搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法

何婷 田博宇 邱蝶 张彬

引用本文:
Citation:

基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法

何婷, 田博宇, 邱蝶, 张彬

Novel method of improving beam quality of thin-wall tube laser based on right-angle cone deformable mirror

He Ting, Tian Bo-Yu, Qiu Die, Zhang Bin
PDF
HTML
导出引用
  • 针对大遮拦比窄环宽薄管激光光束质量提升需求, 提出了一种基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法. 采用直角锥面实现薄管激光离轴像差的自校正, 再利用驱动单元控制直角锥面变形镜的形变来进一步校正残余像差, 进而实现对薄管激光光束质量的提升. 以48单元直角锥面变形镜为例, 利用有限元分析方法建立了直角锥面变形镜的物理模型, 分析了直角锥面变形镜对薄管激光畸变波前的校正能力. 结果表明, 基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法能够有效校正大遮拦比窄环宽薄管激光的波前畸变, 显著提升薄管激光光束质量.
    Aiming at improving the beam quality of thin-wall tube laser, a novel method based on the right-angle cone deformable mirror is proposed. In the method, a reflector with inner right-angle conical surface is used, and the annular laser beam successively passes through the opposite sides of the tube, compensating for the off-axis aberrations of the annular laser beam. Next, the residual aberrations are corrected by the deformation of the right-angle cone mirror to further improve the beam quality. The physical model of the right-angle cone deformable mirror is built up by using the finite element analysis method, followed by optimizing the structural parameters of the right-angle cone deformable mirror. The preliminarily optimized right-angle cone deformable mirror drived by 48 actuators with a radius of 1.5 mm for each actuator and an interval of 11 mm between actuators is then utilized to correct the beam quality of the thin-wall tube laser. Results indicate that the output beam quality of the thin-wall tube laser degrades rapidly with the increasing of the tube’s concentricity error, parallelism error, taper error and source’s parallelism error. Fortunately, the beam quality is significantly improved by using the right-angle cone deformable mirror and the β factor greatly decreases. In addition, the performance of the non-ideal right-angle cone deformable mirror with a 20-μrad taper error and a 10-mrad collimation error is compared with that of the ideal mirror, and the results show that the β factor is controlled within 1.14 after having been corrected by the non-ideal right-angle cone deformable mirror. Therefore, the simulation results theoretically prove that the novel method can effectively eliminate the typical aberrations caused by the errors from fabrication and alignment and correct the wavefront distortion of the large-aperture thin-wall tube laser, thus significantly improving the beam quality.
      通信作者: 张彬, zhangbinff@sohu.com
    • 基金项目: 四川省科技计划项目(批准号: 2018JY0553)和中国科学院自适应光学重点实验室基金(批准号: LAOF1801)资助的课题
      Corresponding author: Zhang Bin, zhangbinff@sohu.com
    • Funds: Project supported by the Sichuan Provincial Science and Technology Program, China (Grant No. 2018JY0553) and the Key Laboratory on Adaptive Optics, Chinese Academy of Sciences (Grant No. LAOF1801)
    [1]

    董俊, 王光宇, 任滢滢 2013 中国激光 40 27Google Scholar

    Dong J, Wang G Y, Ren Y Y 2013 Chin. J. Laser. 40 27Google Scholar

    [2]

    Wittrock U, Weber H, Eppich B 1991 Opt. Lett. 16 1092Google Scholar

    [3]

    Clarkson W A, Shori R K, Savich M 2015 Conference on Solid State Lasers San Francisco, USA, February 7, 2015 p934216

    [4]

    李宁, 张伟桥, 刘洋, 唐晓军 2018 中国激光 45 17Google Scholar

    Li N, Zhang W Q, Liu Y, Tang X J 2018 Chin. J. Las. 45 17Google Scholar

    [5]

    李密, 周唐建, 徐浏, 高清松, 章健, 邬映臣, 汪丹, 胡浩, 唐淳, 于益, 吴振海, 李建民, 石勇, 赵娜 2018 光学学报 38 198Google Scholar

    Li M, Zhou T J, Xu L, Gao Q S, Zhang J, Wu Y C, Wang D, Hu H, Tang C, Yu Y, Wu Z H, Li J M, Shi Y, Zhao N 2018 Acta Opt. Sin. 38 198Google Scholar

    [6]

    Tian B Y, Zhong Z Q, Huang C 2019 IEEE Photonics J. 11 1Google Scholar

    [7]

    Burger L, Litvin I, Ngcobo S, Forbes A 2015 J. Opt. 17 015604Google Scholar

    [8]

    Cornelissen S A, Bierden P A, Bifano T G, Lam C V 2009 J. Micro-Nanolith. Mem. 8 767Google Scholar

    [9]

    Tokovinin A, Thomas S, Vdovin G 2004 SPIE Proceedings Advancements in Adaptive Optics Glasgow, USA, October 25, 2004 p580

    [10]

    Li M, Hu H, Gao Q S, Wang J T, Zhang J, Wu Y C, Zhou T J, Xu L, Tang C, Zhao N, Liu P 2017 IEEE Photonics J. 9 1Google Scholar

    [11]

    晏虎, 雷翔, 刘文劲, 王帅, 高源, 董理治, 杨平, 许冰 2012 强激光与粒子束 24 1663Google Scholar

    Yan H, Lei X, Liu W J, Wang S, Gao Y, Dong L Z, Yang P, Xu B 2012 High Pow. Las. Part. Beam. 24 1663Google Scholar

