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高能激光自适应光学光束质量控制技术

文章来源:科技信息中心编辑室   时间:2019-07-22

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自适应光学光束质量技术采用能动器件对激光光束进行实时调整,可提升高能激光光束的指向稳定性和光束质量,对激光远距离能量传输和高能量密度应用具有重要意义。自适应光学光束质量控制系统是主动光学技术的关键设备,设备研制涉及到材料、机械、光学、电子学、自动控制等多个学科领域,具有参数多、工艺复杂的特征。中国工程物理研究院应用电子学研究所从2008年开始开展自适应光学技术研究,近几年,逐一突破了高空间分辨变形镜、压电式快速反射镜关键部件工程研制,嵌入式高速闭环控制系统,主振荡功率放大器(MOPA)板条固体激光光束质量控制,大模体积非稳腔腔内自适应光学光束质量控制等关键技术,申请专利10多项,实现了光束净化自适应光学系统等设备的系列化研制。

1  高精度系列变形镜

变形镜是自适应光学系统中的关键器件,变形镜的排布方式、空间分辨率、动态范围等参数影响高能激光光束校正后波前的空间频率和幅值。与应用于大气自适应光学的变形镜设计方法不同,需考虑激光器及输出激光的波前特性及光束质量控制目标,针对性的设计变形镜或光束质量控制方案,可获得更优的光束质量控制结果收益。

1.1  二维波前校正变形镜

二维波前校正变形镜适用于对于波前空间频谱无方向性特征的高功率激光波前校正。通过分析待校正波前的空间频率特征,采用三维有限元及模拟仿真波前校正方法实现变形镜的最优化仿真设计,确定变形镜空间排布的核心参数。课题组先后设计研制了10 mm间距64单元正方形排布变形镜,8 mm间距68单元伪六边形排布变形镜,67单元正六边形排布变形镜等不同参数变形镜(见图1),成功应用于高能板条MOPA激光器及多薄片串接激光器中。

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有幅值小于1 μm、空间频率较高的波前畸变。设计并研制了主动冷却式5.5 mm高分辨二维波前校正变形镜(见图2),有效驱动单元67个,有效校正口径40 mm×40 mm,动态范围3.5 μm;测量结果表明:变形镜静态面型0.28 μm PV0.07 μm RMS,主动展平后的面型达到0.16 μm PV0.02 μm RMS,且面型稳定,具有良好的静、动态性能。

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1.2  一维波前校正变形镜

相较于二维波前校正变形镜,一维波前校正变形镜对入射激光波前的单个空间方向畸变进行补偿,具有致动单元数少、动态范围大、致动单元数的下降带来可靠性提升的优点。设计并研制了非等间距11单元一维波前校正变形镜和7 mm空间分辨11单元一维波前校正变形镜(见图3)。测量结果表明,后者静态面型0.25 μm,动态范围达到12 μm。在高能板条MOPA激光器中作为板条宽度方向的波前预补偿(双变形镜波前校正)或单方向实时校正器件。

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1.3  模式校正变形镜

在某些高功率激光器中,增益介质的波前畸变具有像差模式的特征,例如:薄片激光器的增益介质YAG薄片,高功率单面泵浦时离焦成分占总像差的60%;浸入式激光器增益介质泵浦和冷却在不同的轴向,透射波前畸变中象散成分占总像差的52%,对以上特征模式的校正可获得较好的光束质量改进效果。设计并研制了1单元f60 mm口径离焦校正变形镜,动态范围±10 μm(见图4),近纯离焦型;设计研制9单元象散离焦校正变形镜,动态范围±10 μm(见图5)

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2  光束质量控制系统

2.1  光束质量控制系统软硬件组成

适用于高能激光自适应光学光束质量控制系统通常由3部分组成:波前探测器(多为Shack-Hartmann波前探测器),波前校正器(变形镜)及控制系统组成。除去前节所述的波前校正器外,波前探测技术相对成熟,稳定高效的自适应光学控制系统为激光光束净化方面的研究难点和热点。

2.2  MOPA板条激光器的自适应光学光束质量控制系统

针对MOPA板条高能激光波前畸变的特点,采用一维加二维变形镜和基于FPGA/DSP高速实时闭环控制系统实现波前实时校正和光束质量有效提升,是此系统的亮点(见图6)MOPA板条高能激光器构造及激光器中“Zig-Zag”光路设计决定了出射光束在竖直方向具有更严重的波前畸变;置于扩束器前的一位变形镜预补偿了激光竖直方向的幅值较大部分,从而使二维变形镜的待校正波前无方向特征,幅值降至变形镜动态范围之内,结合下位机实时波前探测及闭环控制系统,将输入光束质量b因子大于9的激光补偿至b小于2.5(见图7),满足后续激光应用及合束的需求。

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2.3  单谐振腔腔内自适应光学光束质量控制系统

单谐振腔高功率激光器的发展促进了腔内自适应光学的发展与应用。在单谐振腔腔内应用自适应光学系统原因有三点:一是在腔外应用自适应光学系统,对光束质量提升效率降低。非稳腔输出光束为环形光斑,变形镜有效使用区域会大大减小;二是在腔内应用自适应光学,利用非稳定腔会对腔内的固有像差产生放大的特性,即输出激光的波前像差远大于腔内固有像差的单程累积,腔内AO系统可以降低对变形镜致动器最大行程的要求;三是内腔AO系统的净化过程可以提升谐振腔的输出效率。但是,理论上激光谐振腔内并不存在一个畸变面的共轭面使得变形镜可以完全共轭补偿所有增益介质的畸变,获得近衍射极限的激光输出。因此,如何在腔内应用自适应光学,怎样控制变形镜对介质的畸变进行补偿,是腔内自适应光学系统的研究重点和难点。

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通过理论分析及数值模拟研究,开展无源非稳腔腔内离焦校正实验,无源非稳腔腔内高阶像差校正实验及有源非稳腔动态离焦及高阶畸变校正实验,实验结果表明,对非稳腔内的离焦补偿是必要和有效的,非稳谐振腔激光器的离焦会显著影响输出激光的功率;在离焦未补偿时,增益热致畸变中的最主要的像差成分离焦改变了腔的放大率,降低了激光器交叠效率,使得激光器的单脉冲能量下降;当对离焦进行补偿后,腔参数向初始最优参数靠近,输出功率显著提高(见图8)。采用高阶变形镜对激光器内像差进行了补偿,使得测得的参考光的波前RMS值由1.5 μm降低至0.19 μm,同时输出激光的远场光斑得到显著提高,光束质量b因子由19.5降低至6.5(见图9)

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