阅读说明：本技术 一种端泵板条固体激光器的波前改善方法和系统 (Wavefront improvement method and system for end-pump slab solid-state laser ) 是由 王钢 梁兴波 唐晓军 王文涛 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种适用于端泵板条固体激光器的波前改善方法和系统,针对激光在通过板条后激光光束质量退化,减小因激光器散热不均匀导致的热致波前畸变,提高激光光束质量。所述端泵板条固体激光器的波前改善方法,包括：测量通过板条后的激光波前并输出测量结果,所述测量结果中包括泵浦光调节参考信息,所述泵浦光用于调制所述激光光束的波前形状；根据所述泵浦光调节参考信息,确定所述泵浦光的调节信息；根据所述调节信息对注入板条中的泵浦光进行调节。(The invention provides a wavefront improvement method and a wavefront improvement system suitable for an end pump slab solid laser, aiming at the degradation of laser beam quality after laser passes through a slab, the thermotropic wavefront distortion caused by uneven heat dissipation of the laser is reduced, and the laser beam quality is improved. The wavefront improvement method of the end-pumped slab solid-state laser comprises the following steps: measuring the laser wavefront passing through the slab and outputting a measurement result, wherein the measurement result comprises pump light adjusting reference information, and the pump light is used for modulating the wavefront shape of the laser beam; determining the adjustment information of the pump light according to the pump light adjustment reference information; and adjusting the pump light injected into the slab according to the adjustment information.)

一种端泵板条固体激光器的波前改善方法和系统

技术领域

本发明涉及激光光束净化技术领域，尤其涉及一种泵板条固体激光器的波前改善方法和系统。

背景技术

高功率板条固体激光器研制中，除了需要提升功率/能量的技术方案，还必须研究光束控制与提高光束质量的问题，具有高功率高光束质量的激光才能满足实际应用的需要。在实际工作中，高功率激光系统输出的激光都有振幅调制和相位畸变，对于远场光束质量来说，相位畸变是主要影响因素。激光束通过具有一定温度分布的激光增益介质或非理想的光学系统后，其波前会发生畸变，这种波前畸变通常会随着激光输出功率的增加而变得更加严重。

高功率板条固体激光器激光波前的畸变中一般包含热透镜效应等因素引起的低阶畸变和温度不均匀分布、衍射等因素引起的高阶畸变，低阶畸变可以利用柱面镜等光学元件进行修正或补偿，高阶畸变目前基本采用主要由变形镜组成的自适应光学系统进行净化，这项技术通常用来净化大气扰动引起的相差，用于高功率固体激光系统中也获得了成功。但是随高功率固体激光技术的发展，激光器的输出功率越来越高，影响的波前畸变也越来越大，变形镜系统遇到了一些难以逾越的障碍，一是分辨率不够，受到技术水平所限，用于高功率激光波前净化的变形镜致动器间距较大，目前国内用于高功率激光波前净化的变形镜致动器最小间距为8mm，而高阶像差的变化非常复杂，一般都超出了变形镜的净化能力范围，这种情况下的净化效果较差。二是行程量小，受变形镜材料限制，变形镜面形不能在大范围内变化，通常的最大行程在10μm左右，而高功率固体激光系统中如果要提高激光输出功率激光光束就要通过更长的增益介质，相应的会产生很大的波前畸变，这就经常会超出变形镜的行程范围，因此反过来制约了激光功率的进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对激光在通过板条后激光光束质量退化，减小因激光器散热不均匀导致的热致波前畸变，提高激光光束质量。

本发明采用的技术方案是提供一种适用于端泵板条固体激光器的波前改善方法，包括：

测量通过板条后的激光波前并输出测量结果，所述测量结果中包括泵浦光调节参考信息，所述泵浦光用于调制所述激光光束的波前形状；

根据所述泵浦光调节参考信息，确定所述泵浦光的调节信息；

根据所述调节信息对注入板条中的泵浦光进行调节。

在一种可能的实施方式中，所述泵浦光调节参考信息包括激光波前的波峰/ 波谷位置信息和波前畸变指标PV值；

根据所述泵浦光调节参考信息，确定所述泵浦光的调节信息，具体包括：

根据激光波前的波峰/波谷位置信息，确定所述泵浦光的调节方向；

根据波前畸变指标PV值，确定所述泵浦光的调节量。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的端泵板条固体激光器的波前改善方法，还包括：

