本發(fā)明屬于激光設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種超多程放大系統(tǒng)激光光束質(zhì)量控制方法。

背景技術(shù)：

多程放大技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于激光脈沖的能量放大，大大簡(jiǎn)化了放大光路的結(jié)構(gòu)。但是，光路中光學(xué)元件和熱泵浦的激光放大介質(zhì)會(huì)帶來(lái)波前畸變，嚴(yán)重影響了光學(xué)脈沖放大過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)，以及脈沖放大后的光束質(zhì)量。

為了克服光學(xué)畸變的負(fù)面影響，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)被應(yīng)用到放大技術(shù)中(Adaptive optics-a progress review,《Proc.SPIE》,Vol.1542,1991,2-17)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，都是通過(guò)變形鏡校正了放大過(guò)程中激光脈沖的波前畸變，保證了脈沖在放大過(guò)程中的有效穿孔，實(shí)現(xiàn)了脈沖的能量增益。這些放大技術(shù)一般采用雙程或者四程放大，放大過(guò)程積累的像差比較小，控制方法比較簡(jiǎn)單(Alignment and wave front control system ofnational ignition facility，《Optics Engineering》,Vol.43,2004,2873-2884)。為了提高放大器的增益倍數(shù)，超多程放大技術(shù)被采用(Design and optimization of an adaptive optics system for a high-average-power multi-slab laser,《Applied Optics》,Vol.53,2014,3255-3261)，由于該技術(shù)中放大脈沖的像差積累效應(yīng)比較嚴(yán)重，采用目前的光束質(zhì)量控制方法進(jìn)行像差校正后，光束質(zhì)量并沒(méi)有得到顯著提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，為了解決上述問(wèn)題，現(xiàn)提出一種采用分步方式進(jìn)行像差校正，能夠有效避免多程放大像差積累問(wèn)題，取得最優(yōu)化的波前校正效果，適用于超多程放大系統(tǒng)激光光束質(zhì)量控制。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種超多程放大系統(tǒng)激光光束質(zhì)量控制方法，包括以下步驟：

S₁：測(cè)量放大腔內(nèi)部像差，并對(duì)所述內(nèi)部像差進(jìn)行校正；

S₂：測(cè)量全光路像差，并對(duì)所述全光路像差進(jìn)行校正。

進(jìn)一步，所述放大腔的外部設(shè)置波前探測(cè)器，對(duì)放大腔內(nèi)部像差、全光路像差進(jìn)行測(cè)量，所述放大腔的內(nèi)部設(shè)置波前校正器，對(duì)放大腔內(nèi)部像差、全光路像差進(jìn)行校正。

進(jìn)一步，所述內(nèi)部像差采用分步方式進(jìn)行測(cè)量、校正，具體方法如下：

(1)通過(guò)波前探測(cè)器測(cè)量放大腔外部的光路像差，并記作W₁；

(2)控制放大系統(tǒng)為雙程放大狀態(tài)，測(cè)量雙程放大全光路像差，記作W₂，則W₂-W₁為雙程放大腔內(nèi)像差，利用波前校正器進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到雙程校正電壓U₂；

(3)控制放大系統(tǒng)為四程放大狀態(tài)，對(duì)波前校正器施加校正電壓U₂后，測(cè)量四程放大全光路像差，記作W₄，則W₄-W₁為四程放大腔內(nèi)像差殘差，利用波前校正器進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到四程校正電壓U₄；

(4)以此類推，直至放大系統(tǒng)為n程放大狀態(tài)時(shí)，對(duì)波前校正器施加校正電壓U_n-2后，測(cè)量n程放大全光路像差，記作W_n，其中，n為放大系統(tǒng)放大程數(shù)的最大值，n為偶數(shù)且n＞2，U_n-2為放大系統(tǒng)的放大程數(shù)為n-2時(shí)的校正電壓，則W_n-W₁為n程放大腔內(nèi)像差殘差，利用波前校正器進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到n程校正電壓U_n。

進(jìn)一步，所述全光路像差的校正方法為：

將標(biāo)定光直接注入波前探測(cè)器，得到測(cè)量光路像差W₀，控制放大系統(tǒng)為n程放大狀態(tài)，對(duì)波前校正器施加校正電壓U_n后，測(cè)量全光路像差，記作W，則W-W₀就是全光路像差殘差，利用波前校正器進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到全光路校正電壓U。

進(jìn)一步，所述放大腔外部的光路像差的測(cè)量方法為：

在所述放大腔的輸入位置設(shè)置平面標(biāo)準(zhǔn)鏡，激光經(jīng)所述平面標(biāo)準(zhǔn)鏡反射后注入波前探測(cè)器，標(biāo)定不包含放大腔的光路剩余部分像差，得到放大腔外部的光路像差W₁。

