用于控制激光束的波前的激光系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及用于控制激光束的波前的激光系统和相关的方法，并且更具体地，涉及用于引入用于控制初级激光束的波前的次级激光束的激光系统和相关的方法。
【背景技术】
[0002]激光系统优先地生成预定形状的波前，使得得到的激光束具有期望的波束质量。在一些情况下，光学像差可通过包含由激光介质、激光放大器或其他光学部件引入的光学像差的激光系统的光学元件而被引入到波前中。光学像差可以通过光学元件的结构和材料组分和/或通过光学元件中的产生光路差异的热梯度而被引入。例如，光学元件可能被均匀地加热，但通过激光器加热可具有与其他部分相比被加热的更热的一些部分，从而产生热梯度。由于光学元件上的热梯度，光学元件将会将由于与热梯度相关的光路差异而导致的光学像差引入激光束中。光学像差进而将通过引入波前误差并且降低通过激光系统产生的波束质量来降低激光系统的效率和效力。
[0003]为了努力取消或抵消光学像差，已经开发了各种复杂的光学系统。例如，已经结合激光系统采用热传递和/或冷却系统来努力降低热梯度并且相应地降低得到的光学像差。例如，可以径向冷却径向对称的增益杆从而努力降低热梯度。此外，利用固定的校正器板或复杂的自适应光学系统从而努力取消由热梯度引进的光学像差。虽然上述技术可以降低光学梯度，但是得到的激光系统是更复杂的并且因此总体上更昂贵。
[0004]可经历热梯度的一类光学元件是光热折射(PTR)玻璃光学元件。例如，可以利用PTR玻璃光学元件在激光系统中结合光谱波束。通过PTR光学元件传播的激光束通常增加PTR光学元件的温度。当PTR玻璃光学元件的温度增加时，PTR玻璃光学元件的折射率改变，这进而改变由PTR玻璃光学元件输出的光的波长。例如，PTR光学元件可以操作为光栅(grating)，使得PTR光学元件的增加的温度改变PTR光学元件的折射率，这进而改变由光栅发射的光的波长，这会不利地影响光栅的效率。
[0005]在致力于降低PTR光学元件经历的温度增加的过程中，可以利用热控制系统从其外部边缘加热或冷却PTR光学元件。这种技术可遍及PTR光学元件的体积引入温度梯度，其进而可引起PTR光学元件的不同部分与PTR光学元件的其他部分相比基于热梯度而不同地执行，从而也不利地影响PTR光学元件的总效率。此外，在努力控制PTR光学元件的温度中利用的热系统可能是相对庞大的，并且因此可能不能用于小激光腔体中。例如，为了热稳定的目的结合PTR光学元件利用的热系统可以包括需要容纳相对大的热电冷却器(TEC)、需要冷却水的相对大的冷却板和用于供电的对应电线的安装。在包含热控制系统的激光系统必须放置在真空室中的激光系统的某些应用中，支撑热系统的安装的基础设施可能具有一定的挑战性。
【发明内容】
[0006]根据用于控制初级激光束的波前的示例性实施方式提供了激光系统和相关的方法。在这方面，示例性实施方式的激光系统和方法可以选择性地使得激光介质或另一光学元件的部分热收缩或热膨胀以相应地改变初级激光束的波前。例如，激光介质或另一光学元件可以被选择性地热收缩或热膨胀以抵消由激光系统另外引入的光学像差，使得得到的初级激光束的波前具有期望的形状和波束质量。在示例性实施方式中，PTR玻璃光学元件可以包括对次级激光束做出响应的掺杂剂，从而使得可以利用PTR玻璃光学元件对次级激光束的曝光从而修改掺杂的PTR玻璃光学元件的温度，从而改善包含PTR玻璃光学元件的激光系统的性能。
[0007]在示例性实施方式中，提供了一种激光系统，包括被配置为产生初级激光束的激光介质和被配置为接收初级激光束的至少一个光学元件。激光系统也包括被配置为产生次级激光束的次级激光源。激光系统进一步包括空间光调制器，被配置为接收次级激光束并且空间调制次级激光束来产生具有空间强度模式的空间调制的次级激光束。该示例性实施方式的激光系统被配置为使得空间调制的次级激光束入射在激光介质或至少一个光学元件中的至少一个上，从而引起空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质或至少一个光学元件的相应部分热收缩或热膨胀。因此，可控地改变初级激光束的波前。