通过泵浦光耦合导管将调节后的泵浦光注入板条中。

在一种可能的实施方式中，所述泵浦光耦合导管包括整形镜、反射镜和导光管，其中：

所述整形镜，用于根据板条端面尺寸调整所述泵浦光的大小；

所述反射镜，用于根据所述调节方向和调节量对所述泵浦光进行调整；

所述导光管，用于避免所述泵浦光中杂散光逸散。

在一种可能的实施方式中，所述板条激光器采用多个增益模块串联；

根据所述泵浦光调节参考信息，确定所述泵浦光的调节信息，具体包括：

根据所述泵浦调节参考信息，确定注入每一级增益模块的泵浦光的调节信息，使得每一增益模块内的激光光束的波前形状互补。

本发明还提供一种端泵板条固体激光器的波前改善系统，包括：

测量装置，用于测量通过板条后的激光波前并输出测量结果，所述测量结果中包括泵浦光调节参考信息，所述泵浦光用于调制所述激光光束的波前形状；

泵浦光调节装置，用于根据所述泵浦光调节参考信息，确定所述泵浦光的调节信息；根据所述调节信息对注入板条中的泵浦光进行调节。

在一种可能的实施方式中，所述泵浦光调节参考信息包括激光波前的波峰/ 波谷位置信息和波前畸变指标PV值；

所述泵浦光调节装置，具体用于根据激光波前的波峰/波谷位置信息，确定所述泵浦光的调节方向；根据波前畸变指标PV值，确定所述泵浦光的调节量。

在一种可能的实施方式中，所述泵浦光调节装置为泵浦光耦合导管；

所述泵浦光耦合导管，用于将调节后的泵浦光注入板条中。

在一种可能的实施方式中，所述泵浦光耦合导管包括整形镜、反射镜和导光管，其中：

所述整形镜，用于根据板条端面尺寸调整所述泵浦光的大小；

所述反射镜，用于根据所述调节方向和调节量对所述泵浦光进行调整；

所述导光管，用于避免所述泵浦光中杂散光逸散。

在一种可能的实施方式中，所述板条激光器采用多个增益模块串联；

所述泵浦光调节装置，具体用于根据所述泵浦调节参考信息，确定注入每一级增益模块的泵浦光的调节信息，其中，注入每一增益模块的泵浦光用于控制各增益模块内的激光光束的波前形状互补。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述的端泵板条固体激光器的波前改善方法和系统，对通过板条后的激光进行测量，根据测量结果确定注入板条的泵浦光的调节信息，并据此对泵浦光进行调整，通过上述调整改变泵浦光最强的区域照射在板条上的位置，从而，改变板条内的温度场分布，由此，实现了通过调整泵浦光来调制激光的波前形状，改善激光的波前分布，减小因为激光器散热不均匀导致的热致波前畸变和热致双折射效应，提高了通过板条后的激光光束质量。

附图说明

图1a为现有技术中，端泵板条固体激光器初始远场强度分布示意图；

图1b为现有技术中，使用自适应光学系统进行校正后的远场强度分布示意图；

图2a为现有技术中，板条上部泵浦光的强度分布示意图；

图2b为现有技术中，板条下部泵浦光的强度分布示意图；

图2c为现有技术中，板条中间泵浦光的强度分布示意图；

图2d为现有技术中，板条两端泵浦光的强度分布示意图；

图3a为现有技术中，板条上部泵浦光的波前分布图；

图3b为现有技术中，板条下部泵浦光的波前分布图；

图3c为现有技术中，板条中间泵浦光的波前分布图；

图3d为现有技术中，板条两端泵浦光的波前分布图；

图4a为本发明实施例的端泵板条固体激光器的波前改善方法流程图；

图4b为本发明实施例的泵浦光耦合导管的结构示意图；

图5为本发明实施例的端泵板条固体激光器结构示意图；

图6a为本发明实施例的万瓦激光链路放大模块的第1级工作时的波前分布示意图；

图6b为本发明实施例的万瓦激光链路放大模块的第2级工作时的波前分布示意图；

图6c为本发明实施例的万瓦激光链路放大模块的第1，2级同时工作时的波前分布示意图；

图7a为本发明实施例的万瓦激光链路放大模块的第1级工作时调节后的波前分布示意图；

图7b为本发明实施例的万瓦激光链路放大模块的第2级工作时调节后的波前分布示意图；

图7c为本发明实施例的万瓦激光链路放大模块的第1，2级同时工作时调节后的波前分布示意图；

图8a为本发明实施例的泵浦光调节前自适应光学系统的校正效果示意图；

图8b为本发明实施例的泵浦光调节后自适应光学系统的校正效果示意图；

图9为本发明实施例的端泵板条固体激光器的波前改善系统示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

由于端泵板条激光器在纵轴方向存在散热不均匀以及泵浦不均匀的问题，因此会存在数量较大、变化较多的初始像差，这种像差已经超出变形镜的校正能力，分别如图1a和图1b所示。其中，图1a为端泵板条固体激光器初始远场强度分布，图1b为使用自适应光学系统对其校正后的远场强度分布，可以看出，由于初始像差超出了变形镜校正能力，校正后的光束质量并不理想。有鉴于此，本发明实施例提供了一种端泵板条固体激光器的波前改善方法，在校正前对板条激光器的泵浦进行调整，优化波前分布。