進(jìn)一步，所述放大系統(tǒng)放大程數(shù)的控制方法為：

沿著激光的傳輸方向，在所述放大腔的輸入位置依次設(shè)置分光片和電光開關(guān)，通過(guò)電光開關(guān)控制放大程數(shù)。

進(jìn)一步，測(cè)量W₁、W₂至W_n以及W時(shí)，先將所述平面標(biāo)準(zhǔn)鏡移除，利用電光開關(guān)控制放大系統(tǒng)的放大程數(shù)，通過(guò)波前探測(cè)器測(cè)量該放大程數(shù)下的全光路像差。

進(jìn)一步，所述放大腔的外部還設(shè)置控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)分別與波前探測(cè)器、波前校正器連接。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明采用分步方式進(jìn)行像差校正，與現(xiàn)有技術(shù)中一步校正式相比，能夠有效避免多程放大像差積累問(wèn)題，取得最優(yōu)化的波前校正效果，適用于超多程放大激光光束質(zhì)量控制。

2、本發(fā)明采用放大腔外測(cè)量像差、腔內(nèi)補(bǔ)償像差的方式，波前探測(cè)器既可以測(cè)量放大腔內(nèi)部像差，保證多程放大過(guò)程有效通光，避免空間濾波系統(tǒng)堵孔，又可以測(cè)量全光路像差，優(yōu)化全光路系統(tǒng)輸出光束質(zhì)量。

3、本發(fā)明通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡和電光開關(guān)的配合，實(shí)現(xiàn)激光光路和系統(tǒng)放大程數(shù)的變化，易于操作，成本低。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的超多程放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2、圖4分別是實(shí)施例一、二中放大腔外部的光路像差對(duì)應(yīng)的波前分布圖；

圖3(a)(b)、圖5(a)(b)分別是實(shí)施例一、二中雙程放大狀態(tài)時(shí)，光路像差校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖；

圖3(c)(d)、圖5(c)(d)分別是是實(shí)施例一、二中四程放大狀態(tài)時(shí)，光路像差校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖；

圖3(e)(f)、圖5(e)(f)分別是實(shí)施例一、二中六程放大狀態(tài)時(shí)，光路像差校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖；

圖3(g)(h)、圖5(g)(h)分別是實(shí)施例一、二中八程放大狀態(tài)時(shí)，光路像差校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖；

圖3(i)(j)是實(shí)施例一中十程放大狀態(tài)時(shí)，光路像差校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖；

圖3(k)(l)、圖5(i)(j)分別是實(shí)施例一、二中全光路像差校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖。

附圖中：1-激光、2-反射鏡一、3-放大腔外光路元件、4-標(biāo)準(zhǔn)平面鏡、5-分光片一、6-電光開關(guān)、7-激光放大介質(zhì)、8-空間濾波系統(tǒng)、9-波前校正器、10-反射鏡二、11-腔鏡、12-分光片二、13-波前探測(cè)器、14-控制系統(tǒng)、15-標(biāo)定光；

其中，圖2-圖5中，橫坐標(biāo)表示激光光束橫截面的橫向尺寸，單位是毫米，主縱坐標(biāo)軸表示激光光束橫截面的縱向尺寸，單位是毫米，次縱坐標(biāo)軸表示光路像差的幅度，單位是波長(zhǎng)。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，基于本申請(qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其它類同實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。

實(shí)施例一：

一種超多程放大系統(tǒng)激光光束質(zhì)量控制方法，包括以下步驟：

S₁：測(cè)量放大腔內(nèi)部像差，并對(duì)所述內(nèi)部像差進(jìn)行校正；

S₂：測(cè)量全光路像差，并對(duì)所述全光路像差進(jìn)行校正。

所述超多程放大系統(tǒng)如圖1所示，激光1的光束口徑為8×8mm，波長(zhǎng)為1053nm，脈沖寬度為3ns，p態(tài)偏振光，標(biāo)定光15的各項(xiàng)參數(shù)與激光1相同，反射鏡一2對(duì)激光1高反射率，標(biāo)準(zhǔn)平面鏡4的口徑為20×20mm，對(duì)1053nm激光1高反射率，分光片一5對(duì)p態(tài)偏振光高透過(guò)率，對(duì)s態(tài)偏振光高反射率，激光放大介質(zhì)7的尺寸為12×12×30mm，空間濾波系統(tǒng)8的擴(kuò)束比例為1：5，腔鏡11的口徑為20×20mm，其對(duì)1053nm激光高反射，分光片二12對(duì)p態(tài)偏振光高透過(guò)率、低反射率。