[0008]次级激光束可具有与初级激光束不同的波长。空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质或至少一个光学元件中的至少一个可以包括响应于次级激光束的波长而被激励的至少一种掺杂剂。示例性实施方式的激光系统也可以包括:波前传感器，被配置为测量初级激光束的波前；和控制器，被配置为基于如通过波前传感器测量的初级激光束的波前来控制通过空间光调制器提供的次级激光束的空间调制。示例性实施方式的波前传感器被配置为随着时间的推移重复地测量初级激光束的波前。在这个实施方式中，控制器进一步被配置为修改空间光调制器从而修改次级激光束的空间强度模式，使得次级激光束基于在通过波前传感器随着时间的推移所测量的初级激光束的波前的变化来可控制地调节光学元件的体积中的热能从而控制光学元件中的热膨胀和热收缩，从而最小化在初级激光束的波前中的像差或光路差异。空间调制的次级激光束可以与初级激光束共同传播。
[0009]在另一个示例性实施方式中，提供了一种控制初级激光束的波前的方法，包括利用激光介质生成初级激光束。这个示例性实施方式的方法将初级激光束引导至至少一个光学元件。这个示例性实施方式的方法还生成次级激光束并且空间调制次级激光束来产生具有空间强度模式的空间调制的次级激光束。在这个示例性实施方式中，该方法还将空间调制的次级激光束引导至入射在激光介质或至少一个光学元件中的至少一个上，从而引起空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质或至少一个光学元件中的至少一个的相应部分热收缩或热膨胀。因此，可控地改变初级激光束的波前。
[0010]示例性实施方式的方法生成次级激光束从而具有与初级激光束不同的波长。在这个示例性实施方式中，空间调制的次级激光束入射在其上的激光介质或至少一个光学元件中的至少一个包括响应于次级激光束的波长而被激励的至少一种掺杂剂。示例性实施方式的方法还包括测量初级激光束的波前并且基于已经测量的初级激光束的波前来控制次级激光束的空间调制。这个示例性实施方式的方法还可以包括随着时间的推移重复地测量初级激光束的波前；以及修改次级激光束的空间强度模式，使得次级激光束基于在随着时间的推移所测量的初级激光束的波前的变化来可控制地调节光学元件的体积中的热能从而控制在光学元件中的热膨胀和热收缩，从而最小化初级激光束的波前中的像差或光路差异。在示例性实施方式中，空间调制的次级激光束与初级激光束共同传播。
[0011]在又一个示例性实施方式中，提供了一种激光系统，包括被配置为产生初级激光束的激光介质和被配置为接收初级激光束的掺杂的光热折射(PTR)玻璃光学元件。这个示例性实施方式的激光系统还包括次级激光源，被配置为产生与初级激光束不同的波长的次级激光束。配置激光系统使得次级激光束入射在掺杂的PTR玻璃光学元件上从而修改掺杂的PTR玻璃光学元件的温度。
[0012]掺杂的PTR玻璃光学元件包括通过次级激光束激励的包含但不限于钕(Nd)、铥(Tm)或镱(Yb)的一种或多种掺杂剂。示例性实施方式的掺杂剂均匀地遍及掺杂的PTR玻璃光学元件。在示例性实施方式中，相对于初级激光束的波长掺杂剂优先吸收次级激光束的波长的光。激光介质可以包括多个激光源，并且掺杂的PTR玻璃光学元件可以被配置为结合通过多个激光源生成的初级激光束。掺杂的PTR玻璃光学元件可以用作光栅。示例性实施方式的PTR玻璃光学元件包括反射涂层，被配置为相对于初级激光束的波长的光优先反射次级激光束的波长的光
【附图说明】
[0013]已经概括地描述了本公开内容的多个方面，现在将参考附图，这些附图并不一定按比例绘制，并且其中:
[0014]图1是根据本公开的示例性实施方式的激光系统的框图，激光系统包括空间光调制器来产生空间调制的次级激光束以提供光学元件的选择性的热收缩或热膨胀从而改变初级激光束的波前；
[0015]图2是根据本公开的示例性实施方式的诸如通过图1的激光系统执行的操作的流程图；
[0016]图3是根据本公开的示例性实施方式的