泵浦光的强度分布与板条激光器的波前分布有着对应关系，如图2a、图2b、图2c和图2d所示，其分别为板条上部、下部、中间以及两端泵浦光的强度分布示意图，这四种情况所对应的波前分布分别如图3a、图3b、图3c和图3d所示。

图3a、图3b、图3c和图3d分别为对应不同强度泵浦光的波前分布图，由四波横向剪切干涉仪(SID4)测量得到，每幅图中的上图表示板条“y”方向的波前分布，下图表示“x”方向的波前分布。泵浦光分布主要影响的是板条“y”方向的波前分布，对“x”方向没有影响，这是由于“之字形”光路对“x”方向的补偿作用。从图中可以看出，四种不同泵浦光分布的情况下，波前分布存在一个共同点：泵浦光较强位置对应的波前分布存在一个波谷，说明在泵浦光分布较强位置处的相位传播速度慢，因此在这一位置波前分布存在一个波谷。波前出现波谷的原因是由于这一位置的泵浦光强度大，所以会导致温度在这一位置处更高，根据(光程-折射率)对应公式可知，光束在通过温度高的区域后，会导致光程变长，相同时间内，走的路程更长，因此通过这一位置的波前会比其他区域相对滞后，所以出现了波谷。根据以上原理，通过调节泵浦光的指向性，可以改变波前分布，即实现波前补偿，可以得到更加“平坦”的波前分布，波前的最佳状态是将其调整为平面波。

如图4a所示，其为本发明实施例提供的端泵板条固体激光器的波前改善方法实施流程示意图，包括以下步骤：

S41、测量通过板条后的激光波前并输出测量结果。

具体实施时，可以使用四波横向剪切干涉仪实时探测通过板条后的激光波前，根据测量结果，使用泽尼克(Zernike)多项式或者勒让德(Legendre)多项式对测量波前进行精确数学描述，多项式的不同项分别描述了不同的像差类型。

本发明实施例中，由于板条激光器出射光斑形状为矩形，因此，使用勒让德多项式对其波前进行描述会更加准确。其中，勒让德多项式的1-6项分别表示平移，两位倾斜，离焦，两维象散，这类低阶像差易于控制，因此，不是制约高功率激光器光束质量的关键。本发明实施例中，主要针对7阶以上的像差类型进行优化。其中，测量结果中的畸变波前特点反映了泵浦光调节参考信息，其可以包括激光波前的波峰/波谷位置信息和波前畸变指标PV值。

S42、根据测量结果中包含的泵浦光调节参考信息，确定泵浦光的调节信息。

具体实施时，可以根据泵浦光调节参考信息确定泵浦光的指向性，其包括泵浦光的调节方向和调节量，根据步骤S41中获得的泵浦光调节参考信息，可以根据激光波前的波峰/波谷位置信息，确定泵浦光的调节方向，根据波前畸变指标PV值，确定泵浦光的调节量。

S43、根据确定出的调节信息对注入板条中的泵浦光进行调节。

本发明实施例中，通过调整泵浦光在板条端面引起热分布梯度来改变激光的波前分布，可以用来改善板条激光光束的波前分布，提高激光器的光束质量。具体实施时，端泵板条固体激光器的泵浦光通过板条的端面注入到板条中，而泵浦光的注入会引起板条内部热温度分布的变化，由于激光的波前分布是与板条温度分布息息相关的，那么通过泵浦光强度分布的改变即可实现对板条激光器波前的调制，进而改善板条激光器的波前分布，提高激光器的光束质量。

具体实施时，可以通过泵浦光耦合导管将调节后的泵浦光注入板条中。如图4b所示，其为本发明实施例提供的泵浦光耦合导管的结构示意图，包括整形镜、反射镜和导光管，其中：

整形镜，用于根据板条端面尺寸调整所述泵浦光的大小。具体地，整形镜片用来将二极管阵列的泵浦光整形成合适的大小，使之与板条端面尺寸匹配。

反射镜，用于根据确定出的调节方向和调节量对泵浦光进行调整。即反射镜用来调整泵浦光的指向性。

所述导光管，用于避免所述泵浦光中杂散光逸散。

本发明的实现需要两套泵浦光耦合导管及四波横向剪切干涉仪波前探测器(SID4)；泵浦光通过泵浦光耦合导管注入到板条中，然后由SID4对激光波前进行测量，然后根据激光波前分布调整泵浦光耦合导管，改变泵浦光在板条端面处的热分布，从而将激光波前调制成需要的形状。