所述波前探測(cè)器13位于放大腔的外部，對(duì)放大腔內(nèi)部像差、全光路像差進(jìn)行測(cè)量，所述波前校正器9位于放大腔的內(nèi)部，對(duì)放大腔內(nèi)部像差、全光路像差進(jìn)行校正，本發(fā)明采用放大腔外測(cè)量像差、腔內(nèi)補(bǔ)償像差的方式，波前探測(cè)器13既可以測(cè)量放大腔內(nèi)部像差，保證多程放大過(guò)程有效通光，避免空間濾波系統(tǒng)8堵孔，又可以測(cè)量全光路像差，優(yōu)化全光路系統(tǒng)輸出光束質(zhì)量，波前校正器9、波前探測(cè)器13分別與控制系統(tǒng)14連接，波前校正器9為壓電薄膜驅(qū)動(dòng)變形鏡，其參數(shù)如表1所示：

，波前探測(cè)器13為哈特曼波前傳感器，其參數(shù)如表2所示：

本實(shí)施例中放大系統(tǒng)為十程放大，對(duì)所述十程放大系統(tǒng)的激光光束質(zhì)量控制方法為：

一、在放大腔的輸入位置設(shè)置平面標(biāo)準(zhǔn)鏡4，將激光1注入所述放大系統(tǒng)，激光1依次經(jīng)過(guò)分光片二12、反射鏡一2、放大腔外光路元件3，到達(dá)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡4處，激光1經(jīng)所述平面標(biāo)準(zhǔn)鏡4反射后，再次到達(dá)所述分光片二12處，所述激光1的小部分經(jīng)分光片二12反射，注入波前探測(cè)器13，利用平面標(biāo)準(zhǔn)鏡4改變激光光路，易于操作，標(biāo)定不包含放大腔的光路剩余部分像差，得到放大腔外部的光路像差W₁，對(duì)應(yīng)的波前分布圖如圖2所示，圖中波前畸變?yōu)?.43波長(zhǎng)；

二、將所述平面標(biāo)準(zhǔn)鏡4移除并關(guān)閉電光開關(guān)6，此時(shí)，放大系統(tǒng)為雙程放大狀態(tài)，激光1依次經(jīng)過(guò)分光片二12、反射鏡一2、放大腔外光路元件3、分光片一5、電光開關(guān)6、激光放大介質(zhì)7和空間濾波系統(tǒng)8，經(jīng)波前校正器9反射后光路逆向傳輸，最后所述激光1的大部分透過(guò)分光片二12，激光1的小部分經(jīng)分光片二12反射，注入波前探測(cè)器13，測(cè)量雙程放大全光路像差(包含熱像差和靜態(tài)像差)，記作W₂，則W₂-W₁為雙程放大腔內(nèi)像差，利用控制系統(tǒng)14控制波前校正器9進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到雙程校正電壓U₂，校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖分別如圖3(a)、(b)所示，波前畸變分別為0.80波長(zhǎng)、0.25波長(zhǎng)；

三、對(duì)波前校正器9施加校正電壓U₂，啟動(dòng)電光開關(guān)6，將激光1轉(zhuǎn)換為s態(tài)偏振光，s態(tài)偏振光經(jīng)過(guò)四程放大后再轉(zhuǎn)換為p態(tài)偏振光，此時(shí)，放大系統(tǒng)為四程放大狀態(tài)，測(cè)量四程放大全光路像差，記作W₄，則W₄-W₁為四程放大腔內(nèi)像差殘差，利用波前校正器9進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到四程校正電壓U₄，校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖分別如圖3(c)、(d)所示，波前畸變分別為0.73波長(zhǎng)、0.32波長(zhǎng)；

四、對(duì)波前校正器9施加校正電壓U₄，啟動(dòng)電光開關(guān)6，將激光1在s態(tài)偏振光與p態(tài)偏振光間轉(zhuǎn)換，控制放大系統(tǒng)為六程放大狀態(tài)，測(cè)量六程放大全光路像差，記作W₆，則W₆-W₁為六程放大腔內(nèi)像差殘差，利用波前校正器9進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到六程校正電壓U₆，校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖分別如圖3(e)、(f)所示，波前畸變分別為0.73波長(zhǎng)、0.38波長(zhǎng)；

五、對(duì)波前校正器9施加校正電壓U₆，啟動(dòng)電光開關(guān)6，將激光1在s態(tài)偏振光與p態(tài)偏振光間轉(zhuǎn)換，控制放大系統(tǒng)為八程放大狀態(tài)，測(cè)量八程放大全光路像差，記作W₈，則W₈-W₁為八程放大腔內(nèi)像差殘差，利用波前校正器9進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到八程校正電壓U₈，校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖分別如圖3(g)、(h)所示，波前畸變分別為0.83波長(zhǎng)、0.34波長(zhǎng)；

