專利名稱：一種自適應(yīng)高階橫模激光相干合成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光相干合成裝置，特別是一種利用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)提升高階橫
模激光相干特性的單臺(tái)激光相干合成的裝置。
背景技術(shù)：
高功率(> lkW)和近衍射極限的高光束質(zhì)量一直是激光技術(shù)的主要研究和發(fā)展 方向之一。在很多激光應(yīng)用領(lǐng)域中，人們都希望激光器具有高功率、高光束質(zhì)量和高的聚焦 強(qiáng)度，特別是在諸如慣性約束聚變、高能量密度物理、精密激光加工、激光通信、生物光子研 究、激光相干合成等領(lǐng)域更是要求激光具有很好的模式以及高的聚焦功率密度?；９馐?相對高階橫模光束而言具有更小的發(fā)散角、更好的光束質(zhì)量以及更高的可聚焦功率密度。 為了實(shí)現(xiàn)激光的基模輸出，傳統(tǒng)的方法是在諧振腔內(nèi)加小孔光闌來降低諧振腔的菲涅爾數(shù) (Nf 二a7入L，a是小孔光闌直徑，A為波長，L為腔長)。這種方法的實(shí)質(zhì)是使得光斑尺寸較 小的基模(《a)無損耗的通過小孔光闌，使光斑尺寸較大(>a)的高階橫模受到阻攔從而 無法起振。小孔光闌限模的方法雖然簡便易行，卻限制了可利用的橫模體積，極大地降低了 激光器的輸出功率。高階橫模激光的模體積遠(yuǎn)大于基模體積，因而可以獲得更高的輸出功 率(參見文獻(xiàn)1"Improving the output beam quality ofmultimode laser resonators, Optics Express. Vol. 13， No. 7， 2722-2730， 2005)。相應(yīng)的研究結(jié)果表明，對同一臺(tái)激光器， 高階模輸出時(shí)的功率比基模輸出時(shí)至少可以提高50%，其中調(diào)Q Nd:YAG激光器輸出TEM44 模時(shí)的功率比輸出TEM。。模時(shí)更是提高了 5倍多(參見文獻(xiàn)2 "Very high-order pure Laguerre—Gaussian mode selection in a passive Q—switched Nd:YAG laser, Optics E鄧ress. Vol. 13， No. 13， 4952-4962， 2005)。但是高階橫模激光的光束質(zhì)量和可聚焦能力很 差，無法滿足應(yīng)用需求。 近年來，國外學(xué)者在改善高階橫模激光輸出聚焦能力方面做了很多有益的工作 (參見文獻(xiàn)3 "Transformation of a High order mode intensity distribution to a nearly Gaussian beam", Proceedings of SPIE. Vol. 5147，271-275，2003)通過分析描 述高階橫模激光束的厄米特一高斯光束和拉蓋爾一高斯光束表達(dá)式可以發(fā)現(xiàn)，高階橫模 光束的波前相位實(shí)際上為球面，其振幅分布具有若干節(jié)線，而且節(jié)線兩側(cè)存在n相位躍 變。這樣的相位分布導(dǎo)致高階橫模光束被聚焦后的光斑也存在若干節(jié)線，光斑具有多峰 的特征，所以其光束質(zhì)量和光束的可聚焦能力相對較差。補(bǔ)償高階橫模激光束的波面相 位以及節(jié)線兩側(cè)的n相位躍變，實(shí)現(xiàn)將多峰結(jié)構(gòu)高階橫模激光有效地合成轉(zhuǎn)化為高功 率密度單主峰激光結(jié)構(gòu)的方法與實(shí)驗(yàn)研究，無疑將極大地提高激光的可聚焦能力，促進(jìn) 激光技術(shù)和激光應(yīng)用的發(fā)展。最近幾年，以色列科學(xué)家A.A. Ishaaya的研究小組在研究 如何將高階橫模激光轉(zhuǎn)化為近高斯分布激光的理論和實(shí)驗(yàn)方面開展了一些有益的探索， 其中包括基于多個(gè)平面鏡的方法，以及基于干涉器件和透射式相位器件的方法(參見文 獻(xiàn)4-6 "Conversion of a high-order mode beam into a nearly Gaussian beamby use of a single interferometric element", Optics Letters. Vol. 28， No. 7，504—506，2003 ^"Efficient Mode Conversion of Laser Beams",Optics and Photonics News,43， December, 2002 ^"Discontinuous phase elements for transverse mode selection in laser resonators", AppliedPhysicsLetters. Vol. 74， No.10，1373-1375，1999)
