一種激光光束波前校正系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于激光系統(tǒng)光束質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種激光光束波前校正系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在激光器系統(tǒng)尤其是高功率固體激光系統(tǒng)中，為追求較高的光束質(zhì)量，通常需要對波前畸變進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的波前校正系統(tǒng)包含一套變形鏡及高壓驅(qū)動(dòng)器、一套波前傳感器，一套控制軟件，為實(shí)現(xiàn)探測光路的像差標(biāo)定，一般還需要一臺(tái)單模光纖激光器作為標(biāo)定光源。波前傳感器常位于光束診斷包內(nèi)，通過合理設(shè)計(jì)診斷光路實(shí)現(xiàn)光束口徑、能量與哈特曼傳感器之間的匹配，哈特曼的位置及單模光纖標(biāo)定光源的位置決定了波前畸變校正的目標(biāo)位置，通常情況下，在該位置到靶點(diǎn)之間仍存在一系列光學(xué)元件，將會(huì)引入像差，影響到靶焦斑的形態(tài)。
[0003]為實(shí)現(xiàn)靶點(diǎn)處的光束質(zhì)量控制，可在靶點(diǎn)后搭建縮束光路，進(jìn)行波前探測及閉環(huán)校正。該方法在小F數(shù)聚焦的激光系統(tǒng)(如超短脈沖激光裝置)的應(yīng)用中存在一定問題，比如空間局限、調(diào)試復(fù)雜及標(biāo)定困難等。另外，由于靶點(diǎn)處光束口徑較小，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)波前測量時(shí)，由于功率密度較高，極易發(fā)生光學(xué)元件損傷的情況。
[0004]因此，傳統(tǒng)的波前校正技術(shù)均無法較為精確、便捷的實(shí)現(xiàn)靶點(diǎn)處波前畸變的控制?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0005]為解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種激光光束波前校正系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案:
[0007]—種激光光束波前校正系統(tǒng)，其包括主激光光路、變形鏡及高壓驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)場探測器、波前傳感器、探測光路、控制電腦，其中:
[0008]所述主激光光路包括前級(jí)光路、傳輸光路，所述變形鏡設(shè)置于波前傳感器之前的主光路中，與控制電腦連接，作為波前校正器件校正波前誤差；
[0009]所述前級(jí)光路與變形鏡之間設(shè)置放大器，發(fā)射時(shí)會(huì)引入動(dòng)態(tài)波前畸變；
[0010]所述遠(yuǎn)場探測器設(shè)置于變形鏡后方激光光路的靶點(diǎn)位置，探測靜態(tài)激光遠(yuǎn)場，并與控制電腦連接，形成變形鏡、傳輸光路、遠(yuǎn)場探測器、控制電腦的閉環(huán)控制回路；
[0011]所述波前傳感器設(shè)置于變形鏡后，用于實(shí)現(xiàn)波前探測，并與控制電腦連接，形成變形鏡、傳輸光路、探測光路、波前傳感器、控制電腦的閉環(huán)控制回路。
[0012]進(jìn)一步，所述波前傳感器為哈特曼波前傳感器。
[0013]進(jìn)一步，所述波前傳感器的探測面與變形鏡的反射面共軛。
[0014]本實(shí)用新型的有益效果如下:
[0015]第一:本系統(tǒng)將激光系統(tǒng)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)波前畸變分離，在靶點(diǎn)處以遠(yuǎn)場閉環(huán)替代波前閉環(huán)，巧妙避開了靶點(diǎn)位置的波前探測，降低了探測光路的復(fù)雜程度及調(diào)試難度。
[0016]第二、可以將波前畸變校正至物理實(shí)驗(yàn)最為關(guān)注的靶點(diǎn)位置，最大程度的提升激光系統(tǒng)的光束質(zhì)量；
[0017]第三、該技術(shù)無需增加標(biāo)定探測光路像差所用的光源，可降低成本，同時(shí)避免引入標(biāo)定誤差，提升控制精度。
[0018]第四、本技術(shù)所涉及的光學(xué)系統(tǒng)較為簡單，相比于傳統(tǒng)的靶點(diǎn)波前閉環(huán)方式，具有占據(jù)空間小、調(diào)試難度低、無須波前標(biāo)定等優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0019]圖1:一種激光光束波前校正系統(tǒng)總體排布示意圖；