六、對(duì)波前校正器9施加校正電壓U₈，啟動(dòng)電光開關(guān)6，將激光1在s態(tài)偏振光與p態(tài)偏振光間轉(zhuǎn)換，控制放大系統(tǒng)為十程放大狀態(tài)，測(cè)量十程放大全光路像差，記作W₁₀，則W₁₀-W₁為十程放大腔內(nèi)像差殘差，利用波前校正器9進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到十程校正電壓U₁₀，校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖分別如圖3(i)、(j)所示，波前畸變分別為0.58波長(zhǎng)、0.34波長(zhǎng)；

七、將標(biāo)定光15直接注入波前探測(cè)器13，得到測(cè)量光路像差W₀，啟動(dòng)電光開關(guān)6，將激光1在s態(tài)偏振光與p態(tài)偏振光間轉(zhuǎn)換，控制放大系統(tǒng)為十程放大狀態(tài)，對(duì)波前校正器9施加校正電壓U₁₀后，測(cè)量全光路像差，記作W，則W-W₀就是全光路像差殘差，利用波前校正器9進(jìn)行波前閉環(huán)校正，得到全光路校正電壓U，校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖分別如圖3(k)、(l)所示，波前畸變分別為1.69波長(zhǎng)、0.27波長(zhǎng)，整個(gè)光路的波前畸變被校正到0.27波長(zhǎng)，既滿足了空間濾波系統(tǒng)8的穿孔，也優(yōu)化了輸出光束質(zhì)量。

現(xiàn)有技術(shù)中采用一步式進(jìn)行像差校正，像差累計(jì)現(xiàn)象非常嚴(yán)重。一般情況下，八程放大時(shí)像差是雙程放大時(shí)像差的四倍左右，十程放大時(shí)像差是雙程放大時(shí)像差的五倍左右，導(dǎo)致發(fā)生空間濾波系統(tǒng)8的“堵孔”效應(yīng)，使得輸出光束的近場(chǎng)不完整，嚴(yán)重影響波前測(cè)量。

本實(shí)施例利用電光開關(guān)6實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)放大程數(shù)的變化，采用分步方式進(jìn)行像差校正，從腔內(nèi)雙程到四程，然后到六程、八程，直到十程，最后再到全光路。在整個(gè)激光光束質(zhì)量控制過(guò)程中，隨著放大程數(shù)的增加，像差并沒(méi)有產(chǎn)生累計(jì)現(xiàn)象，有效避免多程放大像差積累問(wèn)題，取得最優(yōu)化的波前校正效果，適用于超多程放大激光光束質(zhì)量控制。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例與實(shí)施例一相同的部分不再贅述，不同的是：

激光1的光束口徑為10×10mm，波長(zhǎng)為1053nm，脈沖寬度為1ns，p態(tài)偏振光，激光放大介質(zhì)7的尺寸為15×15×40mm，空間濾波系統(tǒng)8的擴(kuò)束比例為1：6，腔鏡11的口徑為20×20mm，波前校正器9為壓電薄膜驅(qū)動(dòng)變形鏡，其參數(shù)如表3所示：

，波前探測(cè)器13為哈特曼波前傳感器，其參數(shù)如表4所示：

本實(shí)施例中放大系統(tǒng)為八程放大，測(cè)量放大腔外部的光路像差W₁，其對(duì)應(yīng)的波前分布圖如圖4所示，波前畸變?yōu)?.42波長(zhǎng)；激光光路分別為雙程、四程、六程和八程放大狀態(tài)時(shí)，像差校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖分別如圖5(a)-(h)所示，波前畸變分別為0.88波長(zhǎng)、0.16波長(zhǎng)、0.42波長(zhǎng)、0.18波長(zhǎng)、0.33波長(zhǎng)、0.22波長(zhǎng)、0.47波長(zhǎng)、0.25波長(zhǎng)；所述全光路像差校正前、后對(duì)應(yīng)的波前分布圖分別如圖5(i)、(j)所示，波前畸變分別為0.42波長(zhǎng)、0.22波長(zhǎng)，整個(gè)光路的波前畸變被校正到0.22波長(zhǎng)，既滿足了空間濾波系統(tǒng)8的穿孔，也優(yōu)化了輸出光束質(zhì)量。

以上已將本發(fā)明做一詳細(xì)說(shuō)明，以上所述，僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例而已，當(dāng)不能限定本發(fā)明實(shí)施范圍，即凡依本申請(qǐng)范圍所作均等變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋范圍內(nèi)。