    [12]

    Yang P, Ning Y, Lei X 2010 Opt. Express 18 7121Google Scholar

    [13]

    Vdovin G, Loktev M, Simonov A, Gruneisen M T, Gonglewski J D, Giles M K 2005 SPIE Optics + Photonics San Diego, USA, August 18, 2005 p5894940 B

    [14]

    Wittrock U, Verpoort S 2010 Appl. Opt. 49 G37Google Scholar

    [15]

    Verpoort S, Rausch P, Wittrock U 2012 SPIE Proceedings Mems Adaptive Optics VI San Francisco, USA, January 21, 2012 p852909

    [16]

    Bayanna A R, Louis R E, Chatterjee S, Mathew S K, Venkatakrishnan P 2015 Appl. Opt 54 1727Google Scholar

    [17]

    Lu J S, Su G 2012 SPIE Optical Engineering + Applications San Diego, USA, October 17, 2012 p84880D

    [18]

    Bartsch D U, Freeman W R, Fainman Y, Zhu L, Sun P C 1999 Appl. Opt. 38 168Google Scholar

    [19]

    Wallace Ce B P, Hampton P J, Bradley C H, Conan R 2006 Opt. Express 14 10132Google Scholar

    [20]

    Guzmán D, Juez F, Myers R, Guesalaga A, Lasheras F S 2010 Opt. Express 18 21356Google Scholar

    [21]

    Mathur V, Vangala S R, Qian X, Goodhue W D, Khoury J 2009 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics Tampa, USA, August 17, 2009 p156

    [22]

    Hembrecht M A, He M, Kempf C J, Olivier S S, Bifano T G, Kubby J 2012 MEMS Adaptive Optics VI San Francisco, USA, February 6, 2012 p825307

    [23]

    Sun C, Lei H, Wang D, Deng X, Zheng Y 2019 Opt. Express 27 9215Google Scholar

    [24]

    Wittrock U, Weber H, Eppich B 1989 Fourth International Meeting of the EUREKA HPSSL Project EU226 Berlin, Germany, October 12, 1989 p1175

    [25]

    Loiko P A, Yumashev K V, Kuleshov N V, Savitski V G, Calvez S, Burns D 2009 Opt. Express 17 23536Google Scholar

    [26]

    Tashiro W H 2000 Opt. Commun. 175 189Google Scholar

    [27]

    Tian B Y, Yu J C, Zhang B 2020 Opt. Eng. 59 1Google Scholar

    [28]

    Harvey J E, Callahan G M 1978 Adaptive Optical Components I, Washington, D. C., USA, August 8, 1978 p50

    [29]

    李佳, 田博宇, 余江川, 张彬 2021 中国激光 48 67Google Scholar

    Li J, Tian B Y, Yu J C 2021 Chin. J. Las. 48 67Google Scholar

  • 图 1  基于直角锥面变形镜的薄管激光畸变波前校正原理示意图

    Fig. 1.  The principle schematic diagram of tube laser distortion wavefront correction based on the right-angle cone deformable mirror.

    图 2  直角锥面变形镜驱动器分布示意图 (a) 变形镜后表面视图; (b) 变形镜侧视图

    Fig. 2.  Schematic diagram of drive units arrangement of the right-angle cone deformable mirror: (a) Rear surface of deformable mirror; (b) side view of deformable mirror

    图 3  等效变形镜示意图

    Fig. 3.  The diagram of equivalent deformable mirror.

    图 4  坐标变换示意图

    Fig. 4.  The diagram of coordinate transformation.

    图 5  薄管同心度误差为1 μm时的波像差分解及远场光强分布 (a) 薄管同心度误差1 μm时畸变波前波像差分解; (b) 远场光强分布

    Fig. 5.  The wavefront aberration decomposition and far-filed intensity distributions with the concentricity error of 1 μm: (a) The wavefront aberration decomposition; (b) far-filed intensity distribution.

    图 6  直角锥面变形镜的参数优化 (a) 环域离焦残余波前PV值随驱动器半径与主驱动器径向间距的变化; (b) 环域像散残余波前PV值随驱动器半径与主驱动器径向间距的变化

    Fig. 6.  Parameters optimization: (a) The PV variation of annular defocusing residual wavefront; (b) the PV variation of annular astigmatism residual wavefront.

    图 7  校正前后β因子变化 (a) β因子随薄管同心度误差变化; (b) β因子随薄管平行度误差变化; (c) β因子随薄管锥度误差变化; (d) β因子随光源平行度误差变化

    Fig. 7.  The curves of β factor: (a) Tube’s concentricity error; (b) tube’s parallelism error; (c) tube’s taper error; (d) source’s parallelism error.

    图 8  多误差耦合作用下校正前后远场光强分布及β因子 (a) Δx = 1 μm, Δθ = 5 μrad, Δθa = 100 μrad, Δθs = 100 μrad; (b) Δx = 0.5 μm, Δθ = 15 μrad, Δθa = 150 μrad, Δθs = 200 μrad; (c) Δx = 1 μm, Δθ = 10 μrad, Δθa = 200 μrad, Δθs = 150 μrad

    Fig. 8.  Far-filed intensity distributions and β factor before and after correction under multi-error coupling: (a) Δx = 1 μm, Δθ = 5 μrad, Δθa = 100 μrad, Δθs = 100 μrad; (b) Δx = 0.5 μm; Δθ = 15 μrad; Δθa = 150 μrad; Δθs = 200 μrad; (c) Δx = 1 μm, Δθ = 10 μrad, Δθa = 200 μrad; Δθs = 150 μrad.