[0020]圖2-a:遠(yuǎn)場閉環(huán)前的焦斑分布；
[0021]圖2-b:遠(yuǎn)場閉環(huán)后的焦斑分布；
[0022]圖3-a:未校正的動(dòng)態(tài)波前分布；
[0023]圖3-b:校正之后的波前分布。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0025]參照圖1，一種激光光束波前校正系統(tǒng)，其包括主激光光路、變形鏡及高壓驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)場探測器(一般為CCD)、波前傳感器、探測光路、控制電腦，所述主激光光路包括前級(jí)光路、傳輸光路，所述變形鏡設(shè)置于波前傳感器之前的主激光光路中，與控制電腦連接，作為波前校正器件校正波前誤差；所述前級(jí)光路與變形鏡之間設(shè)置放大器；所述遠(yuǎn)場探測器設(shè)置于變形鏡后方激光光路的靶點(diǎn)位置，探測靜態(tài)激光遠(yuǎn)場，并與控制電腦連接，形成變形鏡、傳輸光路、遠(yuǎn)場探測器、控制電腦的閉環(huán)控制回路；所述波前傳感器優(yōu)選為哈特曼波前傳感器。設(shè)置于變形鏡后，且波前傳感器的探測面與變形鏡的反射面共軛。用于實(shí)現(xiàn)波前探測，并與控制電腦連接，形成變形鏡、傳輸光路、探測光路、波前傳感器、控制電腦的閉環(huán)控制回路。
[0026]本實(shí)用新型的一種激光光束波前校正方法的主要原理是通過遠(yuǎn)場探測器在聚焦位置采集主激光焦斑，其攜帶了全系統(tǒng)的靜態(tài)波前信息，采用焦斑信息反饋的閉環(huán)算法，對焦斑進(jìn)行閉環(huán)控制，之后通過參考過渡轉(zhuǎn)移的方法在波前傳感器(一般為哈特曼波前傳感器)上獲得全系統(tǒng)至靶點(diǎn)靜態(tài)波前，再通過主發(fā)射獲得激光系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)波前，進(jìn)而控制變形鏡實(shí)現(xiàn)對全光束靜態(tài)、動(dòng)態(tài)波前的校正。
[0027]遠(yuǎn)場探測器在靶點(diǎn)位置探測主激光焦斑，其攜帶了全部的靜態(tài)波前信息，記為Ws;波前傳感器采集主激光波前，所獲得的波前信息記為Whs，包含了部分主光路及探測光路的波前畸變；當(dāng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)發(fā)射時(shí)，放大器會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)波前畸變，記為Wd;具體操作步驟如下:
[0028]S1:采用波前傳感器采集主激光的波前Whs，并設(shè)置為參考，之后進(jìn)行動(dòng)態(tài)發(fā)射，利用波前傳感器的單次采集模式，獲取動(dòng)態(tài)發(fā)射的主激光波前，此時(shí)波前傳感器上得到的波前為純動(dòng)態(tài)波前(Whs+Wd)_Whs= Wd，記錄此波前信息；
[0029]S2:待放大器完全冷卻后，利用遠(yuǎn)場探測器，在靶點(diǎn)處采集主激光焦斑，采用一種遠(yuǎn)場信息反饋算法(此處為隨機(jī)并行梯度算法，stochastic parallel gradientdescentalgorithm, SPGD)對焦斑進(jìn)行閉環(huán)控制，當(dāng)獲得最佳焦斑時(shí)，變形鏡產(chǎn)生的面形為-Ws。圖2-a顯示了遠(yuǎn)場閉環(huán)前的焦斑分布；圖2-b顯示了遠(yuǎn)場閉環(huán)后的焦斑分布；從圖2-a,2-b中可以看出:激光在靶點(diǎn)處的焦斑分布變成明顯的單峰結(jié)構(gòu)，聚焦功率密度得到大幅度提尚。
[0030]遠(yuǎn)場探測器探測靶點(diǎn)處主激光靜態(tài)焦斑時(shí)，若焦距太小，可以采用短焦的組合透鏡將焦斑放大后再測量。
[0031]S3:保持S2步驟中變形鏡的面形不變，采用波前傳感器對主激光進(jìn)行波前采集，波前傳感器上所獲得的波前為Whs_Ws，記錄所采集到的波前信息；
[0032]S4:以S3步驟中采集的波前Whs-WsS參考，將變形鏡的控制電壓清零，再次采集主激光波前，波前傳感器上得到的波前應(yīng)為Whs_ (ffhs-ffs) = Ws，即光束至靶點(diǎn)的靜態(tài)波前畸變；
