专利名称：采用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统及调腔方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种非稳腔自动调腔系统和调腔方法。
背景技术：
非稳腔是高能激光器中实现激光能量提取和输出的关键器件，非稳腔的准直与否将 直接影响激光器的输出光束质量和输出功率的稳定性，因此激光器在安装或运行时都要 进行谐振腔腔镜的调节，使腔镜位置达到设计要求才能实现预定的输出指标。
目前高能激光器非稳腔的调腔方法一般是采用He-Ne激光器22输出的高斯光束作为 导引光(如图l所示)经过凹面镜23上的小孔注入到非稳腔中，导引光在谐振腔中经凸 面镜20和凹面镜23多次往返扩束后经输出耦合镜21输出腔外，使输出光束通过透镜24 聚焦在焦平面19上观察焦斑图样，通过焦斑的干涉条纹形状或焦斑的偏移来判断非稳腔 是否准直，根据观察结果反复调节各个腔镜，直到获得对称的干涉图样或焦斑的倾斜量 接近0。现有方法存在许多不足之处
(1) 、焦平面上的光斑为多光束叠加形成的多光束干涉条纹，光场分布复杂，不能定 量的判断输出光束的像差情况，仅能获得非稳腔输出光束的倾斜信息，而对球差、慧差 等高阶像差无法判断，因此调腔精度不高；
(2) 、需要根据经验判断哪些镜面位置存在偏移，需反复调节多个镜面，因此调节烦 琐，调节速度慢。
(3) 、凹面镜上开小孔的方式，不仅增加了镜面加工的难度和镜面热损伤的风险，也 破坏了非稳腔菲涅尔衍射核的形成，不利于非稳腔输出光束质量的提高。
随着高能激光系统应用范围的扩展，高能激光应用系统对激光器输出光束质量、功 率稳定性等指标提出了更高的要求，对非稳腔调节的自动化程度和实时性要求也越来越 高，因此实现非稳腔快速、高精度自动调节必然会为高能激光系统的广泛应用起到巨大 的推动作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种调节快速准 确、调腔精度高、使激光器的输出光束质量和能量提取效率得到提高的采用自准直反馈 光路的非稳腔自动调腔系统及调腔方法。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案。
本发明的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统，其特征在于它包括像差探测 系统、非稳腔腔镜、反馈镜、数据分析系统、腔镜控制系统和激光器基座，所述非稳腔 腔镜包括第二腔镜、输出耦合镜和第一腔镜，输出耦合镜置于第二腔镜和第一腔镜之间 并靠近第二腔镜，反馈镜置于输出耦合镜和第一腔镜之间并靠近第一腔镜，所述输出耦 合镜为中心开设有椭圆形孔或矩形孔的平面反射镜，椭圆孔长轴或矩形孔长边与激光器 基座安装基面平行，输出耦合镜的中心与非稳腔光轴重合，输出耦合镜的镜面与非稳腔 光轴呈45度夹角；所述反馈镜为平面反射镜，镜面中心与非稳腔光轴重合，镜面与非稳 腔光轴垂直；输出耦合镜和反馈镜之间设有激光器的增益模块，非稳腔光轴位于增益模 块的中心位置；第二腔镜、输出耦合镜、第一腔镜和反馈镜均装设于电控调节镜座上， 像差探测系统的光轴通过输出耦合镜的中心，与非稳腔光轴垂直，数据分析系统分别与 像差探测系统和腔镜控制系统通过数据线连接，腔镜控制系统又分别与各电控调节镜座 通过数据线连接，各电控调节镜座均装于激光器基座上。
所述反馈镜为圆形或正方形，其圆形的直径或方形的边长是第一腔镜的有效口径的 1/M， M为非稳腔的几何放大率。
所述像差探测系统由具有发射信号光和接收反馈光束进行像差分析功能的仪器构 成，包括带有探测光源的各种干涉仪，或哈特曼波前传感器，或由He-Ne激光、平行光 管、分光镜和不带测量光源的干涉仪组合而成。
所述电控调节镜座的驱动方式为音圈驱动、压电陶瓷驱动或精密螺纹驱动。 所述非稳腔为正支共焦非稳腔，所述第一腔镜为凹面镜，第二腔镜为凸面镜。 所述非稳腔为负支共焦非稳腔，所述第一腔镜和第二腔镜均为凹面镜。 上述使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统的调腔方法，其特征在于由像差探 测系统、组成非稳腔腔镜的输出耦合镜、第一腔镜、第二腔镜及反馈镜构成自准直反馈 光路，由光轴通过输出耦合镜的中心且与非稳腔光轴垂直的像差探测系统发射出一束平 行光作为信号光束，先后经过输出耦合镜、第一腔镜、第二腔镜、反馈镜、第二腔镜、 第一腔镜和输出耦合镜反射后，成为携带了非稳腔腔镜位置偏差信息的、具有一定像差 的自准直反馈光束，反馈光束返回像差探测系统，由像差探测系统给出该光束的各阶像 差系数，由与像差探测系统相连的数据分析系统根据反馈光束的像差计算出非稳腔腔镜 内各个腔镜的倾斜或偏移量等位置偏差，与数据分析系统相连的腔镜控制系统根据各个 腔镜的倾斜或偏移量驱动非稳腔的各个腔镜作相应的调节，从而使非稳腔内各个腔镜位