    图 9  非理想直角锥面变形镜校正后远场光强分布及β因子 (a) Δx = 1 μm, Δθ = 5 μrad, Δθa = 100 μrad, Δθs = 100 μrad; (b) Δx = 0.5 μm, Δθ = 15 μrad, Δθa = 150 μrad, Δθs = 200 μrad; (c) Δx = 1 μm, Δθ = 10 μrad, Δθa = 200 μrad, Δθs = 150 μrad

    Fig. 9.  Comparisons of far-filed intensity distribution and β factor under nonideal circumstances: (a) Δx = 1 μm, Δθ = 5 μrad, Δθa = 100 μrad, Δθs = 100 μrad; (b) Δx = 0.5 μm, Δθ = 15 μrad, Δθa = 150 μrad, Δθs = 200 μrad; (c) Δx = 1 μm, Δθ = 10 μrad, Δθa = 200 μrad, Δθs = 150 μrad.

    表 1  材料力学参数

    Table 1.  Material parameters.

    ParametersBK7PZT
    Young’s mudulus/Gpa8170
    Poisson’s ratio0.170.33
    Density/(kg·m–3)24007700
    下载: 导出CSV

    表 2  直角锥面变形镜变形镜结构参数

    Table 2.  The parameters of the right-angle cone deformable mirror.

    ParametersValueParametersValue
    ri26 mmH30.7 mm
    ro31 mmΔHsub25 mm
    α45°ΔHmain11 mm
    γ30°ΔCsub_o19.5 mm
    rDi11.2 mmΔCsub_i10.3 mm
    rDo41.8 mmΔCmain_o16.9 mm
    RDi13.2 mmΔCmain_i12.9 mm
    RDo43.8 mm
    下载: 导出CSV
  • [1]

    董俊, 王光宇, 任滢滢 2013 中国激光 40 27Google Scholar

    Dong J, Wang G Y, Ren Y Y 2013 Chin. J. Laser. 40 27Google Scholar

    [2]

    Wittrock U, Weber H, Eppich B 1991 Opt. Lett. 16 1092Google Scholar

    [3]

    Clarkson W A, Shori R K, Savich M 2015 Conference on Solid State Lasers San Francisco, USA, February 7, 2015 p934216

    [4]

    李宁, 张伟桥, 刘洋, 唐晓军 2018 中国激光 45 17Google Scholar

    Li N, Zhang W Q, Liu Y, Tang X J 2018 Chin. J. Las. 45 17Google Scholar

    [5]

    李密, 周唐建, 徐浏, 高清松, 章健, 邬映臣, 汪丹, 胡浩, 唐淳, 于益, 吴振海, 李建民, 石勇, 赵娜 2018 光学学报 38 198Google Scholar

    Li M, Zhou T J, Xu L, Gao Q S, Zhang J, Wu Y C, Wang D, Hu H, Tang C, Yu Y, Wu Z H, Li J M, Shi Y, Zhao N 2018 Acta Opt. Sin. 38 198Google Scholar

    [6]

    Tian B Y, Zhong Z Q, Huang C 2019 IEEE Photonics J. 11 1Google Scholar

    [7]

    Burger L, Litvin I, Ngcobo S, Forbes A 2015 J. Opt. 17 015604Google Scholar

    [8]

    Cornelissen S A, Bierden P A, Bifano T G, Lam C V 2009 J. Micro-Nanolith. Mem. 8 767Google Scholar

    [9]

    Tokovinin A, Thomas S, Vdovin G 2004 SPIE Proceedings Advancements in Adaptive Optics Glasgow, USA, October 25, 2004 p580

    [10]

    Li M, Hu H, Gao Q S, Wang J T, Zhang J, Wu Y C, Zhou T J, Xu L, Tang C, Zhao N, Liu P 2017 IEEE Photonics J. 9 1Google Scholar

    [11]

    晏虎, 雷翔, 刘文劲, 王帅, 高源, 董理治, 杨平, 许冰 2012 强激光与粒子束 24 1663Google Scholar

    Yan H, Lei X, Liu W J, Wang S, Gao Y, Dong L Z, Yang P, Xu B 2012 High Pow. Las. Part. Beam. 24 1663Google Scholar

    [12]

    Yang P, Ning Y, Lei X 2010 Opt. Express 18 7121Google Scholar

    [13]

    Vdovin G, Loktev M, Simonov A, Gruneisen M T, Gonglewski J D, Giles M K 2005 SPIE Optics + Photonics San Diego, USA, August 18, 2005 p5894940 B

    [14]

    Wittrock U, Verpoort S 2010 Appl. Opt. 49 G37Google Scholar

    [15]

    Verpoort S, Rausch P, Wittrock U 2012 SPIE Proceedings Mems Adaptive Optics VI San Francisco, USA, January 21, 2012 p852909

    [16]

    Bayanna A R, Louis R E, Chatterjee S, Mathew S K, Venkatakrishnan P 2015 Appl. Opt 54 1727Google Scholar

    [17]

    Lu J S, Su G 2012 SPIE Optical Engineering + Applications San Diego, USA, October 17, 2012 p84880D

    [18]

    Bartsch D U, Freeman W R, Fainman Y, Zhu L, Sun P C 1999 Appl. Opt. 38 168Google Scholar

    [19]

    Wallace Ce B P, Hampton P J, Bradley C H, Conan R 2006 Opt. Express 14 10132Google Scholar

