光束质量。因此，光束质量的另一个度量是m2因子，定义为(i)所考虑激光束的bpp与(ii)相同波长的衍射受限高斯光束的bpp的比率。m2因子或类似的bpp的实际测量通常相当乏味。这种测量通常涉及将激光束聚焦到束腰，并测量在束腰处和束腰附近的几个位置处(即，在近场)以及距离束腰至少两个瑞利(rayleigh)长度的几个位置处(即，在远场)的光束尺寸。拟合函数拟合于光束尺寸测量值，m2因子源自拟合参数。

2、一些光学元件通过改变入射激光束的波前来执行它们的预期功能。这种情况的一个典型的例子是通过改变入射光的波前曲率来工作的透镜。然而，光学元件也可能导致不希望的波前变化。例如，高功率固态激光器中增益晶体的光致加热可能导致热透镜效应。热透镜效应是由激光辐射不均匀地加热增益晶体以在增益晶体的折射率中产生温度引起的梯度引起的。在另一个实施例中，如果紫外(uv)激光足够强大，则在非线性晶体中产生uv激光可能会使非线性晶体退化。热透镜效应和uv引起的退化在温和时都会导致激光束波前曲率随时间变化，从而导致输出激光束的尺寸和发散特性随时间不稳定。当更严重时，这些影响会降低光束质量和/或功率。

3、自适应光学器件是一种光学元件，可以通过调整该光学元件来改变光场(例如激光束)的波前。例如，可变形镜可以变形以赋予反射光期望的波前变化。类似地，可变形透镜可以变形以赋予透射光期望的波前变化。尽管在某些场景中开环操作就足够了，但自适应光学器件通常会结合到主动反馈环路中，该主动反馈环路会根据对所得波前的测量反复地调整自适应光学器件。

4、专为激光束波前校正而设计的基于mems和基于压电的可变形镜现已市售。这些可变形镜具有柔性镜面、支撑基板和位于柔性镜面的背面和支撑基板之间的致动器阵列。每个致动器可以调节支撑基板和镜面之间的局部距离。致动器阵列有大量致动器，通常为数十个或更多，布置成二维阵列，以提供通用和高分辨率波前控制。

技术实现思路

0、发明概述

1、本文公开了用于在存在一个或多个不希望的波前变形源的情况下校正激光束的波前的系统和方法。我们已经意识到，在某些常见类型的激光系统中，主要的波前变形问题是激光束束腰位置和尺寸的偏移。此外，我们已经意识到光束尺寸测量对束腰位置偏移的最高灵敏度是在中场达到的，即在距离束腰大约一个瑞利长度处，而不是在近场或远场。因此，本系统和方法采用非常规方法监测中场相对于束腰的光束尺寸，并使用中场测量值来校正波前变形。与m2因子的常规测量所需的许多位置相比，本波前校正方法仅需要在一个位置进行测量，尽管两个位置对于精度而言是优选的，并且一些实施方案进一步实施远场测量以实现附加功能。

2、本中场监测技术普遍适用于主要问题是激光束束腰位置偏移的情况下的波前监测和校正。我们发现中场监测技术对于主动稳定随着时间的推移而受到紫外(uv)降解的非线性晶体中产生的uv激光束的束腰位置特别有用。正如许多激光系统应用的情况一样，此类uv激光系统通常需要在长达数千小时的操作时间内保持稳定的光束参数，并且可以实施本波前校正技术以至少帮助满足这一要求。

3、我们进一步发现，基于中场监测稳定束腰位置所需的波前校正可以使用相对简单的自适应光学器件来执行，例如一个或多个可变形柱面镜，每个柱面镜具有少至三个致动器。与依赖当今市售的可变形镜的系统相比，这代表了成本和复杂性的显著降低。

4、在一个方面，用于校正激光束的波前的系统包括用于分离出激光束的部分以用作诊断光束的主分束器。激光束在标称束腰位置具有束腰。该系统还包括用于将诊断光束聚到焦点的聚焦元件，以及配置成测量诊断光束在相对于诊断光束的焦点的标称位置的上游和下游位置中的至少一个处的尺寸的测量系统。诊断光束的上游位置和下游位置中的每一个对应于激光束的相应中场位置的图像。此外，该系统包括至少一个自适应光学器件，位于主分束器上游的激光束中，用于至少部分地基于诊断光束的针对上游位置和下游位置中的至少一个测量的尺寸来校正激光束的波前。