置达到设计值。
上述使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统的应用，其特征在于像差探测系统、 非稳腔的输出耦合镜、第一腔镜、第二腔镜和反馈镜构成的自准直反馈光路产生的具有 平面波前分布的反馈光束可用于激光系统中激光器后继光学串的精密调节、激光器输出 光束传输方向指示和聚焦位置指示。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于
1) 、像差探测系统发出的信号光在非稳腔内仅作单次往返，即非稳腔第一、二腔镜 和输出耦合镜对该光束先后仅作两次反射形成反馈光束输出腔外，输出光束不再是复杂 的多光束相干叠加，而仅是携带了腔镜位置偏差信息的单束激光，通过通用的像差分析 方法就可以定量的分析任意阶像差，使得像差分析由以前的定性分析变为定量分析，且 可以探测到调腔信号光的高阶像差，从而使非稳腔调节更加准确，增加了调腔的精度。
2) 、通过求解像差信息与腔镜位置偏差的函数关系，可以根据像差定量求解腔镜位 置的偏移量，因此调腔的速度更快，腔镜驱动机构仅作一次调节即可使非稳腔的位置达 到设计值。
3) 、腔镜上无需特别加工的小孔，保证了腔镜的完整性，激光器的输出光束质量和 能量提取效率得到提高。
4) 、自准直反馈光路的反馈光与激光器实际输出光束的相位分布具有一致性，因此 自准直光路产生的反馈光束可用于激光系统中激光器后继光学串的精密调节、激光器输 出光束传输方向精确指示和聚焦位置精确指示。
图1为现有非稳腔的调腔方法原理图； 图2为本发明的非稳腔调腔系统的结构原理图； 图3为本发明的调腔方法原理图； 图4为实施例1的结构原理示意图； 图4 (a)为实施例l调腔前的反馈光束干涉图； 图4 (b)为实施例1调腔后的反馈光束干涉图； 图5为实施例2的结构原理示意图； 图6为实施例3的结构原理示意图； 图7为实施例4的结构原理示意图。
具体实施例方式
如图2、 3所示，本发明的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统，包括像差探 测系统l、非稳腔腔镜、反馈镜5、数据分析系统6、腔镜控制系统7和激光器基座9， 非稳腔腔镜包括第二腔镜4、输出耦合镜2和第一腔镜3，输出耦合镜2置于第二腔镜4 和第一腔镜3之间并靠近第二腔镜4，反馈镜5置于输出耦合镜2和第一腔镜3之间并靠 近第一腔镜3。输出耦合镜2为中心开设有椭圆形孔(也可为矩形孔)的平面反射镜，椭 圆孔长轴(或矩形孔长边)与激光器基座9安装基面平行，输出耦合镜2的中心与非稳 腔光轴ll重合，输出耦合镜2的镜面与非稳腔光轴11呈45度夹角；反馈镜5为一圆形 (或正方形)平面镜，其直径(或边长)是第一腔镜3的有效口径的1/M (M为非稳腔的 几何放大率)，镜面中心与非稳腔光轴ll重合，镜面与非稳腔光轴ll垂直；输出耦合镜 2和反馈镜5之间设有激光器的增益模块8,非稳腔光轴11位于增益模块8的中心位置， 第二腔镜4、输出耦合镜2、第一腔镜3和反馈镜5均装设于电控调节镜座13上(图3 图7中，电控调节镜座均用黑色小方框简化表示)，像差探测系统1的光轴12通过输出 耦合镜2的中心，与非稳腔光轴ll垂直，数据分析系统6分别与像差探测系统1和腔镜 控制系统7通过数据线连接，腔镜控制系统7又分别与各电控调节镜座13通过数据线连 接(图3 图7中，为简化，腔镜控制系统7、计算机14与电控调节镜座13之间的数据 线未示出)，各电控调节镜座13均装于激光器基座9上，电控调节镜座13的驱动方式是 具有精密、稳定、可控位移特性的各种驱动方式，可为音圈驱动、压电陶瓷驱动或精密 螺纹驱动。像差探测系统1由具有发射信号光和接收反馈光束进行像差分析功能的仪器 构成，如带有探测光源的各种干涉仪，或哈特曼波前传感器，或由He-Ne激光、平行光 管、分光镜和不带测量光源的干涉仪组合而成。
使用该系统进行非稳腔自动调节的方法和步骤如下
1) 、首先确定非稳腔的光轴将一He-Ne激光器18，置于激光器基座9外且与第一 腔镜3反射面相对的一侧，使He-Ne激光器18发出的细光束与增益模块8的中心线重合， 以这一细光束作为非稳腔光轴11位置的指示。