基于多個(gè)平面鏡方法的主要思想是將高階橫模激光束在各個(gè)節(jié)線處均分為若干 束旁瓣，然后調(diào)整各旁瓣間的相位，使用一塊或多塊50%分光鏡將其相干合束疊加；而基 于干涉器件方法的主要思想是在干涉器件的50%分束鍍膜處對這幾束旁瓣進(jìn)行相干疊加。 這兩類方法都成功的將TEMQ1模激光轉(zhuǎn)變?yōu)榻聘咚狗植嫉募す?，聚焦光斑也相?yīng)地轉(zhuǎn)變 為單峰結(jié)構(gòu)。但是在這兩種方法中，50 %分光鏡或者干涉器件50 %分光比鍍膜使得TEMQ1模 光束能量損失了大約一半。因而盡管實(shí)現(xiàn)了多峰結(jié)構(gòu)向單峰結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，但是這種方法是 以極大的犧牲激光輸出能量為代價(jià)。此外，基于多個(gè)平面鏡的方法還存在對機(jī)械振動(dòng)和熱 擾動(dòng)等環(huán)境因素非常敏感的問題，實(shí)驗(yàn)中往往只能穩(wěn)定工作20-40分鐘左右?；谕干涫?相位器件方法的主要思想是在光路中放置相位與待補(bǔ)償高階橫模光束相位躍變規(guī)律相反 的透射式相位器件，目的在于抑制相位躍變，這種器件多放置在激光諧振腔內(nèi)；相對于前兩 種方法，基于透射式相位器件方案的主要優(yōu)點(diǎn)是無需分光鏡，不會(huì)導(dǎo)致激光能量嚴(yán)重?fù)p失。 然而透射式相位器件往往難以承受高功率的激光束，并且在諧振腔內(nèi)往往需要配合柱透鏡 才能使用，因而其輸出功率和應(yīng)用領(lǐng)域受到了極大限制。 更值得注意的是，以上幾類方法均缺乏通用性?；诙鄠€(gè)平面鏡的方法需要針對 不同的模式設(shè)計(jì)不同的光路，當(dāng)應(yīng)用于高階橫模時(shí)必須同時(shí)采用多個(gè)分光鏡來合成光束， 因而光路會(huì)變得非常復(fù)雜，可靠性變差；基于干涉器件和透射式相位器件的方法需要針對 不同模式的光束設(shè)計(jì)不同的器件，給激光系統(tǒng)帶來極大的不便。同時(shí)，這幾種方法都要求激 光束與光學(xué)器件嚴(yán)格準(zhǔn)直，否則基于多個(gè)平面鏡和干涉器件的方法無法實(shí)現(xiàn)光束的均分， 而基于透射式相位器件的方法不能完全補(bǔ)償n相位的躍變。此外，必須看到這幾種方法都 僅僅對高階模式光束節(jié)線兩側(cè)n相位躍變進(jìn)行了補(bǔ)償，并沒有研究如何對高階橫模的球 面波前進(jìn)行校正，也無法對激光器本身熱畸變等因素造成的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)畸變實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，因 而雖然能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)聚焦光斑的近似單峰分布，但是聚焦峰值強(qiáng)度并沒有得到有 效提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有提升高階橫模光束相干性能的方法的缺點(diǎn)，提 供一種采用自適應(yīng)光學(xué)方法校正高階橫模激光波前、高階橫模激光光束各節(jié)線兩側(cè)旁瓣光 束n相位躍變、提升高階橫模激光的相干特性和可聚焦能力，控制單臺(tái)高階橫模激光器實(shí) 現(xiàn)相干合成輸出的裝置。