本發(fā)明涉及激光光束凈化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種激光光束的波前凈化方法。

背景技術(shù)：

高功率板條固體激光器研制中，除了需要提升功率/能量的技術(shù)方案，還必須研究光束控制與提高光束質(zhì)量的問題，具有高功率高光束質(zhì)量的激光才能滿足實際應(yīng)用的需要。在實際工作中，高功率激光系統(tǒng)輸出的激光都有振幅調(diào)制和相位畸變，理論和實驗研究都證明，對于遠場光束質(zhì)量來說，相位畸變是主要影響因素。激光束通過具有一定溫度分布的激光增益介質(zhì)或非理想的光學系統(tǒng)后，其波前會發(fā)生畸變，這種波前畸變通常會隨著激光輸出功率的增加而變得更加嚴重。

高功率板條固體激光器激光波前的畸變中一般包含熱透鏡效應(yīng)等因素引起的低階畸變和溫度不均勻分布、衍射等因素引起的高階畸變，低階畸變可以利用柱面鏡等光學元件進行修正或補償，高階畸變目前基本采用主要由變形鏡組成的自適應(yīng)光學系統(tǒng)進行凈化，這項技術(shù)通常用來凈化大氣擾動引起的相差，用于高功率固體激光系統(tǒng)中也獲得了成功，但是隨高功率固體激光技術(shù)的發(fā)展，激光器的輸出功率越來越高，影響的波前畸變也越來越大，變形鏡系統(tǒng)遇到了一些難以逾越的障礙，一是分辨率不夠，受到技術(shù)水平所限，用于高功率激光波前凈化的變形鏡致動器間距較大(目前國內(nèi)用于高功率激光波前凈化的變形鏡致動器最小間距為8mm)，而高階像差的變化非常復雜，一般都超出了變形鏡的凈化能力范圍，這種情況下的凈化效果較差。二是行程量小，受變形鏡材料限制，變形鏡面形不能在大范圍內(nèi)變化，通常的最大行程在10μm左右，而高功率固體激光系統(tǒng)中如果要提高激光輸出功率激光光束就要通過更長的增益介質(zhì)，相應(yīng)的會產(chǎn)生很大的波前畸變，這就經(jīng)常會超出變形鏡的行程范圍，因此反過來制約了激光功率的進一步提高。

除了以變形鏡為代表的反射式波前凈化器之外，還有透射式的波前凈化器，其中主要有衍射光學元件和透射式液晶空間光調(diào)制器。衍射光學元件是利用了光的波動性，在一片光學材料的基底上做出許多臺階狀的亞微米、微米量級的微結(jié)構(gòu)，當光投射到這些帶有浮雕結(jié)構(gòu)的器件表面時，波前受到調(diào)制，進而實現(xiàn)某些光學功能。主要優(yōu)點是這種元件是純相位型的，有極高的衍射效率，不僅能夠產(chǎn)生任何形式的波前，而且還能對光波波前進行變換和凈化；可以大量復制；實現(xiàn)系統(tǒng)輕型化、集成化。但其用于高功率激光光束凈化時需要準確測量出激光束波前然后再進行光學加工，這就使得其要求激光束有非常好的穩(wěn)定性和重復性，否則波前凈化能力大幅度降低，由于實際工作中高功率固體激光器的調(diào)試和元器件更換等改變是不可避免的，所以激光波前難以保持不變，所以這種方法目前很少用于高功率固體激光光束波前的凈化。液晶光調(diào)制器是以電寫入液晶空間光調(diào)制器為核心，結(jié)合濾波、ccd采集、監(jiān)視器及計算機組成的實時、可調(diào)控的激光光束空間整形系統(tǒng)。它由兩偏振片夾一液晶顯示層構(gòu)成,通過液晶分子的旋光偏振性和雙折射性來實現(xiàn)對入射光束的波面振幅和相位的調(diào)制，即其光學調(diào)制特性主要是旋光偏振性和雙折射性。通過設(shè)置不同的偏振片的相對偏振方位，改變加在液晶像素上的電壓，可獲得相應(yīng)液晶空間光調(diào)制器的調(diào)制模式與調(diào)制特性曲線?，F(xiàn)在最通行的電尋址液晶空間光調(diào)制器是薄膜晶體管透射陣列式液晶電視，這種電尋址液晶空間光調(diào)制器能方便地與計算機接口，在設(shè)定的光學調(diào)制模式下，實現(xiàn)相應(yīng)的單元像素的振幅或相位的調(diào)制。其優(yōu)點是實時可控的凈化波前，缺點是激光損傷閾值較低，僅適用于高功率激光系統(tǒng)前級，但由于高功率激光系統(tǒng)波前畸變主要產(chǎn)生于放大級，如果采用預控制技術(shù)的話有會遇到孔徑限制等難題，所以液晶空間光調(diào)制器目前也較少用于高功率激光系統(tǒng)中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種激光光束的波前凈化方法，能夠解決激光在通過板條后激光光束質(zhì)量退化的問題，保證激光功率不變的同時也能夠滿足光束質(zhì)量的要求，減小因激光器散熱不均勻?qū)е碌臒嶂虏ㄇ盎兒蜔嶂码p折射效應(yīng)，提高激光光束質(zhì)量。