    [20]

    Guzmán D, Juez F, Myers R, Guesalaga A, Lasheras F S 2010 Opt. Express 18 21356Google Scholar

    [21]

    Mathur V, Vangala S R, Qian X, Goodhue W D, Khoury J 2009 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics Tampa, USA, August 17, 2009 p156

    [22]

    Hembrecht M A, He M, Kempf C J, Olivier S S, Bifano T G, Kubby J 2012 MEMS Adaptive Optics VI San Francisco, USA, February 6, 2012 p825307

    [23]

    Sun C, Lei H, Wang D, Deng X, Zheng Y 2019 Opt. Express 27 9215Google Scholar

    [24]

    Wittrock U, Weber H, Eppich B 1989 Fourth International Meeting of the EUREKA HPSSL Project EU226 Berlin, Germany, October 12, 1989 p1175

    [25]

    Loiko P A, Yumashev K V, Kuleshov N V, Savitski V G, Calvez S, Burns D 2009 Opt. Express 17 23536Google Scholar

    [26]

    Tashiro W H 2000 Opt. Commun. 175 189Google Scholar

    [27]

    Tian B Y, Yu J C, Zhang B 2020 Opt. Eng. 59 1Google Scholar

    [28]

    Harvey J E, Callahan G M 1978 Adaptive Optical Components I, Washington, D. C., USA, August 8, 1978 p50

    [29]

    李佳, 田博宇, 余江川, 张彬 2021 中国激光 48 67Google Scholar

    Li J, Tian B Y, Yu J C 2021 Chin. J. Las. 48 67Google Scholar

  • [1] 黄梓樾, 邓宇, 季小玲. 球差对高功率激光上行大气传输光束质量的影响. 物理学报, 2021, 70(23): 234202. doi: 10.7498/aps.70.20211226
    [2] 张志伦, 张芳芳, 林贤峰, 王世杰, 曹驰, 邢颍滨, 廖雷, 李进延. 国产部分掺杂光纤实现3 kW全光纤激光振荡输出. 物理学报, 2020, 69(23): 234205. doi: 10.7498/aps.69.20200620
    [3] 刘景良, 陈薪羽, 王睿明, 吴春婷, 金光勇. 基于中红外光参量振荡器光束质量优化的90°像旋转四镜非平面环形谐振腔型设计与分析. 物理学报, 2019, 68(17): 174201. doi: 10.7498/aps.68.20182001
    [4] 张艳艳, 陈苏婷, 葛俊祥, 万发雨, 梅永, 周晓彦. 自适应非凸稀疏正则化下自适应光学系统加性噪声的去除. 物理学报, 2017, 66(12): 129501. doi: 10.7498/aps.66.129501
    [5] 姜曼, 马鹏飞, 周朴, 王小林. 基于多层电介质光栅光谱合成的光束质量. 物理学报, 2016, 65(10): 104203. doi: 10.7498/aps.65.104203
    [6] 刘章文, 李正东, 周志强, 袁学文. 基于模糊控制的自适应光学校正技术. 物理学报, 2016, 65(1): 014206. doi: 10.7498/aps.65.014206
    [7] 凡木文, 黄林海, 李梅, 饶长辉. 抑制光束抖动的压电倾斜镜高带宽控制. 物理学报, 2016, 65(2): 024209. doi: 10.7498/aps.65.024209
    [8] 郭友明, 马晓燠, 饶长辉. 自适应光学系统倾斜校正回路的最优闭环带宽. 物理学报, 2014, 63(6): 069502. doi: 10.7498/aps.63.069502
    [9] 郭建增, 刘铁根, 牛志峰, 任晓明. 不同振荡放大比MOPA型化学激光器的数值模拟. 物理学报, 2013, 62(7): 074203. doi: 10.7498/aps.62.074203
    [10] 刘超, 胡立发, 穆全全, 曹召良, 胡红斌, 张杏云, 芦永军, 宣丽. 用于开环液晶自适应光学系统的模式预测技术研究. 物理学报, 2012, 61(12): 129501. doi: 10.7498/aps.61.129501
    [11] 陶汝茂, 司磊, 马阎星, 邹永超, 周朴. 高能光纤激光经准直系统后的光束质量研究. 物理学报, 2011, 60(10): 104208. doi: 10.7498/aps.60.104208
    [12] 周丽丹, 粟敬钦, 李平, 王文义, 刘兰琴, 张颖, 张小民. 高功率固体激光装置光学元件"缺陷"分布与光束近场质量的定量关系研究. 物理学报, 2011, 60(2): 024202. doi: 10.7498/aps.60.024202
    [13] 白福忠, 饶长辉. 自参考干涉波前传感器中针孔直径对闭环自适应光学系统校正精度的影响. 物理学报, 2010, 59(11): 8280-8286. doi: 10.7498/aps.59.8280
    [14] 王文鹏, 许周速, 徐军, 陈钢. 封离式He-N2-CO2激光器横模特性的测量与分析. 物理学报, 2009, 58(8): 5423-5428. doi: 10.7498/aps.58.5423
    [15] 宁禹, 余浩, 周虹, 饶长辉, 姜文汉. 20单元双压电片变形镜的性能测试与闭环校正实验研究. 物理学报, 2009, 58(7): 4717-4723. doi: 10.7498/aps.58.4717
    [16] 潘雷雷, 张彬, 阴素芹, 张艳. 掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析. 物理学报, 2009, 58(12): 8289-8296. doi: 10.7498/aps.58.8289
    [17] 王 宁, 陆雨田, 李晓莉, 焦志勇. InnoSlab混合腔输出光束质量的理论研究. 物理学报, 2008, 57(9): 5632-5638. doi: 10.7498/aps.57.5632
    [18] 李超宏, 鲜 浩, 姜文汉, 饶长辉. 用于白天自适应光学的波前探测方法分析. 物理学报, 2007, 56(7): 4289-4296. doi: 10.7498/aps.56.4289
    [19] 王屹山, 程光华, 刘青, 孙传东, 赵卫, 陈国夫. 可用于超精细加工的高重复率、高光束质量飞秒再生放大脉冲的产生研究. 物理学报, 2004, 53(1): 87-92. doi: 10.7498/aps.53.87
    [20] 王石语, 过 振, 傅君眉, 蔡德芳, 文建国, 唐映德. 抽运光分布对二极管抽运激光器振荡光光束质量的影响. 物理学报, 2004, 53(9): 2995-3003. doi: 10.7498/aps.53.2995
计量
  • 文章访问数:  1592
  • PDF下载量:  36
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-31
  • 修回日期:  2021-04-26
  • 上网日期:  2021-06-07
  • 刊出日期:  2021-09-05