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種自適應(yīng)高階橫模激光相干合成裝置包括固體激 光器、光束匹配系統(tǒng)、變形鏡、分光反射鏡、衰減系統(tǒng)、聚焦透鏡、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)和高壓放 大器；固體激光器輸出的高階橫模激光經(jīng)過光束匹配系統(tǒng)擴(kuò)束入射到變形鏡上，經(jīng)變形鏡 反射的光束再經(jīng)過分光反射鏡分光，絕多數(shù)能量的光束被反射輸出，少數(shù)能量的透射光經(jīng) 過衰減系統(tǒng)和聚焦透鏡會(huì)聚到CCD相機(jī)上，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)的優(yōu)化算法用來處理計(jì)算機(jī)采集 到的CCD相機(jī)上的光斑信號(hào)，沿著使光斑峰值光強(qiáng)增大的方向，不斷迭代計(jì)算出所需要的 控制電壓，該控制電壓經(jīng)過高壓放大器放大后施加在變形鏡的各個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，驅(qū)動(dòng)變形鏡產(chǎn)生相應(yīng)的形變，補(bǔ)償高階橫模激光整體波前相位中的畸變、補(bǔ)償高階橫模光束各節(jié)線兩 側(cè)旁瓣n相位躍變、使高階橫模激光各個(gè)旁瓣在遠(yuǎn)場實(shí)現(xiàn)很好的相干合成，從而提升高階 橫模激光束的相干特性，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)高階橫模激光相干合成輸出。 所述的優(yōu)化算法是隨機(jī)并行梯度下降算法SPGD，優(yōu)化算法要優(yōu)化的目標(biāo)為CCD 相機(jī)上焦斑的峰值光強(qiáng)，按照峰值光強(qiáng)增大的方向不斷迭代更新電壓值，具體實(shí)現(xiàn)步驟如 下 (1)性能指標(biāo)以CCD相機(jī)上焦斑的峰值光強(qiáng)值為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)作為算法的性能 指標(biāo)J(k) = J (u、 ， uk2, ， . . . ， ukn,)，其中，u、 ， uk2,，...，《,是算法在第k代運(yùn)行時(shí)加載到變 形鏡上的電壓值，下標(biāo)n代表變形鏡的驅(qū)動(dòng)器編號(hào)； (2)在確定了性能指標(biāo)后，隨機(jī)產(chǎn)生一組相互獨(dú)立且同為伯努利分布的擾動(dòng)電壓
值Su、， SUk2,，...， Sukn，并將該組電壓值施加在ukL，uk2,，…，ukn,上； (3)在當(dāng)前電壓值ukL，u ,，...，《,上施加擾動(dòng)Su、， Suk2,，...， S《，然后計(jì)
算正方向性能指標(biāo)J+(k) = J(l^+S《，Uk2+SUk2， ... ， Ukn+SUkn)和負(fù)向性能指標(biāo)J—(k)= J (UV S U、 ， Uk2_ S Uk2， ， Ukn_ S Ukn);(4)計(jì)算<+1 = Uik+Y Suki(jVjk—)，其中，Y是增益系數(shù)，S為擾動(dòng)系數(shù)； (5)判斷是否滿足算法結(jié)束條件。如滿足條件則結(jié)束算法迭代過程；如不滿足則 進(jìn)行第k+l次迭代，轉(zhuǎn)步驟(1)。 所述的固體激光器為可產(chǎn)生高階橫模輸出的固體激光器。 所述的光束匹配系統(tǒng)是無焦擴(kuò)束系統(tǒng)，可將激光光束口徑擴(kuò)大到與變形鏡的口徑 相一致。 所述的變形鏡具有很高的空間分辨率，即能校正前65階zernike多項(xiàng)式表征的波 前像差，既能產(chǎn)生n相位，又能產(chǎn)生各種復(fù)雜的波前相位，能夠補(bǔ)償高階橫模激光各旁瓣 的n相位躍變以及整體波前相位中的畸變。 本發(fā)明的工作原理是本發(fā)明從激光相干合成理論出發(fā)，把高階橫模激光等效為 由各條節(jié)線劃分成的具有相同頻率、相同振動(dòng)方向和固定相位差為n的旁瓣光束相干合 成的光束，利用SPGD優(yōu)化算法控制變形鏡，采用焦斑上峰值光強(qiáng)作為性能指標(biāo)，將高階橫 模激光各旁瓣光束相位差和整體波前相位有效校正，當(dāng)峰值光強(qiáng)達(dá)到最大時(shí)，在遠(yuǎn)場實(shí)現(xiàn) 有各旁瓣光束的相干合成，從而顯著提高高階橫模激光的相干特性、輸出峰值功率和可聚 焦能力，通過單臺(tái)高階橫模激光實(shí)現(xiàn)相干合成輸出。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn) (1)自適應(yīng)光學(xué)是一種能自動(dòng)校正光束波前誤差的技術(shù)，其最大的特點(diǎn)在于具有
