板条激光低阶像差自动校正技术研究

发布时间：2020-04-07 19:42

【摘要】：固体板条激光器具有结构紧凑、寿命长、全电运行等优点,在工业加工、科学研究等领域得到了广泛的应用。然而在高平均功率的工作状态下,固体板条激光器的抽运光在为增益介质提供能量的同时,伴随产生大量无用的热量,导致诸如热透镜、热致双折射等“热效应”,显著限制了光束质量。如何在高平均功率输出下获得高光束质量始终是本领域面临的重大科学问题。虽然光束沿“之”字形路径传播可有效平衡板条窄方向的热畸变,但宽方向像差缺乏相应的补偿机制,导致输出光束包含幅值数十甚至上百个波长的离焦和像散等低阶像差,显著超越了常规变形镜的校正能力,难以直接通过自适应光学技术改善光束质量。此外为了保证散热能力,板条增益介质的厚度较小,导致输出光束呈小宽高比矩形(通常小于1:5),而通常应用场合要求光束为圆形或正方形。为解决上述问题,本文以固体板条激光器低阶像差校正技术为主线,以提升光束质量为目标,重点研究如何同时解决低阶像差校正与光束尺寸匹配的问题,最终获取近衍射极限的光束质量。论文的主要研究内容可分为以下四个部分:首先,通过对现有的像差校正技术进行归纳和分析,并结合固体板条激光器的像差特性和实际应用需求,提出了一种约束条件下的低阶像差自动校正方法,通过建立输出及输入光束的像差、尺寸与透镜间隔之间数学解析关系的方式,同时解决固体板条激光器出射光束中大幅值低阶像差校正和光束尺寸匹配的问题。其次,针对固体板条激光器具有多个工作点和在工作点处存在像差扰动的问题,基于本文提出的低阶像差自动校正方法制定了两种不同的校正策略。并提出以光束尺寸为约束条件,以光束发散角为表征低阶像差的中间变量,以光线追迹原理为辅助工具的方法,建立了两种校正策略中输出及输入光束的低阶像差、尺寸与透镜间隔之间的数学解析关系,为实现低阶像差自动校正及尺寸匹配提供依据,并通过仿真和实验对上述研究内容的有效性进行了验证。再次,基于实验室内一套传导冷却端面泵浦结构的固体板条激光器开展了上述方法的实验验证工作。以约束条件下的低阶像差自动校正技术为核心,以表征低阶像差成分的光束发散角为反馈信息,以高精度共轴间隔调整系统为依托,研制了满足实际使用需求的低阶像差自动校正系统。经其校正后出射光束的光斑形态从1.8mm×11mm(1:6)的长条形变换为22mm×22mm(1:1)的近似正方形,波前PV值从57.26μm减小到1.87μm,光束质量得到了明显的提升,同时满足了低阶像差自动校正与光束尺寸匹配的要求,验证了该方法应用于实际固体板条激光器的可行性。最后,为进一步改善固体板条激光器的光束质量,采用低阶像差自动校正系统与自适应光学校正系统协同工作的技术方案,并成功应用于国家重大科研装备研制项目的5J/6.6ns/200Hz高功率纳秒固体板条激光器中。实验结果表明:经低阶像差自动校正系统校正后,光束尺寸从7mm×35mm变换为42mm×44mm,光束质量从18.42倍衍射极限提升到了2.86倍衍射极限,同时解决了该激光器大幅值低阶像差成分的校正和光束尺寸匹配的问题;进一步采用基于59单元变形镜的自适应光学系统对其残余像差进行精细校正,最终将光束质量提升到了1.64倍衍射极限,首次在该类高重复频率、大能量纳秒激光器中实现了近衍射极限的光束质量。
【图文】：

板条激光器,端面抽运,典型结构,固体板

5J、脉宽 6.67ns、重复频率 200Hz 的 Nd:YAG 固体板条激光器，经混合光学净化系统校正后实现了优于 2 倍衍射极限的光束质量[19]。固体板条激光器在实际应用中面临着两个重要问题。一方面，随着激光不断提升，出射光束受“热效应”的影响越来越严重，由“热效应”引像差成分导致其出射光束的波前 PV 值达到数十甚至上百个波长，使光束激光器功率的提升而非线性下降[20]。另一方面，大多数应用领域希望光形或圆形，而固体板条激光器输出光束为长条形且宽高比较小(一般小于了固体板条激光器的应用[4]。为解决上述问题，国内外的科研工作者对像术开展了一系列的研究工作，旨在提高板条激光器输出功率的同时，满量与光束尺寸匹配的需求。而今，像差校正技术已经成为固体板条激光技术之一。.1 固体板条激光器像差特性在对像差校正技术进行归纳和总结之前，先以传导冷却端面抽运结构的激光器为例，对其像差特性进行简要介绍和分析。

示意图,相位校正,静态,校正技术

第一章绪论性光学校正技术、自适应光学校正技术、几何光学校正技术[47]。下面主像差校正技术进行归纳和分析。静态相位校正技术是根据相位共轭原理，，利用微光学等加工技术，加工布与出射光束波前畸变相反的相位板，加入到光路中实现静态像差的校 1-2 所示[48]。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24

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