[0033]S5:步驟S1與S4中獲得了全光束的靜態(tài)波前畸變及動(dòng)態(tài)波前畸變，采用波前傳感器采集主激光波前，并且設(shè)置為參考，再次采集主激光，獲得的波前為0，控制電腦根據(jù)靜態(tài)波前Ws、動(dòng)態(tài)波前Wd信息，控制變形鏡產(chǎn)生_(W s+ffd)/2的面形，以補(bǔ)償全系統(tǒng)像差。圖3-a顯示了未校正的動(dòng)態(tài)波前分布；圖3-b顯示了校正之后的波前分布。從圖3-a、圖3-b中可以看出:動(dòng)態(tài)波前的PV值由3.75 λ校正至0.74 λ ( λ = 1053nm)。
[0034]本實(shí)用新型在一套波前校正系統(tǒng)中，同時(shí)配備遠(yuǎn)場及波前兩種傳感器，僅利用激光系統(tǒng)的主激光，便可精確實(shí)現(xiàn)全光束的波前校正。通過采用SPGD算法對靜態(tài)波前畸變進(jìn)行閉環(huán)控制，將靜態(tài)波前過渡給哈特曼，再進(jìn)行動(dòng)態(tài)發(fā)射，采集動(dòng)態(tài)波前，最后控制變形鏡實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的波前校正。該方法的優(yōu)勢在于可以有效避免小F數(shù)聚焦系統(tǒng)中波前探測及標(biāo)定的難題，降低系統(tǒng)調(diào)試精度的要求，同時(shí)無須增加額外的標(biāo)定光源，可以精確實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)到靶點(diǎn)波前畸變的有效控制。該技術(shù)特別適用于國內(nèi)超短脈沖激光裝置的光束控制，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了國內(nèi)領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0035]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光光束波前校正系統(tǒng)，其特征在于:其包括主激光光路、變形鏡及高壓驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)場探測器、波前傳感器、探測光路、控制電腦，其中: 所述主激光光路包括前級(jí)光路、傳輸光路，所述變形鏡設(shè)置于波前傳感器之前的主激光光路中，與控制電腦連接，作為波前校正器件校正波前誤差； 所述前級(jí)光路與變形鏡之間設(shè)置放大器，用于在發(fā)射時(shí)引入動(dòng)態(tài)波前畸變； 所述遠(yuǎn)場探測器設(shè)置于變形鏡后方激光光路的靶點(diǎn)位置，探測靜態(tài)激光遠(yuǎn)場，并與控制電腦連接，形成變形鏡、傳輸光路、遠(yuǎn)場探測器、控制電腦的閉環(huán)控制回路； 所述波前傳感器設(shè)置于變形鏡后，用于實(shí)現(xiàn)波前探測，并與控制電腦連接，形成變形鏡、傳輸光路、探測光路、波前傳感器、控制電腦的閉環(huán)控制回路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光光束波前校正系統(tǒng)，其特征在于:所述波前傳感器為哈特曼波前傳感器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光光束波前校正系統(tǒng)，其特征在于:所述波前傳感器的探測面與變形鏡的反射面共軛。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種激光光束波前校正系統(tǒng)，其包括主激光光路、變形鏡及高壓驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)場探測器、波前傳感器、探測光路、控制電腦；遠(yuǎn)場及波前兩種傳感器，僅利用激光系統(tǒng)的主激光，便可精確實(shí)現(xiàn)全光束的波前校正。本實(shí)用新型提出的一種激光光束波前校正系統(tǒng)，可以有效避免小F數(shù)聚焦系統(tǒng)中波前探測及標(biāo)定的難題，降低系統(tǒng)調(diào)試精度的要求，同時(shí)無須增加額外的標(biāo)定光源，可以精確實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)到靶點(diǎn)波前畸變的有效控制。
【IPC分類】G02B26/06
【公開號(hào)】CN205091511
【申請?zhí)枴緾N201520881565
【發(fā)明人】王德恩, 代萬俊, 胡東霞, 周維, 張鑫, 張曉璐, 楊英, 周凱南, 薛嶠, 袁強(qiáng), 趙軍普, 孫立, 粟敬欽, 朱啟華
【申請人】中國工程物理研究院激光聚變研究中心
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年11月5日