實(shí)時(shí)補(bǔ)償激光波前受動(dòng)態(tài)、靜態(tài)擾動(dòng)造成波前畸變的能力，已經(jīng)在多種激光系統(tǒng)中得到了
運(yùn)用。采用變形鏡作為相位校正器，本發(fā)明不僅可以消除高階模激光光束節(jié)線兩側(cè)n相位
躍變、校正光束波前的整體球面分布，而且可以消除激光器本身熱畸變等因素引入光束的
靜態(tài)和動(dòng)態(tài)畸變，可極大地提升高階橫模激光的聚焦能力和激光的輸出功率。
(2)同時(shí)，本發(fā)明采用同一個(gè)變形鏡可以方便地校正不同橫模結(jié)構(gòu)的激光束，無需
針對不同模式制作不同的器件和設(shè)計(jì)不同的光路，具有系統(tǒng)簡單可靠的優(yōu)點(diǎn)。
(3)本發(fā)明無需采用造成激光能量嚴(yán)重?fù)p失的分光鏡，可以大幅度地提高激光的
輸出能力。變形鏡相對于透射式相位器件具有更高的破壞閾值，能夠承受更高的激光功率，可應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)中，而且變形鏡還能自動(dòng)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的對準(zhǔn)誤差，降低準(zhǔn)直調(diào) 整激光系統(tǒng)的難度，具有更好的實(shí)用性和可靠性。


圖1為采用三塊平面鏡及一塊分光反射鏡實(shí)現(xiàn)高階橫模相干輸出的原理示意圖； 圖2為采用干涉相位元件實(shí)現(xiàn)高階橫模相干輸出的原理示意圖； 圖3為本發(fā)明的原理示意圖； 圖4為本發(fā)明的SPGD優(yōu)化算法流程圖； 圖5a、圖5b、圖5c、圖5d、圖5e、圖5f為采用69單元變形鏡控制兩種高階橫模實(shí) 現(xiàn)相干合成的仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，為采用三塊平面鏡及一塊分光反射鏡實(shí)現(xiàn)高階橫模相干輸出的原理 示意圖。該結(jié)構(gòu)采用平面鏡將高階橫模激光束在其節(jié)線處均分為若干路旁瓣(圖1中的模 式為TEM^模，故而分為兩路旁瓣)，然后在其中一路中，使用調(diào)相器產(chǎn)生Ji相位調(diào)整該路 旁瓣的相位，最后使用一塊50%的分光鏡將其與另外一路旁瓣相干合束疊加。這種實(shí)施方 式雖然也能夠?qū)⒏唠A橫模激光轉(zhuǎn)化成單峰輸出，但是，50%分光鏡會(huì)使得高階橫模光束的 能量損失了大約一半，另外，基于多個(gè)平面鏡的方法需要針對不同的模式設(shè)計(jì)不同的光路， 對于特別高階的模式，單靠一塊分光鏡無法完成有效的相干合成輸出，需要采用多個(gè)分光 鏡來合成光束，因而光路會(huì)變得非常復(fù)雜，可靠性變差。 如圖2所示，為采用干涉相位元件實(shí)現(xiàn)高階橫模相干輸出的原理示意圖。由圖2 可知基于干涉相位器件方法的主要思想是，讓一路旁瓣的光直接入射到干涉相位元件50% 分束鍍膜處，讓另外一路旁瓣先經(jīng)過干涉相位元件背面反射再從50%分束鍍膜表面與第一 路旁瓣重合輸出，實(shí)現(xiàn)激光相干疊加。這種技術(shù)方案也可以將高階橫模激光轉(zhuǎn)化成相干的 單峰輸出，但是，同樣會(huì)有能量損耗的問題，并且要求激光束與光學(xué)器件嚴(yán)格準(zhǔn)直。還必須 看到這種方案也只能對高階模式光束節(jié)線兩側(cè)n相位躍變進(jìn)行了補(bǔ)償，不能夠?qū)Ω唠A橫 模的球面波前進(jìn)行校正，也無法對激光器本身熱畸變等因素造成的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)畸變實(shí)現(xiàn)補(bǔ) 償。 