2) 、按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置首先进行第一腔镜3 的安装，调节第一腔镜3使入射到第一腔镜3上的细光束沿原路返回；安装反馈镜5 ， 调节反馈镜5使入射到反馈镜5上的细光束沿原路返回。反馈镜5和第一腔镜3的位置 调好后，在以后的自动调节过程中第一腔镜3和反馈镜5位置固定，这样可以保证非稳 腔光轴11在以后的自动调节过程中不再发生变化。本步骤完成后，关闭He-Ne激光器18。
3) 、按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置进行像差探测系统1、
输出耦合镜2、第二腔镜4的初步安装调节。使像差探测系统1发出一束平行光作为信号 光束，调节输出耦合镜2的倾角和俯仰角，使信号光束经输出耦合镜2反射后通过增益 模块8,且信号光束的中心与增益模块8中心近似重合。初步调节第二腔镜4，使像差探 测系统1发射出的作为信号光束的平行光先后经过输出耦合镜2、第一腔镜3、第二腔镜 4、反馈镜5、第二腔镜4、第一腔镜3和输出耦合镜2反射，形成携带非稳腔腔镜位置 偏差信息的、具有一定像差的自准直反馈光束。
4) 、经过单次往返后输出的反馈光束返回像差探测系统1，像差探测系统1测量出反 馈光束的各阶像差信息，传输给数据分析系统6，由数据分析系统6根据像差和腔镜位置 偏移量的函数关系定量求解出输出耦合镜2和第二腔镜4的位置偏差信息。
5) 、根据位置偏差信息，数据分析系统6将求解出的位置偏差数据传输给腔镜控制 系统7，由腔镜控制系统7输出驱动信号到输出耦合镜2和第二腔镜4的电控调节镜座 13，对腔镜的倾斜和偏移等位置偏差进行纠正，电控调节镜座13的驱动机构仅作一次调 节即可使非稳腔内各个腔镜位置达到设计值。
调腔完毕，取下反馈镜5后，激光器开始运行。
需要特别指出的是，本发明中，非稳腔调节完毕后，自准直光路产生的具有平面波 前分布的反馈光束可以同时用于激光系统中激光器后继光学串的精密调节、激光器输出 光束传输方向指示和聚焦位置指示。因为釆用本发明给出的方法可以保证自准直反馈光 路的反馈光与激光器的实际输出光束的相位分布具有一致性。 实施例l
如图4所示，为本发明用于正支共焦非稳腔的实施例，如该图所示，本发明使用自 准直反馈光路的激光正支共焦非稳腔自动调腔系统，其像差探测系统为激光平面干涉仪 101，输出的信号光是一束平行光，波长为632.8nm。数据分析系统6和腔镜控制系统7 由一台计算机14实现，即本系统包括激光平面干涉仪101、非稳腔腔镜、反馈镜5、计 算机14和激光器基座9。非稳腔腔镜包括第二腔镜4、输出耦合镜2和第一腔镜3，第一 腔镜3为一凹面镜，第二腔镜4为一凸面镜，输出耦合镜2置于第二腔镜4和第一腔镜3 之间并靠近第二腔镜4，反馈镜5置于输出耦合镜2和第一腔镜3之间并靠近第一腔镜3。 输出耦合镜2为中心开设有椭圆形孔的平面反射镜，椭圆孔长轴与激光器基座9安装基 面平行，输出耦合镜2的中心与非稳腔光轴11重合，输出耦合镜2的镜面与非稳腔光轴 11呈45度夹角；反馈镜5为圆形平面反射镜，反馈镜5的镜面中心与非稳腔光轴11重 合，其直径是第一腔镜3的有效口径的1/M (M为非稳腔的几何放大率)，其镜面与非稳
腔光轴ll垂直；输出耦合镜2和反馈镜5之间设有激光器的增益模块8，非稳腔光轴ll 位于增益模块8的中心位置，第二腔镜4、输出耦合镜2、第一腔镜3和反馈镜5均装设 于电控调节镜座13上，激光平面干涉仪101的光轴12通过输出耦合镜2的中心，与非 稳腔光轴11垂直，计算机14与激光平面干涉仪101之间通过数据线连接，计算机14分 别与各电控调节镜座13通过数据线连接。
使用该系统进行非稳腔自动调节的方法和步骤为
将一 He-Ne激光器18置于激光器基座9外且与第一腔镜3反射面相对的一侧，使 He-Ne激光器发出的细光束与增益模块8的中心线重合，以这一细光束作为非稳腔光轴 ll位置的指示。
按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置首先进行第一腔镜3的安 装，调节第一腔镜3使入射到第一腔镜3上的细光束沿原路返回；安装反馈镜5，调节 反馈镜5使入射到反馈镜5上的细光束沿原路返回。反馈镜5和第一腔镜3的位置调好 后，在以后的自动调节过程中第一腔镜3和反馈镜5位置固定，这样可以保证非稳腔光 轴ll在以后的自动调节过程中不再发生变化。本步骤完成后，关闭He-Ne激光器18。
按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置进行激光平面干涉仪101、 输出耦合镜2、第二腔镜4的初步安装调节。使激光平面干涉仪101输出的平行光入射到 非稳腔输出耦合镜2上，调节输出耦合镜2，使信号光束经输出耦合镜2反射后通过增益 模块8，且信号光束的中心与增益模块8中心近似重合。