本發(fā)明提供了一種激光光束的波前凈化方法，包括：

將半導體制冷器貼合在光學材料上；

通過調(diào)整所述半導體制冷器的溫度改變所述光學材料中的折射率場分布，以使當帶有波前畸變的激光光束通過所述光學材料時，得到凈化的激光光束。

具體的，所述調(diào)整所述半導體制冷器的溫度包括以下步驟：

通過溫度控制單元控制所述半導體制冷器的溫度，當帶有波前畸變的激光光束通過所述光學材料時得到補償后的波前畸變；

采集所述補償后的波前畸變，當所述補償后的波前畸變達不到凈化的激光光束的要求時，根據(jù)所述補償后的波前畸變的特點得到所述半導體制冷器下一次需要達到的溫度；

繼續(xù)通過溫度控制單元控制所述半導體制冷器的溫度為下一次需要達到的溫度并采集補償后的波前畸變，直到當補償后的波前畸變達到凈化的激光光束的要求。

更加具體的，在所述采集補償后的波前畸變之前還包括：

對所述補償后的波前畸變進行分光。

作為本發(fā)明進一步的實施方案，本發(fā)明所述的激光光束的波前凈化方法，還包括以下步驟：

當所述補償后的波前畸變?yōu)閮艋募す夤馐鴷r，通過溫度傳感器探測并顯示所述半導體制冷器的溫度。

進一步的，所述通過調(diào)整所述半導體制冷器的溫度改變所述光學材料中的折射率場分布，包括：

通過溫度控制單元控制所述半導體制冷器的溫度為所述溫度傳感器探測并顯示的溫度。

具體的，所述半導體制冷器貼合在導熱銅塊上，所述導熱銅塊通過導熱脂貼合在所述光學材料上，所述溫度傳感器放置在所述導熱銅塊內(nèi)。

具體的，在本發(fā)明的激光光束的波前凈化方法中所述溫度控制單元用于控制一個半導體制冷器的溫度，或用于控制由幾個半導體制冷器構(gòu)成的半導體制冷器組的溫度。

具體的，所述光學材料的出射面和入射面上均設(shè)有光學膜或/和增透膜。

具體的，將半導體制冷器貼合在除所述出射面和所述入射面的光學材料的表面。

作為本發(fā)明的另一實施方案，本發(fā)明所述的激光光束的波前凈化方法，還包括以下步驟：

通過改變所述半導體制冷器在所述光學材料上的排布方式，改變所述光學材料中的折射率場分布。

本發(fā)明有益效果如下：

本發(fā)明實施例提供的激光光束的波前凈化方法，使激光通過一塊表面貼有半導體制冷器的光學材料，通過對半導體制冷器的溫度控制改變光學材料內(nèi)的溫度場分布，由于光學材料的折射率隨溫度變化的特性，當激光束通過該光學材料后，對應(yīng)光學材料不同位置處光程會形成差異，通過對光程差的控制從而實現(xiàn)對激光波前的控制，即實現(xiàn)對激光波前畸變的補償，能夠解決激光在通過板條后激光光束質(zhì)量退化的問題，保證激光功率不變的同時也能夠滿足光束質(zhì)量的要求，減小因激光器散熱不均勻?qū)е碌臒嶂虏ㄇ盎兒蜔嶂码p折射效應(yīng)，提高激光光束質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的激光光束的波前凈化方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實例1中導熱銅塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實例1中tec單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實例2中激光光束的波前凈化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖及光路圖；