如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例的自適應(yīng)提升高階橫模激光相干特性的裝置由高階橫 模激光器1輸出的激光束經(jīng)過光束匹配系統(tǒng)2后，入射到變形鏡3后再經(jīng)過分光反射鏡4分 光，絕多數(shù)能量的光束被反射輸出，少數(shù)能量的透射光經(jīng)過衰減系統(tǒng)5和聚焦透鏡6會(huì)聚到 CCD相機(jī)7上，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)8的SPGD優(yōu)化算法用來處理計(jì)算機(jī)采集到的CCD相機(jī)8上的 光斑信號(hào)，沿著使光斑峰值光強(qiáng)增大的方向，不斷迭代計(jì)算出所需要的控制電壓，高壓放大 器9將所需的控制電壓施加在變形鏡3的各個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，驅(qū)動(dòng)變形鏡3產(chǎn)生相應(yīng)的形變，補(bǔ) 償高階橫模激光整體波前相位中的畸變、補(bǔ)償高階橫模光束各節(jié)線兩側(cè)旁瓣n相位躍變、 使高階橫模激光各個(gè)旁瓣在遠(yuǎn)場實(shí)現(xiàn)很好的相干合成，從而提升高階橫模激光束的相干特 性，成功實(shí)現(xiàn)單臺(tái)高階(即非基橫模)橫模激光相干合成輸出。 圖3中的固體激光器1為可產(chǎn)生高階橫模輸出的固體激光器，例如，通常的商用 平_平腔型多模Nd: YAG固體激光器。
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如圖3所示，本發(fā)明的光束匹配系統(tǒng)2是是由一塊凹透鏡和一塊凸透鏡組成的無 焦擴(kuò)束系統(tǒng)，可將激光光束口徑擴(kuò)大到與變形鏡的口徑相一致，且光束不會(huì)產(chǎn)生聚焦，避免 了功率過高，損壞光學(xué)器件。 如圖3所示，變形鏡3具有很高的空間分辨率(能校正前65階zernike多項(xiàng)式表 征的波前像差)，既能產(chǎn)生n相位，又能產(chǎn)生各種復(fù)雜的波前相位，能夠補(bǔ)償高階橫模激光 各旁瓣的n相位躍變以整體波前相位中的畸變。 如圖3所示，衰減系統(tǒng)5為反射鏡加可變密度的吸收式衰減片組成的衰減倍數(shù)從 102到104可調(diào)的系統(tǒng)。 如圖4所示，本發(fā)明中的優(yōu)化算法采用隨機(jī)并行梯度下降算法SPGD，優(yōu)化算法要 優(yōu)化的目標(biāo)為CCD相機(jī)上焦斑的峰值光強(qiáng)，按照峰值光強(qiáng)增大的方向不斷迭代更新電壓 值，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下 (1)確定性能指標(biāo)以CCD相機(jī)上焦斑的峰值光強(qiáng)值為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)作為算法的 性能指標(biāo)J(k) = J (u、 ， uk2, ， . . . ， ukn,)，其中，u、 ， uk2,，...，《,是算法在第k代運(yùn)行時(shí)加載 到變形鏡上的電壓值，下標(biāo)n代表變形鏡的驅(qū)動(dòng)器編號(hào)； (2)在確定了性能指標(biāo)后，計(jì)算機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生一組相互獨(dú)立且同為伯努利分布的擾 動(dòng)電壓值Su、， Suk2,...， Sukn;該組電壓值通過計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)生成；
(3)在當(dāng)前電壓u、， uk2,， . . . ， ukn,上施加正擾動(dòng)S u、， S uk2,， . . . ， S ukn， 然后計(jì)算采集到的CCD上焦斑的峰值光強(qiáng)值，并將其作為正方向性能指標(biāo)J+(k)=
J(l^+Su、， Uk2+SUk2， ... ， Ukn+SUkn);同理，在當(dāng)前電壓U、， Uk2,， ... ， 11^,上施加負(fù)擾