5、在另一方面，一种用于校正激光束的波前的方法包括分离出激光束的部分作为诊断光束的步骤。激光束在标称束腰位置具有束腰。该方法还包括以下步骤：使诊断光束聚到焦点，以及测量诊断光束在相对于诊断光束焦点的标称位置的上游位置和下游位置中的至少一个处的尺寸。诊断光束的上游位置和下游位置中的每一个对应于激光束的相应中场位置的图像。该方法还包括以下步骤：至少部分地基于针对上游位置和下游位置中的至少一个位置测量的尺寸，用至少一个自适应光学器件校正激光束的波前，该自适应光学器件位于激光束中且在激光束和诊断光束之间的分流点的上游。

技术特征：

1.用于校正激光束的波前的系统，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，每个所述中场位置从所述标称束腰位置移位所述激光束相对于所述标称束腰位置的标称瑞利长度的90％到110％之间。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中：

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一自适应镜包括：

5.根据权利要求3或权利要求4所述的系统，其中，所述测量子系统包括：

6.根据权利要求3至5中任一项所述的系统，其中：

7.具有波前校正的激光设备，包括：

8.根据权利要求7所述的激光设备，其中，所述激光源包括非线性晶体，并且所述束腰位置在所述非线性晶体内。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的激光设备，还包括：

10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述测量子系统配置成进一步测量所述诊断光束在所述聚焦元件的焦平面处的尺寸。

11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述测量子系统包括：

12.根据权利要求10或权利要求11所述的系统，还包括：

13.根据权利要求10至12中任一项所述的系统，其中，所述至少一个自适应光学器件包括串联布置的第一对自适应镜并且每个自适应镜配置成校正相对于激光束在第一横轴上的波前。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一对自适应镜中的每个自适应镜包括：

15.根据权利要求13或权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个自适应光学器件还包括串联布置的第二对自适应镜并且每个自适应镜配置成校正相对于所述激光束在第二横轴上的波前，所述第二横轴正交于所述第一横轴。

16.具有波前校正的激光设备，包括：

17.根据权利要求16所述的激光设备，其中，所述激光源包括非线性晶体。

18.用于校正激光束的波前的方法，包括以下步骤：

19.根据权利要求18所述的方法，其中，每个所述中场位置从标称束腰位置移位所述激光束相对于所述标称束腰位置的标称瑞利长度的90％到110％之间。

20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，所述激光束具有第一束腰，所述方法还包括以下步骤：

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一束腰在非线性晶体中并且所述校正步骤在所述非线性晶体中存在所述激光束的波前变形的情况下稳定所述第二束腰的位置。

22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述测量步骤包括以下步骤：

23.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：

24.根据权利要求18至23中任一项所述的方法，其中：

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述校正步骤调整多个自适应光学器件以保持所述激光束的预定束腰尺寸和远场发散度。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括以下步骤：

27.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，其中：

28.根据权利要求27所述的方法，其中：

29.根据权利要求24至28中任一项所述的方法，其中，所述测量步骤包括以下步骤：

30.根据权利要求24至29中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

技术总结
用于校正激光束(180)的波前(182)的系统包括：分束器(120)，用于分离激光束(180)的部分以用作诊断光束(180D)；聚焦元件(140)，用于将诊断光束(180D)聚到焦点；测量子系统(150)，用于测量诊断光束(180D)在相对于焦点的标称位置的上游和/或下游位置的尺寸；以及至少一个自适应光学器件(110)，位于分束器(120)的上游，用于至少部分地基于诊断光束(180D)在上游和/或下游位置的测量尺寸来校正激光束(180)的波前(182)。上游位置(152(1))和下游位置(152(2))对应于由聚焦元件(140)成像的激光束(180)中的中场位置。该系统利用了激光束尺寸对束腰位置偏移的敏感性在距标称束腰位置一个瑞利长度处最大。

技术研发人员：R·冯·埃尔姆
受保护的技术使用者：相干激光系统有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15