圖5是本發(fā)明實例2中tec單元的排布方式示意圖；

圖6是本發(fā)明實例3中激光光束的波前凈化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖及光路圖；

圖7是本發(fā)明實例3中tec單元的排布方式的側(cè)視圖；

圖8是本發(fā)明實例3中tec單元在光學材料一側(cè)的排布方式示意圖；

圖9是本發(fā)明實例3中tec單在光學材料另一側(cè)的排布方式示意圖；

其中，10、波前畸變的激光；20、凈化后的激光光束；30、tec單元；31、半導體制冷器tec；32、導熱銅塊；32、熱敏電阻；40、光學材料；50、分束鏡；60、四波橫向剪切儀；70、溫度控制單元。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應(yīng)當理解，可以以各種形式實現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中激光在通過板條后激光光束質(zhì)量退化的問題，本發(fā)明提供了一種激光光束的波前方法，以下結(jié)合附圖以及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種激光光束的波前凈化方法，圖1是本發(fā)明實施例的激光光束的波前凈化方法的流程圖，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的激光光束的波前凈化方法包括如下處理：

步驟101：將半導體制冷器貼合在光學材料上。

具體的，將半導體制冷器貼合除所述出射面和所述入射面的在光學材料的表面。

具體的，應(yīng)選取對激光透過率高的光學材料，不同激光波長應(yīng)選用不同透過率波段的光學材料，如1064nm激光可以選用釹玻璃、nd:yag晶體或陶瓷等，將光學材料加工成各種立體結(jié)構(gòu)，以長方體為例，可以將光學材料的兩個表面拋光鍍膜，作為激光光束的入射面和出射面。

所述的光學材料表面的光學膜為二氧化硅膜，厚度為2～5μm，根據(jù)激光波長，鍍有相應(yīng)波長的增透膜，光學材料的厚度可以根據(jù)入射激光的尺寸進行調(diào)整，對于板條固體激光器而言，光學材料厚度一般為1～5mm。

步驟102：通過調(diào)整所述半導體制冷器的溫度改變所述光學材料中的折射率場分布，以使當帶有波前畸變的激光光束通過所述光學材料時，得到凈化的激光光束。

具體的，所述調(diào)整所述半導體制冷器的溫度包括以下步驟：

通過溫度控制單元控制所述半導體制冷器的溫度，當帶有波前畸變的激光光束通過所述光學材料時得到補償后的波前畸變；

采集所述補償后的波前畸變，當所述補償后的波前畸變達不到凈化的激光光束的要求時，根據(jù)所述補償后的波前畸變的特點得到所述半導體制冷器下一次需要達到的溫度；

繼續(xù)通過溫度控制單元控制所述半導體制冷器的溫度為下一次需要達到的溫度并采集補償后的波前畸變，直到當補償后的波前畸變達到凈化的激光光束的要求。

在本發(fā)明實施例中通過剪切干涉儀來采集所述補償后的波前畸變。所述補償后的波前畸變的特點包括波前畸變的幅值和變化頻率等。

更加具體的，在所述采集補償后的波前畸變之前還包括：

對所述補償后的波前畸變進行分光。具體的，可采用分束鏡對所述補償后的波前畸變進行分光。

可選的，在本發(fā)明的激光光束的波前凈化方法中所述溫度控制單元用于控制一個半導體制冷器的溫度，或用于控制由幾個半導體制冷器構(gòu)成的半導體制冷器組的溫度。

作為本發(fā)明實施例的進一步的實施方案，本發(fā)明實施例所述的激光光束的波前凈化方法，還包括以下步驟：

當所述補償后的波前畸變?yōu)閮艋募す夤馐鴷r，通過溫度傳感器探測并顯示所述半導體制冷器的溫度。

進一步的，所述通過調(diào)整所述半導體制冷器的溫度改變所述光學材料中的折射率場分布，包括：

通過溫度控制單元控制所述半導體制冷器的溫度為所述溫度傳感器探測并顯示的溫度。采用上述技術(shù)方案，可以直接將所述半導體制冷器的溫度調(diào)整到合適的溫度，使當帶有波前畸變的激光光束通過所述光學材料時，得到凈化的激光光束。