動(dòng)-S u、， - S uk2,，. . . ， - S u^，然后計(jì)算采集到的CCD上焦斑的峰值光強(qiáng)值，并將其作為負(fù) 向性能指標(biāo)J—(k) = J (uk「 S u、 ， uk2- S uk2， . . . ， ukn- S ukn); (4)在計(jì)算了正負(fù)方向的性能指標(biāo)后，按照11" = Uik+Y Suki(jk+-jk—) (i = 1， 2， ...n)產(chǎn)生新的電壓，通過這樣的更新方式，目的是使算法在多次迭代運(yùn)行后，最終讓
夂-扎趨近于0，也即使得變形鏡上的電壓值收斂到某一組值，此時(shí)，可認(rèn)為算法已經(jīng)達(dá)
到收斂，此時(shí)焦斑峰值光強(qiáng)達(dá)到最大，高階橫模激光各旁瓣的n相位躍變以及整體波前
相位中的畸變被補(bǔ)償?shù)?，?shí)現(xiàn)單主峰的相干合成，其中，Y是增益系數(shù)，一般取值范圍為 0.001-0. 5，在本發(fā)明的實(shí)施例中y取值為0.02， S為擾動(dòng)系數(shù)，一般取值范圍為0.01-1，
在本發(fā)明的實(shí)施例中的取值為0. 1 ; (5)判斷是否滿足算法結(jié)束條件。如滿足則結(jié)束算法迭代過程；如不滿足則進(jìn)行
第k+l次迭代，轉(zhuǎn)步驟(1); 圖5給出了對兩種不同高階橫模激光(TEMu和TEM33)采用SPGD優(yōu)化算法控制69 單元變形鏡實(shí)現(xiàn)相干合成輸出的仿真實(shí)例。其中(A)和(C)分別為變形鏡開環(huán)時(shí)，兩種高 階模式激光的遠(yuǎn)場分布，(B)和(D)分別為變形鏡閉環(huán)后對應(yīng)(A)和(C)的相干合成遠(yuǎn)場 分布。(E)和(F)為變形鏡補(bǔ)償(A)和(C)對應(yīng)的模式所產(chǎn)生的像差圖。從圖5可以清晰 看出，在兩種不同的模式輸出情況下，采用本發(fā)明都能夠?qū)⑤敵龅母唠A橫模激光轉(zhuǎn)化為相 干合成輸出的激光。 本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
一種自適應(yīng)高階橫模激光相干合成裝置，其特征在于包括固體激光器(1)、光束匹配系統(tǒng)(2)、變形鏡(3)、分光反射鏡(4)、衰減系統(tǒng)(5)、聚焦透鏡(6)、CCD相機(jī)(7)、計(jì)算機(jī)(8)和高壓放大器(9)；固體激光器(1)輸出的高階橫模激光經(jīng)過光束匹配系統(tǒng)(2)擴(kuò)束入射到變形鏡(3)上，經(jīng)變形鏡(3)反射的光束再經(jīng)過分光反射鏡(4)分光，絕多數(shù)能量的光束被反射輸出，少數(shù)能量的透射光經(jīng)過衰減系統(tǒng)(5)和聚焦透鏡(6)會(huì)聚到CCD相機(jī)(7)上，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)(8)的優(yōu)化算法用來處理計(jì)算機(jī)采集到的CCD相機(jī)(7)上的光斑信號(hào)，沿著使光斑峰值光強(qiáng)增大的方向，不斷迭代計(jì)算出所需要的控制電壓，該控制電壓經(jīng)過高壓放大器(9)放大后加載在變形鏡(3)的各個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，驅(qū)動(dòng)變形鏡(3)產(chǎn)生相應(yīng)的形變，補(bǔ)償高階橫模激光整體波前相位中的畸變、補(bǔ)償高階橫模光束各節(jié)線兩側(cè)旁瓣π相位躍變、使高階橫模激光各個(gè)旁瓣在遠(yuǎn)場實(shí)現(xiàn)很好的相干合成，從而提升高階橫模激光束的相干特性，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)高階橫模激光相干合成輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)高階橫模激光相干合成裝置，其特征在于所述的優(yōu)化算法采用隨機(jī)并行梯度下降算法SPGD，優(yōu)化算法要優(yōu)化的目標(biāo)為CCD相機(jī)上焦斑的峰值光強(qiáng)，按照峰值光強(qiáng)增大的方向不斷迭代更新電壓值，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1) 確定性能指標(biāo)以CCD相機(jī)上焦斑的峰值光強(qiáng)值為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)作為性能指標(biāo)J05) = J(u、，uk2,， . . . ， ukn,)，其中，u、， uk2,，...