在一些实施方式中，板条激光器为了获得更好功率激光，通常会使用多级级联放大，即使用多个增益模块串联，例如，一条万瓦链路由两组增益模块串联组成，其结构如图5所示，种子光经过板条激光器放大，其中板条激光器由两级放大模块串联组成，其中，放大模块主要由二极管阵列(LD)、可调式泵浦耦合系统以及增益模块组成，放大光经分束镜分光，强光由功率计接收，分出的一束弱光由SID4波前探测器测量波前相位。两组增益模块的波前分布存在线性叠加的规律，即两组增益模块串联工作时的波前分布等同于各单模块波前分布的线性叠加。据此，通过调节泵浦光的指向性，对单模块波前分布分别进行调制，进而实现级间波前互补。

具体地，针对使用多个增益模块串联的板条激光器，可以根据泵浦调节参考信息，确定注入每一级增益模块的泵浦光的调节信息，使得每一增益模块内的激光光束的波前形状互补。例如，可以调整各级波前为相互补偿状态，如分别调整为M形和W形，这样，经过各级的波前叠加，最终得到接***面波输出的波前。

一条万瓦激光链路由两级级放大模块组成，图6a为万瓦激光链路放大模块的第1级工作时的波前分布、图6b为放大模块的第2级工作时的波前分布,图 6c为放大模块的1，2级同时工作时的波前分布。从图中可以看出，由于1级的波前分布较好，而2级的波前分布较差，由于波前分布是一个叠加的过程，因此两级全开时的波前分布和第2级的波前分布基本一致。

由于2级的波前分布较差，利用本发明实施例提供的波前改善方法对这两级的泵浦光指向性进行了调节，图7a为放大模块的第1级工作时调节后的波前分布示意图，图7b为放大模块的第2级工作时调节后的波前分布示意图，图7c 为放大模块的1，2级同时工作时调节后波前分布示意图。从图中可以看出，通过调节，2级的波前分布由PV＝2.5μm降低至PV＝1.3μm，此外，调节后2级的波前调节为“M”形，与1级“W”形的波前互为共轭，可以相互补偿，调节后两级全开的波前由PV＝2.8μm降低至PV＝0.9μm，波前分布的改善效果非常明显。经过泵浦调整后用变形镜校正的效果也得到了明显改善，光束质量β由 6.92降到2.12。如图8a所示，其为泵浦光调节前自适应光学系统的校正效果示意图，如图8b所示，其为泵浦光调节后自适应光学系统的校正效果示意图。

本发明实施例提供的端泵板条固体激光器的波前改善方法，根据激光畸变的波前形状，可以实时调整泵浦光耦合导管改变泵浦光的指向性，从而达到实现对波前的调制，达到期望的效果。本发明实施例提供的方法，在技术上容易实现，调节简单，成本低廉。而且，本发明实施例中，根据板条激光器使用多级级联放大的特点，使用这种波前调制方法可以实现级间的波前互补，提高激光器的光束质量。

基于同一技术构思，本发明实施例还提供了一种端泵板条固体激光器的波前改善系统，如图9所示，可以包括：

测量装置91，用于测量通过板条后的激光波前并输出测量结果，所述测量结果中包括泵浦光调节参考信息，所述泵浦光用于调制所述激光光束的波前形状；

泵浦光调节装置92，用于根据所述泵浦光调节参考信息，确定所述泵浦光的调节信息；根据所述调节信息对注入板条中的泵浦光进行调节。

具体实施时，测量装置可以采用四波横向剪切干涉仪，泵浦光调节装置可以为泵浦光耦合导管。

在一种可能的实施方式中，所述泵浦光调节参考信息包括激光波前的波峰/ 波谷位置信息和波前畸变指标PV值；

所述泵浦光调节装置，具体用于根据激光波前的波峰/波谷位置信息，确定所述泵浦光的调节方向；根据波前畸变指标PV值，确定所述泵浦光的调节量。

在一种可能的实施方式中，所述泵浦光调节装置为泵浦光耦合导管；

所述泵浦光耦合导管，用于将调节后的泵浦光注入板条中。

在一种可能的实施方式中，所述泵浦光耦合导管包括整形镜、反射镜和导光管，其中：

所述整形镜，用于根据板条端面尺寸调整所述泵浦光的大小；

所述反射镜，用于根据所述调节方向和调节量对所述泵浦光进行调整；

所述导光管，用于避免所述泵浦光中杂散光逸散。

在一种可能的实施方式中，所述板条激光器采用多个增益模块串联；

所述泵浦光调节装置，具体用于根据所述泵浦调节参考信息，确定注入每一级增益模块的泵浦光的调节信息，其中，注入每一增益模块的泵浦光用于控制各增益模块内的激光光束的波前形状互补。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。