高功率連續(xù)激光輻照下變形鏡熱形變的自校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種控制變形鏡補(bǔ)償其熱形變面形的技術(shù)，具體設(shè)及一種高功率連續(xù) 激光福照下變形鏡熱形變的自校正方法，屬于強(qiáng)激光技術(shù)和自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展及其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)拓，如何獲得更高功率的高光束 質(zhì)量激光成為人們的關(guān)注熱點(diǎn)和奮斗目標(biāo)。然而，在高功率激光系統(tǒng)中，光學(xué)元件在連續(xù)激 光福照下，其內(nèi)部會形成溫度梯度分布，同時，由于光學(xué)元件材料受熱膨脹從而會產(chǎn)生熱變 形，并對入射光束引入波前崎變。雖然，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能通過波前傳感器對入射光束波前 實時監(jiān)測，并運(yùn)用光學(xué)變形鏡對引入光束的波前崎變進(jìn)行相位補(bǔ)償，然而在波前校正過程 中變形鏡也會因自身對激光能量的吸收而出現(xiàn)熱形變，從而使其實際擬合面形達(dá)不到預(yù)期 效果。此外，變形鏡與普通反射鏡相比，變形鏡的厚度更薄，在激光連續(xù)福照下所產(chǎn)生的熱 形變面形比普通反射鏡更明顯，同時，由于變形鏡中驅(qū)動器的離散分布還會使變形鏡的熱 形變面形中出現(xiàn)與驅(qū)動器排布有關(guān)的局部"凸起"，從而對入射波前引入高頻崎變，最終制 約了變形鏡的波前校正效果。因此，在高功率激光系統(tǒng)中變形鏡的熱形變所帶來的影響不 容忽視。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，控制變形鏡熱形變的方法主要有W下幾種：
[0004] 1、水冷散熱法
[0005] 在水冷散熱方法中，通過對變形鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其基座部分能夠注入液體， 從而利用液體的循環(huán)流動帶走熱量，W實現(xiàn)降溫目的。運(yùn)種方法的降溫效果依賴于水冷結(jié) 構(gòu)中的水流通道數(shù)量W及入口處的水流溫度，且水冷結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因而其適用性較差。
[0006]2、空氣對流換熱法
[0007] 在空氣對流換熱法中，通過對變形鏡背面進(jìn)行強(qiáng)制吹風(fēng)來達(dá)到降溫的目的。作為 改進(jìn)措施，相關(guān)學(xué)者提出了局部對流換熱方法。該方法根據(jù)入射光束寬度選擇適當(dāng)?shù)拇碉L(fēng) 區(qū)域，著重對鏡面溫度較高的區(qū)域進(jìn)行對流換熱，目的在于降低鏡面的溫度差，從而減小變 形鏡熱形變面形的PV值。然而，由于空氣的熱交換系數(shù)較小，換熱能力較差，因而該方法對 變形鏡熱形變的改善效果仍然不夠明顯。
[0008] 3、變形鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化法
[0009] 在變形鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法中，通過適當(dāng)調(diào)整變形鏡驅(qū)動器的排布方式與極頭的 長寬尺寸，來減小變形鏡熱形變面形對入射光引入的波前崎變。該方法的缺陷是：它的靈活 性較差，優(yōu)化效果十分有限，并且由于變形鏡的設(shè)計要求及性能指標(biāo)的限制，無法大幅度調(diào) 整變形鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷和不足，提供一種高功率連續(xù) 激光福照下變形鏡熱形變的自校正方法，該方法是利用變形鏡自行校正其熱形變面形，在 不使用換熱措施和不改變變形鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，利用一組隨時間變化的驅(qū)動器控制信 號實時調(diào)整變形鏡的熱形變面形，從而實現(xiàn)對變形鏡的熱形變面形進(jìn)行實時補(bǔ)償。本發(fā)明 提出的自校正方法可適用于不同功率密度、不同福照時間W及不同光束寬度的高功率激光 連續(xù)福照下變形鏡熱形變面形的實時補(bǔ)償，且使用過程中不依賴于其它任何外加裝置，均 能實現(xiàn)對現(xiàn)有的分立驅(qū)動式變形鏡熱形變的自校正。
[0011] 本發(fā)明的設(shè)計思想是：由于在高功率連續(xù)激光福照下，光學(xué)元件的熱形變面形均 呈現(xiàn)出"中間高，邊緣低"的特點(diǎn)，其整體形狀為一個類高斯形包絡(luò)。因此，可W通過變形鏡 驅(qū)動器控制信號來控制變形鏡并擬合出一個中屯、凹陷的反高斯形面形來實時補(bǔ)償變形鏡 的熱形變面形。在此基礎(chǔ)上，變形鏡熱形變所引入的附加波前崎變被控制在一個較小的范 圍內(nèi)，從而能使變形鏡在對入射激光進(jìn)行波前校正的過程中達(dá)到最佳的工作狀況。