初步调节第二腔镜4，使激光平面干涉仪101发出的信号光束先后经过输出耦合镜 2、第一腔镜3、第二腔镜4、反馈镜5、第二腔镜4、第一腔镜3至输出耦合镜2反射 后形成反馈光束。
反馈光束返回激光干涉仪101形成干涉条纹，计算机14采集干涉条纹图样，通过干 涉图样分析可以得到反馈光束的各阶Zernike像差系数。由于第一腔镜3和反馈镜5的 位置已经固定，则反馈光束的像差只与构成反馈系统的输出耦合镜2、第二腔镜4的位置 偏差有关，反馈光束的像差是各个镜面位置偏差的函数。设反馈光束的各阶Zernike像 差系数以Fi表示，i=l, 2， 3…m表示最高阶像差为m阶；第二腔镜4的位置偏差有5个 自由度，用变量Xi， i-l，2,3，4，5表示，这五个变量分别对应第二腔镜4的镜面绕x轴旋 转Tx，绕y轴旋转Ty，沿x轴平移D,，沿y轴平移D,，沿z轴平移Dz (本实施例中xyz 坐标系为右手坐标系，其中z轴与非稳腔光轴ll重合，其正方向为第二腔镜4指向第一 腔镜3， y轴与像差探测系统l即激光干涉仪101的光轴12重合，其正方向与激光干涉
仪101的出光方向相反，其它实施例的坐标系与上述定义相同)，因为输出耦合镜2为平
面镜，其沿x、 y、 Z轴的在安装精度范围内的平移不会影响反馈光束的像差，因此输出
耦合镜2的位置偏差只取两个自由度x6、 x7，分别对应输出耦合镜2的镜面绕x轴的旋转 乙，绕y轴旋转Tsy。因此，本实施例中镜面位置偏差矩阵^J包含7个矩阵元 4i^[XiX2 x3 x4 x5 x6 x7]
Fi与镜面位置偏差的关系可以用A AX =F表示，其中F=[Fi, i^，2，3…m]为通过 激光干涉仪101探测得到的各阶像差系数矩阵；本实施实例中像差阶数m取9即可。即<formula>formula see original document page 11</formula>A为自准直反馈系统的灵敏度矩阵，定义为
根据以上定义，自准直反馈系统的灵敏度矩阵A可以使用Zemax光学设计软件计算 得到。具体做法是使用Zemax光学设计软件按照前述自准直反馈光路的结构关系建立光 学系统模型，然后使该光学系统模型的第二腔镜4和输出耦合镜2的位置偏差变量Xi改 变一个微小量Sxi，那么自准直反馈光路中反馈光束的各个像差系数就相应发生变化， 像差系数的变化量《iM吏用Zemax光学设计软件可以自动求出，则像差系数对该自变量
-个元素即可求出。
的差商为^《即灵敏度矩阵的每-
;c，
为待求解的第二腔镜4和输出耦合镜2的位置偏差矩阵。
求解矩阵<formula>formula see original document page 12</formula>
通过使用广义逆法迭代求解方程组力dJ^尸就可以得到自准直反馈系统中第二腔镜
4和输出耦合镜2的位置偏差JJ,这里需要说明的是，本系统构成的方程组力^J-,是 超定方程组，JZ没有精确解，得到的是位置偏差的最小二乘解，这在实际工程应用中是 很常见的现象，所得的解也是能够指导实际应用的。计算机14根据解得的腔镜位置偏差， 给出相应的驱动信号，通过RS232串行数据接口将控制信号传递给电控调节镜座13，电 控调节镜座13执行精密调节动作使腔镜位置达到设计位置。
本实施实例中，如果取第一腔镜3的曲率半径为5m，其有效口径为50mm,第二腔镜4 的曲率半径为-3m，则腔长l^lm，非稳腔的几何放大率M4.67。输出耦合镜2椭圆孔长 轴半径为21. 3腿，短轴半径为15mm，反馈镜5直径为30mm。使用Zemax光学设计软件得 到该系统的系统敏感矩阵为
<formula>formula see original document page 12</formula>系统如前步骤完成初步安装调试后，反馈光束存在较大的像差，反馈进入激光平面
干涉仪101形成干涉条纹如图4(a)所示，计算机14使用激光平面干涉仪101提供的干涉
条纹分析软件获得反馈光束的Zernike像差系数
<formula>formula see original document page 12</formula>
此时反馈光束的斯特列尔比为0. 329048。使用广义逆法迭代求解方程组力47=尸得 到此时第一腔镜4和输出耦合镜2的位置偏差矩阵为
1.53E-02 (度) 2.39E-03 (度) -1.73E-Ol(mm) 」％= 9. 09E-02 (mm) 5.00E+00 (mm) -3. 00E-03(度) -2. 00E-03(度)
计算机14根据求解得到的镜面倾斜角度和偏移量控制电控调节座13作相反方向的 调节，调节完毕后激光平面干涉仪101探测得到反馈光束的干涉图样如图4 (b)所示， 使用激光平面干涉仪101自带的干涉条纹分析软件可以得知，此时反馈光束的斯特列尔 比已经达到0.99997，这表明反馈光束像差接近0，各个镜面的位置已经达到设计值。