基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法

    基金项目: 四川省科技计划项目(批准号: 2018JY0553)和中国科学院自适应光学重点实验室基金(批准号: LAOF1801)资助的课题

摘要: 针对大遮拦比窄环宽薄管激光光束质量提升需求, 提出了一种基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法. 采用直角锥面实现薄管激光离轴像差的自校正, 再利用驱动单元控制直角锥面变形镜的形变来进一步校正残余像差, 进而实现对薄管激光光束质量的提升. 以48单元直角锥面变形镜为例, 利用有限元分析方法建立了直角锥面变形镜的物理模型, 分析了直角锥面变形镜对薄管激光畸变波前的校正能力. 结果表明, 基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法能够有效校正大遮拦比窄环宽薄管激光的波前畸变, 显著提升薄管激光光束质量.

English Abstract

    • “之”字形光路薄管固体激光器(solid-state zigzag tube lasers, SSZTLs)作为一种新型固体激光光源[1], 具有输出功率高、无边界效应、热稳定性强及结构紧凑等突出优势[2-5], 在强激光技术领域具有潜在的应用价值. 然而, 由于其增益介质呈管状结构, SSZTLs对加工误差及装调偏差极为敏感[6], 导致其输出光束质量较差, 难以满足应用需求. 特别是SSZTLs的输出光束具有大口径、大遮拦比的特点, 其输出光束质量管控具有极高的难度与挑战[7-10]. 基于自适应光学的光束净化技术在利用变形镜补偿光束波前畸变[11], 改善激光器光束质量的同时, 还能够有效地提高激光器的输出功率[12]. 传统的双压电变形镜[13-15]、薄膜变形镜[16-18]、微机电变形镜[19-22]受限于驱动器空间密度与口径等问题, 均难以适用于这类大口径窄环宽环形光束的校正. Sun等[23]提出了一种掠入射式桶形变形镜, 利用轴棱锥对窄环宽环形光束进行整形, 使其掠入射至桶形变形镜反射面, 通过大幅增加光束有效面积来改善校正效果, 出射光束最终再通过一组轴棱锥整形恢复为原始光强分布.

      当SSZTLs存在加工误差和装调偏差时, 输出光束存在一系列以倾斜、离焦、像散和慧差为主的低阶波像差[24-26], 严重影响光束质量. 通过引入直角锥面反射镜可使光束传输路径沿薄管径向翻转, 并再次返回管状增益介质内部传输, 实现离轴像差的校正[27]. 在此基础上, 本文进一步提出基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量提升新方法, 即通过直角锥面的离轴像差自补偿效应实现离轴像差的校正, 而通过控制直角锥面变形镜的驱动单元实现残余像差的校正, 从而实现薄管激光光束质量的全面提升. 同时, 其对薄管激光器的体积影响较小, 且能够有效地提高薄管激光器的输出功率. 以48单元直角锥面变形镜为例, 基于薄管激光具有的波像差特性, 对直角锥面变形镜的结构参数进行了优化, 并进一步分析了直角锥面变形镜对薄管同心度误差、薄管平行度误差、薄管锥度误差以及光源平行度误差等主要加工及装调误差的校正效果.

    • 基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量改善新方法, 其基本思想是: 利用薄管构型中任意径向对称分布光路的光学共轭特性来实现离轴像差的自补偿, 进而利用驱动单元控制直角锥面变形镜形变补偿残余像差. 该方法具备以下优势: 1)无需光束整形且结构简单, 易于装调和控制; 2)采用直角锥面可以使窄环宽环形光束在直角锥面变形镜镜面上的有效面积增大为$ \sqrt{2} $倍; 3)光束在直角锥面变形镜镜面上的对称位置会反射两次, 可以增大变形镜的有效行程.