，《,為在第k代運(yùn)行時(shí)加載到變形鏡上的電壓值，下標(biāo)n代表變形鏡的驅(qū)動(dòng)器編號(hào)；(2) 在確定了性能指標(biāo)后，隨機(jī)產(chǎn)生一組相互獨(dú)立且同為伯努利分布的擾動(dòng)電壓值Su、， SUk2,，...， Sukn，并將該組電壓值施加在ukL，uk2,，…，ukn,上；(3) 在當(dāng)前電壓值U、，uk2,，…，ukn,上施加擾動(dòng)電壓Su、， S U ,，...，S Ukn，然后計(jì)算正方向性能指標(biāo)J,) = J(U1^ S U、， Uk2+ S Uk2， . . . ， Ukn+ S《)和負(fù)向性能指標(biāo)J—(k) = J (UV S U、 ， Uk2- S Uk2， ... ， Ukn_ S Ukn);(4) 計(jì)算U"二U,+ Y Su^a^-Jk—)，其中，Y是增益系數(shù)，S為擾動(dòng)系數(shù)；(5) 判斷是否滿足算法結(jié)束條件，如果滿足則結(jié)束算法迭代過程；如果不滿足則進(jìn)行第k+l次迭代，轉(zhuǎn)步驟(1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)高階橫模激光相干合成裝置，其特征在于所述的固體激光器(1)為可產(chǎn)生高階橫模輸出的固體激光器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)高階橫模激光相干合成裝置，其特征在于所述的光束匹配系統(tǒng)(2)是由一塊凹透鏡和一塊凸透鏡組成的無焦擴(kuò)束系統(tǒng)，可將激光光束口徑擴(kuò)大到與變形鏡的口徑相一致。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)高階橫模激光相干合成裝置，其特征在于所述的變形鏡(3)具有很高的空間分辨率，即能校正前65階zernike多項(xiàng)式表征的波前像差，既能產(chǎn)生n相位，又能產(chǎn)生各種復(fù)雜的波前相位，能夠補(bǔ)償高階橫模激光各旁瓣的n相位躍變以及整體波前相位中的畸變。
全文摘要
自適應(yīng)高階橫模激光相干合成裝置，由固體激光器、變形鏡、光束匹配系統(tǒng)、CCD相機(jī)、分光反射鏡、高壓放大器、聚焦透鏡、衰減系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成。固體激光器輸出的高階橫模激光經(jīng)光束匹配系統(tǒng)擴(kuò)束后入射到變形鏡上，經(jīng)變形鏡反射的光束再依次經(jīng)過分光反射鏡、衰減系統(tǒng)、聚焦透鏡，匯聚在焦點(diǎn)位置的CCD相機(jī)，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)的優(yōu)化算法沿著讓CCD相機(jī)上焦斑峰值強(qiáng)度增大的方向迭代計(jì)算出電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)高壓放大器放大后加載到變形鏡的各個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，驅(qū)動(dòng)變形鏡產(chǎn)生相應(yīng)的形變，補(bǔ)償高階橫模激光整體波前相位中的畸變、補(bǔ)償高階橫模激光各節(jié)線兩側(cè)旁瓣π相位躍變、提升高階橫模激光的相干特性和可聚焦能力。本發(fā)明可以提升高階橫模光束間的相干性能和可聚焦能力。
文檔編號(hào)H01S3/16GK101794962SQ20101012153
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月10日
發(fā)明者楊平, 董理治, 許冰, 雷翔 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所