[0012] 本發(fā)明提供的一種高功率連續(xù)激光福照下變形鏡熱形變的自校正方法，是利用變 形鏡自行校正其自身的熱形變面形，W實現(xiàn)在不同參數(shù)的高功率激光連續(xù)福照下變形鏡熱 形變面形的實時補(bǔ)償，其具體步驟是：
[0013] 步驟1、首先對參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，在參數(shù)校準(zhǔn)階段，使用高功率連續(xù)激光對變形鏡進(jìn) 行持續(xù)福照，福照時所使用的激光功率密度為P。，光束半寬為W。，并利用4D干設(shè)儀測量Ti、 T2兩個不同時刻變形鏡的熱形變面形；
[0014] 步驟2、W步驟1中記錄的Ti、T2兩個不同時刻變形鏡的熱形變面形作為待校正目 標(biāo)函數(shù)，并使用變形鏡分別對兩個不同時刻的變形鏡熱形變面形進(jìn)行擬合，從而得到變形 鏡中驅(qū)動器在控制變形鏡進(jìn)行面形擬合時的驅(qū)動器控制信號H1、肥，該驅(qū)動器控制信號表 征了不同空間位置處的驅(qū)動器的控制電壓信號；
[0015] 步驟3、使用高斯分布函數(shù)分別對步驟2中所述驅(qū)動器控制信號H1、肥進(jìn)行擬合， 從而可W得到與驅(qū)動器控制信號H1對應(yīng)的常數(shù)Ai、Bi，W及與驅(qū)動器控制信號肥對應(yīng)的常 數(shù)A2、B2;所使用的高斯分布函數(shù)如下式所示：
[001引
掛
[0017]式中，（Xi，yi)為變形鏡中第i個驅(qū)動器的位置坐標(biāo)，C為與入射光斑形態(tài)有關(guān)的 常數(shù)，W。為入射激光福照在變形鏡鏡面上的光束寬度的一半，即光束半寬；對于某一已知的 f(Xi，yi)，A、B為常數(shù)，計算中可通過最小二乘法來求解A、B;
[001引步驟4、將步驟1中所使用的激光功率密度P。，激光福照變形鏡的時間VT2和步 驟3中擬合得到的常數(shù)Ai、Bi、A2、B2代入下列方程組：
[0019]
煤
[0020] 通過公式似進(jìn)行計算，得到常數(shù)ki、k2、a和b;
[0021] 步驟5、將步驟4所得常數(shù)代入下面公式（3)中的自校正函數(shù)模型，得到與入射激 光功率密度P，激光福照時間T，光束半寬W。有關(guān)的自校正函數(shù)；所述自校正控制信號的自 校正函數(shù)模型表示如下：
[0022]
賊
[0023] 式中，（Xi，yi)為變形鏡中第i個驅(qū)動器的位置坐標(biāo)；
[0024] 步驟6、開始對變形鏡的熱形變實施自校正，在自校正實施階段，變形鏡按照通常 的波前校正方法對入射激光的波前崎變進(jìn)行校正，此時，將入射激光的功率密度P，激光福 照時間T，光束半寬及與入射光斑形態(tài)有關(guān)的常數(shù)C代入步驟5中由公式（3)得到的 自校正函數(shù)，從而計算出該條件下用于補(bǔ)償變形鏡熱形變的驅(qū)動器控制信號H;
[00巧]步驟7、使用步驟6得到的用于補(bǔ)償變形鏡熱形變的驅(qū)動器控制信號H對變形鏡驅(qū) 動器的初始驅(qū)動信號進(jìn)行修正，進(jìn)而得到最終的驅(qū)動器控制信號，并通過驅(qū)動器的驅(qū)動作 用對變形鏡的面形進(jìn)行調(diào)整，從而使變形鏡在校正入射激光的波前崎變的同時也對自身的 熱形變面形進(jìn)行實時補(bǔ)償，最終實現(xiàn)變形鏡熱形變的自校正。
[0026] 上述技術(shù)方案中，步驟2中所述使用變形鏡分別對兩個不同時刻的變形鏡熱形變 面形進(jìn)行擬合，為得到所需的擬合面形，需要確定各個驅(qū)動器的控制信號，此時可使用影響 函數(shù)來表征驅(qū)動器作用時變形鏡的擬合面形。當(dāng)多個驅(qū)動器共同作用時，變形鏡的擬合面 形M(x,y)表示為：
[0027]
(4)
[0028] 式中，Hi為第i個驅(qū)動器的控制信號，Ii(x，y)為第i個驅(qū)動器單獨(dú)作用時變形鏡 面形的歸一化形式，其歸一化形式如下式所示：
[0029]
旬
[0030] 式中，d為驅(qū)動器間距，b為交連值，（Xi，yi)為第i個驅(qū)動器的位置坐標(biāo)。
[0031] 上述技術(shù)方案中，步驟3中所述與入射光斑形態(tài)有關(guān)常數(shù)C的取值，當(dāng)入射光為圓 形平頂光束時C= 1. 5,當(dāng)入射光為高斯光束時C= 1. 6。
[0032] 上述技術(shù)方案中，步驟7中所述的變形鏡驅(qū)動器的初始驅(qū)動信號是指在通常的波 前校正過程中，利用變形鏡對波前傳感器探測到的入射激光的波前崎變進(jìn)行校正時所使用 的驅(qū)動器控制信號。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計思想，認(rèn)為變形鏡在面形擬合過程中各個驅(qū)動器的控制信號與 其位置坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系可W近似為前面所述的高斯分布公式（1)，即：
[0034]
(i)
[0035] 需要說明的是，A、B表征了不同熱形變情況下驅(qū)動器控制信號的變化，間接表征了 激光能量在變形鏡內(nèi)的積累和傳導(dǎo)。因此，式（1)可W改寫為與激光能量積累和傳導(dǎo)有關(guān) 的形式：
[0036]
卿
[0037] 式中，E表征能量的積累；C表征能量的傳導(dǎo)；a、b為系數(shù)。其中，表征能量積累的 參數(shù)E與入射光功率密度P、激光福照