      本文基于薄管激光器中薄管放大单元的加工误差与装调偏差来说明直角锥面变形镜对薄管激光畸变波前的校正. 图1为基于直角锥面变形镜的薄管激光畸变波前校正原理示意图. 其中, 直角锥面变形镜作为薄管激光振荡器腔外校正镜, 实现薄管激光畸变波前校正. 图1中包含两类加工误差与装调偏差: 一类是薄管激光器的加工误差与装调偏差, 包括: 薄管内外壁轴线偏移量Δx引起的同心度误差, 薄管内外壁轴线夹角Δθ引起的平行度误差, 薄管端帽锥角偏差Δθa引起的锥度误差以及光源与薄管轴线夹角Δθs引起的光源平行度误差; 第二类为直角锥面变形镜的加工误差与装调偏差, 包括: 直角锥面变形镜轴线与薄管激光器轴线夹角Δθr引起的对准误差, 直角锥面变形镜的锥角偏差Δα引起的锥度误差. α表示直角锥面变形镜的半锥角.

      图  1  基于直角锥面变形镜的薄管激光畸变波前校正原理示意图

      Figure 1.  The principle schematic diagram of tube laser distortion wavefront correction based on the right-angle cone deformable mirror.

      图2(a)为变形镜后表面的驱动器分布示意图. 变形镜后表面覆盖四圈驱动器, 每圈排布12个驱动器, 第一圈与第四圈设计为副驱动器, 第二圈与第三圈设计为主驱动器. 主驱动器与副驱动器角向排布偏移15°形成互补关系, 并共同进行像差校正. 图2(b)为变形镜侧视图, 驱动器垂直于镜面母线, 直角锥面变形镜高H, 后表面底半径为RDo, 顶部半径为RDi, 前表面底半径为rDo, 顶部半径为rDi. 主驱动器外圈角向间距为ΔCmain_o, 主驱动器内圈角向间距为ΔCmain_i, 副驱动器外圈角向间距为ΔCsub_o, 副驱动器内圈角向间距为ΔCsub_i, 内外圈主驱动器径向间距为ΔHmain, 内、外圈副驱动器径向间距ΔHsub.

      图  2  直角锥面变形镜驱动器分布示意图 (a) 变形镜后表面视图; (b) 变形镜侧视图

      Figure 2.  Schematic diagram of drive units arrangement of the right-angle cone deformable mirror: (a) Rear surface of deformable mirror; (b) side view of deformable mirror

      直角锥面变形镜的驱动单元垂直于其母线分布, 因此直角锥面变形镜极头的实际作用位移所引起的环形光束补偿量是镜面形变量在光束波面法线方向上的分量. 实际上, 直角锥面变形镜可等效为环形平面变形镜, 等效变形镜如图3所示. ∆cmain_i, ∆cmain_o表示内外圈主驱动器角向间距, ∆csub_o, ∆csub_i表示内外圈副驱动器角向间距, ∆hmain表示主驱动器径向间距, ∆hsub表示副驱动器径向间距, γ表示驱动器角向夹角.

      图  3  等效变形镜示意图

      Figure 3.  The diagram of equivalent deformable mirror.

      夏克哈特曼波前传感器与自适应闭环校正算法通常应用于XOY二维平面, 因而需要对直角锥面变形镜镜面有效形变区域进行坐标变换, 如图4所示.

      图  4  坐标变换示意图

      Figure 4.  The diagram of coordinate transformation.

      以出射环形光束中心为坐标原点建立柱面坐标系, ρ轴指向环形光束径向, 出射光束沿Z轴传输至直角锥面变形镜. Am为环形光束环宽中点处任意一位置, 其柱坐标系下的坐标为(rm, θ, 0). dD表示原点沿Z轴至直角锥面变形镜底部的距离. dmAm沿Z轴至$ A'_m $的距离. 由几何关系可以得到直角锥面变形镜前表面底半径rDo、半锥角α, Am点矢径rm、距离dmdD的关系, 即

      ${r_{\rm{Do}}} = {r_m} + ({d_m} - {d_{\rm{D}}})\tan \alpha. $

      在环形光束上任取一点Ao, 其柱坐标系下的坐标表示为(rA, θ, 0). $ A'_o $Ao入射至直角锥面变形镜上的入射点, 其柱坐标系下坐标为(rA, θ, zA), 于是, 由几何关系并结合(1)式可得

      ${z_A} = {d_{\rm{D}}} + \frac{{{r_{\rm{Do}}} - {r_A}}}{{\tan \alpha }}.$

      联立(1)式与(2)式, 可推导出平面坐标系与柱面坐标系的变换关系为

      $\left\{ {\begin{aligned} &{{x_{A_{o}^\prime }} = {r_A}\cos \theta ,}\\ &{{y_{A_{o}^\prime }} = {r_A}\sin \theta ,}\\ &{{z_{A_{o}^\prime }} = \frac{{{r_{{\rm{Do}}}} + {d_{\rm{D}}}\tan \alpha - {r_A}}}{{\tan \alpha }}.} \end{aligned}} \right.$

    • 在实际应用中, 由于薄管激光系统的装调偏差以及管状增益介质加工误差, 不可避免地会造成薄管激光光束质量的退化. 其中, 薄管同心度误差Δx、薄管平行度误差Δθ、薄管端帽锥角的锥度误差Δθa、光源平行度误差Δθs是主要的误差来源, 会导致输出光束存在以倾斜、离焦、像散和慧差为主的一系列低阶波像差, 最终造成薄管激光光束质量退化, 严重影响薄管激光器的实际应用. 其中, 薄管同心度误差对光束质量的影响最为严重也最难控制, 因而本文以薄管同心度误差为例进行分析. 图5给出薄管增益介质具有1 μm同心度误差时输出光束畸变波前的波像差分解及远场光强分布.