本实施实例中的关键器材如激光平面干涉仪101，电控调节镜座13均为工业化成品， 可直接使用；Zemax光学设计软件为国际光学设计领域广泛使用的标准光学设计软件，界 面友好，使用方便。像差系数可以通过激光平面干涉仪携带的干涉条纹分析软件获取， 系统灵敏度矩阵可以使用Zemax光学设计软件计算得到。像差系数、位置偏差和系统灵 敏度矩阵构成的方程组的求解使用数值计算中普通的求解方法即可。整个系统实用性强。
实施例2
如图5所示，为本发明用于正支共焦非稳腔的另一实施例。如该图所示，本发明使 用自准直反馈光路的激光正支共焦非稳腔自动调腔系统，其非稳腔腔镜结构与实施例1 相同，与实施例1不同之处在于像差探测系统，该像差探测系统1为由He-Ne激光器102、 平行光管103、分光镜104和哈特曼波前传感器(或剪切干涉仪)105组合而成。He-Ne 激光器102、平行光管103的光轴12与非稳腔光轴11垂直，分光镜104介于平行光管 103与输出耦合镜2之间，且与非稳腔光轴11呈45度角，哈特曼波前传感器105置于分 光镜反射光路中且靠近分光镜104，其光轴15与非稳腔光轴11平行，哈特曼波前传感器 105通过数据线与计算机14连接，计算机14分别与各电控调节镜座13通过数据线连接。
使用该系统进行非稳腔自动调节的方法和步骤为
将一 He-Ne激光器18置于激光器基座9外且与第一腔镜3反射面相对的一侧，使 He-Ne激光器18发出的细光束与增益模块8的中心线重合，以这一细光束作为非稳腔光
轴ll位置的指示。
按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置首先进行第一腔镜3的安 装，调节第一腔镜3使入射到第一腔镜3上的细光束沿原路返回；安装反馈镜5，调节 反馈镜5使入射到反馈镜5上的细光束沿原路返回。反馈镜5和第一腔镜3的位置调好 后，在以后的自动调节过程中第一腔镜3和反馈镜5位置固定，这样可以保证非稳腔光 轴ll在以后的自动调节过程中不再发生变化。本步骤完成后，关闭He-Ne激光器18。
按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置进行He-Ne激光器102、平 行光管103、分光镜104、输出耦合镜2、第二腔镜4的初步安装调节。He-Ne激光102 发出的光，通过平行光管103成为平行光，平行光透过分光镜104入射到非稳腔输出耦 合镜2上，调节非稳腔输出耦合镜2，使信号光束经输出耦合镜2反射后通过增益模块8， 且信号光束的中心与增益模块8中心近似重合。
初步调节非稳腔第二腔镜4 ，使平行光管103发射出的信号光束经分光镜104透射， 先后经过输出耦合镜2、第一腔镜3、第二腔镜4、反馈镜5 、第二腔镜4、第一腔镜3、 输出耦合镜2反射后，又一次到达分光镜104，经分光镜104反射后进入哈特曼波前传感 器105中，由波前传感器105探测得到反馈光束的像差信息。
由于第一腔镜3和反馈镜5的位置已经固定，则反馈光束的像差只与构成反馈系统 的输出耦合镜2、第二腔镜4的位置偏差有关，反馈光束的像差是各个镜面位置偏差的函 数。设反馈光束的各阶Zernike像差系数以Fi表示，i=l， 2, 3…m表示最高阶像差为m 阶，本实施实例中m取9即可，则像差系数矩阵F:[Fi， i^,2，3…9];与实施例一相 同，镜面位置偏差矩阵包含7个矩阵元J J=[A A & a ;r5 & ;r7]。
同实施例1的求解过程相同，计算机14通过哈特曼波前传感器105获得像差系数矩 阵F，使用Zemax光学设计软件得到系统灵敏度矩阵A，使用广义逆法迭代求解方程A A X =F即可得到第二腔镜4和输出耦合镜2的位置偏差矩阵4丄计算机14根据解得的腔镜 位置偏差，给出相应的驱动信号，通过RS232串行数据接口将控制信号传递给电控调节 镜座13，电控调节镜座13执行精密调节动作使各腔镜达到设计位置。
实施例3
如图6所示，为本发明用于负支共焦非稳腔的实施例。如该图所示，本发明使用自 准直反馈光路的激光负支共焦非稳腔自动调腔系统，其像差探测系统为激光平面干涉仪 101，输出的信号光是一束平行光，波长为632.8mn。数据分析系统6和腔镜控制系统7