具體的，所述半導體制冷器貼合在導熱銅塊上，所述導熱銅塊通過導熱脂貼合在所述光學材料上，所述溫度傳感器放置在所述導熱銅塊內(nèi)。所述溫度傳感器可以為熱敏電阻。所述導熱脂的厚度要保持一致。

作為本發(fā)明實施例的另一實施方案，本發(fā)明所述的激光光束的波前凈化方法，還包括以下步驟：

通過改變所述半導體制冷器在所述光學材料上的排布方式，改變所述光學材料中的折射率場分布。

所述半導體制冷器可以貼合在光學材料的一面，或相對的兩面，雙側(cè)粘合的優(yōu)點是增加了凈化器的空間分辨率和凈化量，缺點是增加了系統(tǒng)的復雜度，具體可根據(jù)激光波前分布情況決定，改變水平方向的半導體制冷器的數(shù)量可以改變凈化量，改變垂直方向的半導體制冷器的數(shù)量和間距可以改變對高階像差的凈化能力。

同時，在板條激光器輸出高功率激光時，光學材料對激光的吸收會引起光學材料整體溫度升高，影響折射率場的分布，因此可以在光學材料的另一側(cè)貼合一整塊的半導體制冷器，用來散去光學材料吸收的多余熱量，從而得到期望的折射率場分布，達到最佳的波前凈化效果。

本發(fā)明針對高功率板條固體激光器提出一種折射率分布式的波前凈化方法：讓激光通過一塊側(cè)面貼有半導體制冷器的光學材料，通過對半導體制冷器的溫度控制改變光學材料內(nèi)的溫度場分布，由于光學材料的折射率隨溫度變化的特性，當激光束通過該光學材料后，對應(yīng)光學材料不同位置處光程會形成差異，通過對光程差的控制從而實現(xiàn)對激光波前的控制，即實現(xiàn)對激光波前畸變的補償。同時，通過設(shè)計半導體制冷器的排放方式(陣列的數(shù)量及間距)，可以精細改變光學材料中的折射率場分布，進而補償不同板條固體激光器的波前畸變。通過剪切干涉儀用來實時探測通過光學材料后的激光波前，據(jù)此動態(tài)調(diào)節(jié)光學材料的折射率場分布，從而實現(xiàn)對激光波前畸變的開環(huán)或閉環(huán)凈化。

本發(fā)明提供的方法能夠解決激光在通過板條后激光光束質(zhì)量退化的問題，保證激光功率不變的同時也能夠滿足光束質(zhì)量的要求，減小因激光器散熱不均勻?qū)е碌臒嶂虏ㄇ盎兒蜔嶂码p折射效應(yīng)，提高激光光束質(zhì)量，相比傳統(tǒng)補償方法，本發(fā)明還具有以下優(yōu)點：

1.根據(jù)激光波前畸變的特點(波前畸變的幅值與變化頻率)，通過計算，可以實時調(diào)整半導體制冷器的排放方式，從而達到最佳的凈化效果。

2.技術(shù)上容易實現(xiàn)，調(diào)節(jié)簡單，成本低廉。

3.可以實現(xiàn)對激光波前畸變的開環(huán)或閉環(huán)凈化。

為了詳細的說明本發(fā)明實施例給出以下實例。

實例1

一種適用于板條固體激光器的折射率分布式波前凈化方法，包括下列步驟：

①光學材料處理：選取對激光透過率高的光學材料，不同激光波長應(yīng)選用不同透過率波段的光學材料，如1064nm激光可以選用釹玻璃、nd:yag晶體或陶瓷等，將光學材料加工成各種立體結(jié)構(gòu)，以長方體為例，可以將光學材料的兩個表面拋光鍍膜，作為激光光束的入射面和出射面；

②制作tec單元：所述tec單元由tec貼片30(半導體制冷器tec)，熱敏電阻32及導熱銅塊31組成，導熱銅塊31結(jié)構(gòu)如圖3所示，尺寸為3×4×5(mm)，其中，的的圓孔凹槽用來放置熱敏電阻32；導熱銅塊314×5(mm)的兩面一側(cè)與tec工作面貼合，另一側(cè)涂導熱脂與光學材料40貼合，結(jié)構(gòu)如圖3所示；