      图  5  薄管同心度误差为1 μm时的波像差分解及远场光强分布 (a) 薄管同心度误差1 μm时畸变波前波像差分解; (b) 远场光强分布

      Figure 5.  The wavefront aberration decomposition and far-filed intensity distributions with the concentricity error of 1 μm: (a) The wavefront aberration decomposition; (b) far-filed intensity distribution.

      分析图5(a)可知, 当薄管同心度误差为1 μm时, 薄管激光波像差主要包含以倾斜和慧差为主的离轴像差及以像散为主的轴上像差, 其中倾斜占比最大. 从图5(b)可看出, 远场光强分布近似为环形, β因子为3.7, 光束质量较差, 难以满足实际应用需求, 需要采取必要手段对其光束质量进行有效改善.

    • 一般情况下, 在制备加工允许的范围内, 变形镜驱动器密度越大, 变形镜校正能力越好. 此外, 变形镜的校正能力还与驱动器半径及间距密切相关. 由于薄管激光的主要波像差为倾斜、离焦、像散和慧差等低阶波像差, 而离轴像差可通过直角锥面的自补偿效应进行校正. 因此, 取环域离焦、环域像散作为待校正波前, 分析驱动器半径及主驱动器径向间距对变形镜校正能力的影响. 假设待校正波前峰谷(peak-valley, PV)值为1 μm, 以单一驱动单元的面形影响函数作为基底函数获得完整面形变形函数, 利用最小二乘法反演获得各驱动器所施加的驱动位移得到拟合面形, 进而得到残余波前[28]. 图6给出了残余波前PV值随驱动器半径及主驱动器径向间距的变化.

      图  6  直角锥面变形镜的参数优化 (a) 环域离焦残余波前PV值随驱动器半径与主驱动器径向间距的变化; (b) 环域像散残余波前PV值随驱动器半径与主驱动器径向间距的变化

      Figure 6.  Parameters optimization: (a) The PV variation of annular defocusing residual wavefront; (b) the PV variation of annular astigmatism residual wavefront.

      图6可以看出, 驱动器半径取1.5 mm、主驱动器径向间距取11 mm时, 环域离焦与环域像散均能得到较好的校正. 后续讨论中, 将48单元直角锥面变形镜驱动器半径选取为1.5 mm, 主驱动器径向间距为11 mm.

      基于上述优化结果得到直角锥面变形镜参数如下: 镜面材料为BK7玻璃[23], 镜面厚度HM为2 mm, 驱动器材料为压电陶瓷(piezoelectric, PZT), 半径r为1.5 mm, 高HP为3 mm. 表1表2分别列出了变形镜材料力学参数和结构参数.

      ParametersBK7PZT
      Young’s mudulus/Gpa8170
      Poisson’s ratio0.170.33
      Density/(kg·m–3)24007700

      表 1  材料力学参数

      Table 1.  Material parameters.

      ParametersValueParametersValue
      ri26 mmH30.7 mm
      ro31 mmΔHsub25 mm
      α45°ΔHmain11 mm
      γ30°ΔCsub_o19.5 mm
      rDi11.2 mmΔCsub_i10.3 mm
      rDo41.8 mmΔCmain_o16.9 mm
      RDi13.2 mmΔCmain_i12.9 mm
      RDo43.8 mm

      表 2  直角锥面变形镜变形镜结构参数

      Table 2.  The parameters of the right-angle cone deformable mirror.

    • 基于直角锥面变形镜的结构参数优化结果, 进一步分析了直角锥面变形镜对薄管激光畸变波前的校正能力. 为了评估直角锥面变形镜对薄管激光畸变波前的校正能力, 首先利用理想加工和装调的直角锥面变形镜对单一误差下薄管激光畸变波前进行校正. 图7给出了校正前后光束质量β因子随主要加工及装调误差的变化. 由图7可知, 在未使用直角锥面变形镜时, 随着加工及装调误差的增大, 薄管激光光束质量迅速退化. 当使用直角锥面变形镜校正后, β因子均降到1.02以下, 从而验证了直角锥面变形镜可有效地抑制薄管激光器的主要加工误差和装调误差, 包括薄管同心度误差、薄管平行度误差、薄管锥度误差及光源平行度误差引起的光束质量退化.

      图  7  校正前后β因子变化 (a) β因子随薄管同心度误差变化; (b) β因子随薄管平行度误差变化; (c) β因子随薄管锥度误差变化; (d) β因子随光源平行度误差变化

      Figure 7.  The curves of β factor: (a) Tube’s concentricity error; (b) tube’s parallelism error; (c) tube’s taper error; (d) source’s parallelism error.

      在实际应用中, 薄管激光器通常不只含有单一加工误差和装调偏差, 其光束质量的退化是多误差耦合作用的结果. 参考之前的理论研究工作[6,27], 本文进一步分析直角锥面变形镜对不同程度的薄管加工误差及装调偏差引起的波前畸变的校正效果, 如图8所示. 图8(a)(c)分别为薄管同心度误差Δx为1 μm、薄管平行度误差Δθ为5 μrad、薄管锥度误差Δθa为100 μrad、光源平行度误差Δθs为100 μrad时, 薄管同心度误差Δx为0.5 μm、薄管平行度误差Δθ为15 μrad、薄管锥度误差Δθa为150 μrad、光源平行度误差Δθs为200 μrad时, 薄管同心度误差Δx为1 μm、薄管平行度误差Δθ为10 μrad、薄管锥度误差Δθa为200 μrad、光源平行度误差Δθs为150 μrad时, 不采取校正措施(第一列)、直角锥自校正(第二列)及直角锥面变形镜校正后(第三列)的远场光强分布及光束质量β因子. 从图8(a)(c)第一列可以看出, 在没有采取任何校正措施的情况下, 由于加工及装调误差的存在, 薄管激光的远场光强分布出现明显畸变, 能量集中度下降. 由图8(a)(c)第二列可知, 利用直角锥的自补偿效应校正离轴像差后, 光束质量明显提升. 图8(a)(c)第三列表明, 在直角锥自校正的基础上, 进一步结合直角锥面变形镜的镜面形变对残余像差进行校正后, 能量集中度大幅度提升, 光束质量显著改善, β因子降至接近1. 由此可见, 直角锥面变形镜可有效地校正加工及装调误差导致的薄管激光波前畸变, 显著提升薄管激光光束质量.