由一台计算机14实现，即本系统包括激光平面干涉仪101、非稳腔腔镜、反馈镜5、计 算机14和和激光器基座9。非稳腔腔镜包括第二腔镜4、输出耦合镜2和第一腔镜3，第 一腔镜3和第二腔镜4均为凹面镜，输出耦合镜2置于第二腔镜4和第一腔镜3之间并 靠近第二腔镜4，反馈镜5置于输出耦合镜2和第一腔镜3之间并靠近第一腔镜3;输出 耦合镜2为中心开设有椭圆形孔的平面反射镜，椭圆孔长轴与激光器基座9安装基面平 行，输出耦合镜2的中心与非稳腔光轴11重合，输出耦合镜2的镜面与非稳腔光轴11 呈45度夹角；反馈镜5为一圆形平面镜，其直径是第一腔镜3有效口径的1/M (M为非 稳腔的几何放大率)，镜面中心与非稳腔光轴ll重合，镜面与非稳腔光轴11垂直；输出 耦合镜2和反馈镜5之间设有激光器的增益模块8，非稳腔光轴11位于增益模块8的中 心位置，第二腔镜4、输出耦合镜2、第一腔镜3和反馈镜5均装设于电控调节镜座13 上，激光平面干涉仪101的光轴12通过输出耦合镜2的中心，与非稳腔光轴11垂直， 激光平面干涉仪101与计算机14通过数据线连接，计算机14分别与各电控调节镜座13 通过数据线连接。
使用该系统进行非稳腔自动调节的方法和步骤为-
将一 He-Ne激光器18置于激光器基座9外且与第一腔镜3反射面相对的一侧，使 He-Ne激光器18发出的细光束与增益模块8的中心线重合，以这一细光束作为非稳腔光 轴ll位置的指示。
按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置首先进行第一腔镜3的安 装，调节第一腔镜3使入射到第一腔镜3上的细光束沿原路返回；安装反馈镜5 ,调节 反馈镜5使入射到反馈镜5上的细光束沿原路返回。反馈镜5和第一腔镜3的位置调好 后，在以后的自动调节过程中第一腔镜3和反馈镜5位置固定，这样可以保证非稳腔光 轴ll在以后的自动调节过程中不再发生变化。本步骤完成后，关闭He-Ne激光器18。
按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置进行激光平面干涉仪101、 输出耦合镜2、第二腔镜4的初步安装调节。使激光平面干涉仪101输出的平行光入射到 非稳腔输出耦合镜2上，调节输出耦合镜2，使信号光束经输出耦合镜2反射后通过增益 模块8，且信号光束的中心与增益模块8中心近似重合。
初步调节第二腔镜4，使激光平面干涉仪101发出的信号光束先后经过输出耦合镜2、 第一腔镜3、第二腔镜4 、反馈镜5 、第二腔镜4 、第一腔镜3至输出耦合镜2反射后形 成反馈光束。
由于第一腔镜3和反馈镜5的位置已经固定，则反馈光束的像差只与构成反馈系统
的输出耦合镜2、第二腔镜4的位置偏差有关，反馈光束的像差是各个镜面位置偏差的函 数。设反馈光束的各阶Zernike像差系数以Fi表示，i=l, 2, 3…m表示最高阶像差为m阶， 本实施实例中m取9即可，则像差系数矩阵F^[Fi,i^,2，3…9];与实施例一相同， 镜面位置偏差矩阵包含7个矩阵元J & & a x5 x6 ,7]。
同实施例1的求解过程相同，计算机14根据激光平面干涉仪101探测的反馈光束干 涉条纹获得像差系数矩阵F，使用Zemax光学设计软件得到系统灵敏度矩阵A，使用广义 逆法迭代求解方程A AX =F即可得到第二腔镜4和输出耦合镜2的位置偏差矩阵计 算机14根据解得的腔镜位置偏差，给出相应的驱动信号，通过RS232串行数据接口将控 制信号传递给电控调节镜座13，电控调节镜座13执行精密调节动作使各腔镜达到设计位 置。
实施例4
图7所示，为本发明的自动调腔系统用于正支共焦非稳腔的调节同时用于激光器后 继光学串和焦点位置指示。本实施例的非稳腔镜结构与实施例1相同，与实施例1不同 的是在激光平面干涉仪101与输出耦合镜2之间还设有分光镜17，该分光镜17是一片经 特殊镀膜处理的平面镜，对632.8nm附近波段为半透半反，对激光器运行波段为高反射。 分光镜17置于激光平面干涉仪101和输出耦合镜2之间并与输出耦合镜2呈90度角， 后继光学串106置于分光镜17的反射光路中，聚焦镜107置于后继光学串106之后，后 继光学串106的光轴与聚焦镜107共光轴，且他们的光轴16与非稳腔光轴11平行。
使用该系统进行非稳腔自动调节的方法和步骤为
将一 He-Ne激光器18置于激光器基座9外且与第一腔镜3反射面相对的一侧，使 He-Ne激光器18发出的细光束与增益模块8的中心线重合，以这一细光束作为非稳腔光 轴ll位置的指示。
按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置首先进行第一腔镜3的安 装，调节第一腔镜3使入射到第一腔镜3上的细光束沿原路返回；安装反馈镜5，调节 反馈镜5使入射到反馈镜5上的细光束沿原路返回。反馈镜5和第一腔镜3的位置调好 后，在以后的自动调节过程中第一腔镜3和反馈镜5位置固定，这样可以保证非稳腔光 轴ll在以后的自动调节过程中不再发生变化。本步骤完成后，关闭He-Ne激光器18。
