[發(fā)明專利]一種腔內(nèi)自適應光學光束凈化系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210175574.3
• 申請日: 2012-05-31
• 公開（公告）號: CN102707434A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 晏虎;楊平;許冰;劉文勁;雷翔;董理智
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: G02B26/06
• 分類號: G02B26/06
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種腔內(nèi)自適應光學光束凈化系統(tǒng)及方法，適用于對腔內(nèi)畸變以重復性靜態(tài)畸變?yōu)橹鳎瑒討B(tài)擾動畸變絕對值小的諧振腔進行腔內(nèi)光束凈化，屬于自適應光學領(lǐng)域和激光器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

腔內(nèi)自適應光學光束凈化系統(tǒng)是一種實時跟蹤補償激光諧振腔腔內(nèi)畸變，提高激光器工作性能，使激光器輸出光束能量或光束質(zhì)量最優(yōu)的一種自適應光學系統(tǒng)。自從自適應光學系統(tǒng)首次成功的應用于CO₂激光器腔內(nèi)畸變的補償（參見R.H.Freeman等Adaptive?laser?resonator,1978，Optics?Letters），從激光產(chǎn)生的源頭——激光諧振腔，改善了光束近場和遠場分布形態(tài)，便在氣體、固體等激光器方面得到廣泛研究和應用。

腔內(nèi)自適應光學光束凈化系統(tǒng)中，能夠能動改變面形起到補償畸變作用的變形鏡，用作激光諧振腔的一個高反射腔鏡。與傳統(tǒng)自適應光學基于相位共軛原理的控制手段不同，由于諧振腔內(nèi)的波前畸變與變形鏡上的畸變校正量沒有一一對應的關(guān)系，腔內(nèi)畸變和變形鏡面形的擾動影響著激光器輸出光束的質(zhì)量與輸出能量。因此腔內(nèi)自適應光學光束凈化系統(tǒng)的控制方法和控制理論一直是研究熱點。

目前，腔內(nèi)自適應光束凈化系統(tǒng)的控制方法主要有兩種，一種以遠場光束質(zhì)量為優(yōu)化目標、無需波前傳感器的優(yōu)化式自適應光學控制方法，另外一種是以腔內(nèi)畸變?yōu)樾Ｕ繕说南辔还曹椏刂品椒ā?/p>

優(yōu)化式自適應光學控制方法用一個光電探測器件（如CCD、CMOS和光電二極管等器件）探測激光器輸出光強分布，并以從光強分布計算的光束質(zhì)量作為優(yōu)化目標，根據(jù)隨機優(yōu)化控制算法優(yōu)化變形鏡驅(qū)動器的控制信號。以其控制系統(tǒng)簡單、易于調(diào)整等原因，這種方法應用比較廣泛，如2004年W.Lubeigt采用的遺傳算法優(yōu)化變形鏡驅(qū)動器電壓（參見W.Lubeigt等Intracavity?adaptive?optics?optimisation?of?a?grazing-incidence?Nd:GdVO4?laser，2004OSA/CLE0），2007年P(guān)ing?Yang等人采用遺傳算法優(yōu)化變形鏡的模式系數(shù)，（參見Ping?Yang等人Intracavity?transverse?modes?controlled?by?a?genetic?algorithm?based?on?Zernike?mode?coefficients,2007,Optics?Express）等優(yōu)化式自適應光學控制算法。除了以上介紹的控制算法，在腔內(nèi)自適應光學光束凈化系統(tǒng)中還可見到隨機并行梯度下降算法、模擬退火算法等隨機優(yōu)化控制算法的報道。

基于相位共軛控制技術(shù)的腔內(nèi)自適應光學控制方法，是通過測量腔內(nèi)畸變或與腔內(nèi)畸變相關(guān)聯(lián)的光波前信息，然后根據(jù)相位共軛原理補償腔內(nèi)波前畸變，實現(xiàn)改善激光器工作狀態(tài)的目的。專利“利用腔內(nèi)自適應光學技術(shù)改善固體激光器光束質(zhì)量的裝置”（中國專利申請?zhí)枺?00610011199.3）介紹了一種用He-Ne光作為信標光，用哈特曼傳感器探測增益介質(zhì)畸變，利用變形鏡補償腔內(nèi)畸變的自適應光學裝置。

優(yōu)化式自適應光學控制系統(tǒng)采用優(yōu)化控制算法，以所關(guān)心的激光器性能指標作為優(yōu)化算法的目標函數(shù)，以變形鏡所需控制信號作為優(yōu)化參數(shù)，從一個初始值開始以迭代方式在參數(shù)空間中搜索優(yōu)化解。在腔內(nèi)自適應光學光束凈化系統(tǒng)當中，算法搜索的初始值對算法的收斂性、收斂速度和收斂的穩(wěn)定性有很大影響。

對于腔內(nèi)畸變以靜態(tài)畸變?yōu)橹鳎⑶一儠r間穩(wěn)定性高，動態(tài)擾動畸變幅值小的情形下，腔內(nèi)光束凈化系統(tǒng)收斂后變形鏡面形可以認為是在一個靜態(tài)面形附近疊加有較小幅值的擾動，由于腔內(nèi)的靜態(tài)畸變具有較好的重復性，所以，每次做腔內(nèi)光束凈化閉環(huán)控制時，變形鏡的靜態(tài)面形基本一致，因此無需像傳統(tǒng)搜索方法一樣從變形鏡驅(qū)動器零電壓開始搜索，而是可以從上一次閉環(huán)結(jié)束時電壓值開始。這種方法在變形鏡驅(qū)動器行程量與驅(qū)動信號有非常好的線性相關(guān)性，并且鏡面不隨環(huán)境溫度發(fā)生較大變化的前提下是成立的。但是，對于有些變形鏡如雙壓電片變形鏡，由于驅(qū)動器的蠕爬效應和面形熱穩(wěn)定性較差的原因，預置電壓不能獲得所需變形鏡面形，算法搜索的初始值不再是從最優(yōu)面形處開始，因此預置上一次閉環(huán)結(jié)束時電壓值，激光系統(tǒng)工作狀態(tài)存在較大的不確定度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有隨機優(yōu)化控制方法從零初值搜索與預置電壓方法的不足之處，提供一種快速準確地預置變形鏡先驗面形，為隨機優(yōu)化控制算法提供一個最優(yōu)初始值的腔內(nèi)光束凈化控制方法，該方法能夠有效利用先驗數(shù)據(jù)，使腔內(nèi)光束凈化耗時大大縮短，提高腔內(nèi)光束凈化系統(tǒng)的控制穩(wěn)定度。