      图  8  多误差耦合作用下校正前后远场光强分布及β因子 (a) Δx = 1 μm, Δθ = 5 μrad, Δθa = 100 μrad, Δθs = 100 μrad; (b) Δx = 0.5 μm, Δθ = 15 μrad, Δθa = 150 μrad, Δθs = 200 μrad; (c) Δx = 1 μm, Δθ = 10 μrad, Δθa = 200 μrad, Δθs = 150 μrad

      Figure 8.  Far-filed intensity distributions and β factor before and after correction under multi-error coupling: (a) Δx = 1 μm, Δθ = 5 μrad, Δθa = 100 μrad, Δθs = 100 μrad; (b) Δx = 0.5 μm; Δθ = 15 μrad; Δθa = 150 μrad; Δθs = 200 μrad; (c) Δx = 1 μm, Δθ = 10 μrad, Δθa = 200 μrad; Δθs = 150 μrad.

      为进一步说明直角锥面变形镜在实际应用中的可行性, 进一步分析了直角锥面变形镜存在锥度误差和对准误差时, 其对不同程度的加工误差及装调偏差耦合作用下的薄管激光畸变波前的校正效果. 计算中, 薄管激光参数与图8一致. 基于数值仿真研究结果[29], 假设直角锥面变形镜同时具有20 μrad锥度误差及10 mrad对准误差, 并采用相同锥度误差和对准误差的直角锥作为对照组, 分别给出了直角锥及直角锥面变形镜校正后的薄管激光远场光强分布及光束质量β因子, 如图9所示.

      图  9  非理想直角锥面变形镜校正后远场光强分布及β因子 (a) Δx = 1 μm, Δθ = 5 μrad, Δθa = 100 μrad, Δθs = 100 μrad; (b) Δx = 0.5 μm, Δθ = 15 μrad, Δθa = 150 μrad, Δθs = 200 μrad; (c) Δx = 1 μm, Δθ = 10 μrad, Δθa = 200 μrad, Δθs = 150 μrad

      Figure 9.  Comparisons of far-filed intensity distribution and β factor under nonideal circumstances: (a) Δx = 1 μm, Δθ = 5 μrad, Δθa = 100 μrad, Δθs = 100 μrad; (b) Δx = 0.5 μm, Δθ = 15 μrad, Δθa = 150 μrad, Δθs = 200 μrad; (c) Δx = 1 μm, Δθ = 10 μrad, Δθa = 200 μrad, Δθs = 150 μrad.

      图9(a)(c)第一行可以看出, 仅采用直角锥镜进行自校正时, 由于受到其自身加工装调误差的影响, 薄管激光的能量集中度显著下降, 光束质量严重退化. 在图9(a)(c)第二行可以看出, 直角锥面变形镜的校正能力受到加工装调误差的影响较小, 薄管激光光束质量仍得到了显著的改善. 分析其原因在于: 直角锥面变形镜的加工误差及装调偏差可通过直角锥面变形镜自身的镜面形变进行补偿. 由此可见, 在实际应用场景中, 即使当直角锥面变形镜存在一定程度的加工误差及装调偏差时, 直角锥面变形镜仍然能有效改善薄管激光光束质量.

    • 为改善窄环宽薄管激光光束质量, 我们提出了一种基于直角锥面变形镜的薄管激光光束质量改善新方法. 该方法通过直角锥面对薄管激光的自补偿效应以校正离轴像差, 再利用驱动单元控制直角锥面变形镜的形变来校正残余像差, 从而实现对薄管激光畸变波前的校正. 本文以48单元直角锥面变形镜为例, 基于薄管激光波像差特性, 对48单元直角锥面变形镜的驱动器半径与主驱动器径向间距进行优化. 在此基础上, 模拟分析了直角锥面变形镜对薄管激光加工和装调误差引起的波前畸变的校正效果. 结果表明, 针对薄管激光器的加工及装调误差引起的光束质量严重退化问题, 利用本文提出的薄管激光光束质量改善新方法, 经过直角锥面变形镜校正后, 薄管激光的光束质量能得到显著提升. 同时, 该方法不仅仅适用于大遮拦比窄环宽激光器, 通过优化器件体积、口径、驱动器排布方式等, 亦可用于遮拦比较小的环形光束和实心光束. 需要指出的是, 相较于传统变形镜, 对于这类小遮拦比和实心光束, 直角锥面变形镜并不具备独特的优越性. 此外, 本文提出的薄管激光光束质量改善新方法在高阶像差及非旋转对称光束的校正上具有局限性, 在实际应用中, 应结合具体应用场景综合考虑予以使用.

参考文献 (29)

目录

    /

    返回文章
    返回