按照前述各个系统的位置关系和非稳腔各腔镜的设计位置进行激光平面干涉仪101 、 分光镜17、输出耦合镜2、第二腔镜4的初步安装调节。使激光平面干涉仪101输出的
平行光经过分光镜17后入射到非稳腔输出耦合镜2上，调节输出耦合镜2，使信号光束 经输出耦合镜2反射后通过增益模块8，且信号光束的中心与增益模块8中心近似重合。 初步调节第二腔镜4，使激光平面干涉仪101发出的信号光束先后经过输出耦合镜 2、第一腔镜3、第二腔镜4、反馈镜5、第二腔镜4、第一腔镜3至输出耦合镜2反射 后形成反馈光束。
由于第一腔镜3和反馈镜5的位置已经固定，则反馈光束的像差只与构成反馈系统 的输出耦合镜2、第二腔镜4的位置偏差有关，反馈光束的像差是各个镜面位置偏差的函 数。设反馈光束的各阶Zernike像差系数以Fi表示，i=l, 2, 3…m表示最高阶像差为m 阶，本实施实例中m取9即可，则像差系数矩阵F^Fi， i-l，2，3…9];与实施例1相 同，镜面位置偏差矩阵包含7个矩阵元d J=|>, & & a & & a]。
同实施例1的求解过程相同，计算机14根据激光平面干涉仪101探测的反馈光束干 涉条纹获得像差系数矩阵F，使用Zemax光学设计软件得到系统灵敏度矩阵A，使用广义 逆法迭代求解方程A AX =F即可得到第二腔镜4和输出耦合镜2的位置偏差矩阵JZ。计 算机14根据解得的腔镜位置偏差，给出相应的驱动信号，通过RS232串行数据接口将控 制信号传递给电控调节镜座13，电控调节镜座13执行精密调节动作使各腔镜达到设计位 置。
如前所述，反馈光束到达分光镜17后，除了透过分光镜17返回激光平面干涉仪101 作为非稳腔调节的信号光之外，还有一路光经分光镜17部分反射后到达激光器的后继光 学串106和聚焦透镜107。当腔镜调节完毕后，这一路光的波前与激光器实际运行时输出 光束的波前是完全相同的，因此可以作为后继光学串光学元件精密调节的引导光以及作 为激光器输出光束传输方向指示和聚焦位置指示。
本发明公开的调腔系统及方法适用于一切具有输出耦合镜的非稳腔结构，例如正支 共焦非稳腔、负支共焦非稳腔、折叠共焦非稳腔和环形共焦非稳腔等。
权利要求
1、一种使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统，其特征在于它包括像差探测系统(1)， 非稳腔腔镜、反馈镜(5)、数据分析系统(6)、腔镜控制系统(7)和激光器基座(9)，所述非稳腔腔镜包括第二腔镜(4)、输出耦合镜(2)和第一腔镜(3)，输出耦合镜(2)置于第二腔镜(4)和第一腔镜(3)之间并靠近第二腔镜(4)，反馈镜(5)置于输出耦合镜(2)和第一腔镜(3)之间并靠近第一腔镜(3)，所述输出耦合镜(2)为中心开设有椭圆形孔或矩形孔的平面反射镜，椭圆孔长轴或矩形孔长边与激光器基座(9)安装基面平行，输出耦合镜(2)的中心与非稳腔光轴(11)重合，输出耦合镜(2)的镜面与非稳腔光轴(11)呈45度夹角；所述反馈镜(5)为平面反射镜，其镜面中心与非稳腔光轴(11)重合，镜面与非稳腔光轴(11)垂直；输出耦合镜(2)和反馈镜(5)之间设有激光器的增益模块(8)，非稳腔光轴(11)位于增益模块(8)的中心位置；第二腔镜(4)、输出耦合镜(2)、第一腔镜(3)和反馈镜(5)均装设于电控调节镜座(13)上，像差探测系统(1)的光轴(12)通过输出耦合镜(2)的中心，与非稳腔光轴(11)垂直，数据分析系统(6)分别与像差探测系统(1)和腔镜控制系统(7)通过数据线连接，腔镜控制系统(7)又分别与各电控调节镜座(13)通过数据线连接，各电控调节镜座(13)均装于激光器基座(9)上。
2、 根据权利要求l所述的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统，其特征在于 所述反馈镜(5)为圆形或正方形，其圆形的直径或方形的边长是第一腔镜(3)的有效 口径的1/M， M为非稳腔的几何放大率。
3、 根据权利要求2所述的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统，其特征在于 所述像差探测系统(1)由具有发射信号光和接收反馈光束进行像差分析功能的仪器构成， 包括带有探测光源的各种干涉仪，或哈特曼波前传感器，或由He-Ne激光器、平行光管、 分光镜和不带测量光源的干涉仪组合而成。
4、 根据权利要求2所述的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统，其特征在于 所述电控调节镜座(13)的驱动方式为音圈驱动、压电陶瓷驱动或精密螺纹驱动。