③緊貼光學材料的導熱脂厚度要保持一致；

④使用四波橫向剪切干涉儀(sid4)測量激光波前，根據(jù)畸變波前特點決定tec單元的使用數(shù)量與排布方式；

⑤tec單元可以只排布在光學材料的一側(cè)，也可以在光學材料的兩側(cè)都粘合tec單元陣列，雙側(cè)粘合的優(yōu)點是增加了凈化器的空間分辨率和凈化量，缺點是增加了系統(tǒng)的復雜度，具體可根據(jù)激光波前分布情況決定，改變水平方向的tec單元數(shù)量可以改變凈化量，改變垂直方向的tec單元數(shù)量和間距可以改變對高階像差的凈化能力。

⑥在板條激光器輸出高功率激光時，光學材料對激光的吸收會引起光學材料整體溫度升高，影響折射率場的分布，因此可以在光學材料的另一側(cè)貼合一整塊的tec單元，用來散去光學材料吸收的多余熱量，從而得到期望的折射率場分布，達到最佳的波前凈化效果。

所述的光學材料表面的光學膜為二氧化硅膜，厚度為2～5μm，根據(jù)激光波長，鍍有相應(yīng)波長的增透膜，光學材料的厚度可以根據(jù)入射激光的尺寸進行調(diào)整，對于板條固體激光器而言，光學材料厚度一般為1-5mm。

所述的tec單元導熱脂厚度為1-3mm，厚度需盡量保持一致，保證熱傳導的一致性。

所述的導熱銅塊與熱敏電阻通過504膠粘合，導熱銅塊與tec貼片通過504膠粘合，避免在使用過程中脫落。

通過溫度控制單元控制每一個tec單元的溫度，也可以控制按照一定排列的幾個tec單元構(gòu)成的tec組的溫度。

實例2

如圖4所示，激光波長為1064nm，光學材料40在激光入射面和出射面上鍍有1064nm增透膜，波前畸變的激光10(也可稱為激光畸變波前)通過光學材料40后，經(jīng)過分束鏡50分光，分出的一束弱光由四波橫向剪切干涉儀60對激光波前進行測量，光學材料40的一側(cè)粘合有tec單元30陣列，通過采集畸變波前信息，控制tec單元30陣列的溫度分布，對畸變波前進行凈化，得到凈化后的激光光束20。tec單元30排布方式如圖5所示，采用3*3的陣列，間隔5mm。

實例3

光路如圖6所示，激光波長為1064nm，光學材料40在激光入射面和出射面上鍍有1064nm增透膜，波前畸變的激光10(也可稱為激光畸變波前)通過光學材料40后，經(jīng)過分束鏡50分光，分出的一束弱光由四波橫向剪切干涉儀60對激光波前進行測量，光學材料40的兩側(cè)均粘合有tec單元30陣列，通過采集畸變波前信息，控制tec單元30陣列的溫度分布，對畸變波前進行凈化，得到凈化后的激光光束20。圖7是本發(fā)明實例3中tec單元的排布方式的側(cè)視圖，兩個面的tec單元陣列位置是錯開的，這樣排布的好處是增加了凈化器的空間分辨率，增強了對復雜像差的凈化能力。tec單元30在光學材料一側(cè)的排布方式如圖8所示，一面采用3*3的陣列，間隔5mm，另一側(cè)采用2*3的陣列，間隔5mm，如圖9所示。

本發(fā)明利用光學材料的折射率變化改變激光光束波前，可以用來凈化板條固體激光光束波前畸變：即將陣列熱源加載在光學材料上，當溫度平衡后就會在光學材料內(nèi)部形成折射率分布場，當激光光束通過這個光學材料的時候其波前就會產(chǎn)生變化，控制折射率場的變化就可以改變激光波前分布。該光束凈化系統(tǒng)包括一塊經(jīng)過加工的光學材料、半導體制冷器(tec)陣列；光學材料與半導體制冷器(tec)陣列通過導熱脂連接，通過tec溫度的改變控制光學材料中的折射率場分布，通過設(shè)計tec陣列的數(shù)量及間距，可以精細改變光學材料中的折射率場分布，進而補償不同板條固體激光器的波前畸變。四波橫向剪切干涉儀用來實時探測通過光學材料后的激光波前，據(jù)此動態(tài)調(diào)節(jié)光學材料的折射率場分布，從而實現(xiàn)對激光波前畸變的開環(huán)或閉環(huán)凈化。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。