5、 根据权利要求1至4中任一所述的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统， 其特征在于所述非稳腔为正支共焦非稳腔，所述第一腔镜(3)为凹面镜，第二腔镜(4) 为凸面镜。
6、 根据权利要求1至4中任一所述的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统， 其特征在于所述非稳腔为负支共焦非稳腔，所述第一腔镜(3)和第二腔镜(4)均为凹 面镜。
7、 一种如权利要求1所述的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统的调腔方法， 其特征在于由像差探测系统、组成非稳腔腔镜的输出耦合镜、第一腔镜、第二腔镜及反 馈镜构成自准直反馈光路，由光轴通过输出耦合镜的中心且与非稳腔光轴垂直的像差探 测系统发射出一束平行光作为信号光束，先后经过输出耦合镜、第一腔镜、第二腔镜、 反馈镜、第二腔镜、第一腔镜和输出耦合镜反射后，成为携带了非稳腔腔镜位置偏差信 息的、具有一定像差的自准直反馈光束，反馈光束返回像差探测系统，由像差探测系统 给出该光束的各阶像差系数，由与像差探测系统相连的数据分析系统根据反馈光束的像 差和系统灵敏度矩阵计算出非稳腔腔镜内各个腔镜的倾斜或偏移量等位置偏差，与数据 分析系统相连的腔镜控制系统根据各个腔镜的倾斜或偏移量驱动非稳腔的各个腔镜作相 应的调节，从而使非稳腔内各个腔镜位置达到设计值。
8、 根据权利要求7所述的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统的调腔方法， 其特征在于其具体调控步骤如下1)、首先确定非稳腔的光轴，将一He-Ne激光器置于激光器基座外且与第一腔镜反 射面相对的一侧，使He-Ne激光器发出的细光束与增益模块的中心线重合，以这一细光 束作为非稳腔光轴位置的指示；2) 、沿光路将第一腔镜安装于增益模块之后，调节第一腔镜使入射到第一腔镜上的 细光束沿原路返回；于第一腔镜前并靠近第一腔镜安装反馈镜，调节反馈镜使入射到反 馈镜上的细光束沿原路返回，关闭He-Ne激光器；3) 、安装第二腔镜、输出耦合镜和像差探测系统，使输出耦合镜置于第二腔镜和第 一腔镜之间并靠近第二腔镜，像差探测系统的光轴通过输出耦合镜的中心，与非稳腔光 轴垂直，使像差探测系统发出一束平行光作为信号光束，调节输出耦合镜的倾角和俯仰 角，使信号光束经输出耦合镜反射后通过增益模块，且信号光束的中心与增益模块中心 近似重合，初步调节第二腔镜，使像差探测系统发射出的作为信号光束的平行光先后经 过输出耦合镜、第一腔镜、第二腔镜、反馈镜、第二腔镜、第一腔镜和输出耦合镜反射， 形成携带非稳腔腔镜位置偏差信息的、具有一定像差的自准直反馈光束；4) 、经过单次往返后输出的反馈光束返回像差探测系统，像差探测系统测量出反馈 光束的各阶像差信息，传输给数据分析系统，由数据分析系统根据像差和腔镜位置偏移 量的函数关系定量求解出输出耦合镜和第二腔镜的位置偏差信息； 5)、根据位置偏差信息，数据分析系统将求解出的位置偏差数据传输给腔镜控制系 统，由腔镜控制系统输出驱动信号到输出耦合镜和第二腔镜的电控调节镜座，对腔镜的 倾斜和偏移等位置偏差进行纠正，电控调节镜座的驱动机构仅作一次调节即可使非稳腔 内各个腔镜位置达到设计值。
9、 一种如权利要求l所述的使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统的应用，其特征在于像差探测系统、非稳腔的输出耦合镜、第一腔镜、第二腔镜和反馈镜构成的自 准直反馈光路产生的具有平面波前分布的反馈光束用于激光系统中激光器后继光学串的 精密调节、激光器输出光束传输方向指示和聚焦位置指示。
全文摘要
本发明公开了一种使用自准直反馈光路的非稳腔自动调腔系统及调节方法，旨在使用像差探测系统、非稳腔和反馈镜构建用于非稳腔自动调节的自准直系统，通过像差探测系统获得反馈光束的像差，根据Zernike像差系数和系统灵敏度矩阵求解腔镜的位置偏差，进而根据位置偏差给出驱动信号，纠正腔镜的位置偏差。本发明的显著优点在于(1)可以探测到调腔信号光的高阶像差，从而使非稳腔调节更加准确，调腔精度高。(2)可以通过像差直接计算腔镜位置偏差，执行很少的调腔动作即可使非稳腔调节到位，调腔更加快速。
文档编号H01S3/086GK101098065SQ20071003529
公开日2008年1月2日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者刘文广, 刘泽金, 华卫红, 张文静, 李文煜, 袁圣付 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学