[发明专利]一种用于激光系统的自由曲面波前补偿元件的设计方法

说明书

本发明公开了一种用于激光系统的自由曲面波前补偿元件的设计方法，其中，该方法包括：通过畸变波前探测器探测激光系统输出的畸变波前，并将测量得到畸变波前的离散斜率数据(S_x，S_y)传输至计算机；采用多参数优化设计方法，以数值化正交多项式为基函数，拟合离散斜率数据，利用模式法进行曲面重构，获得畸变波前表征多项式W；根据波前相位互补原理，计算补偿激光系统畸变波前所需的自由曲面波前补偿元件面形表征多项式W*，实现激光系统畸变波前的校正。所述方法可用于复杂形状波前，且拟合精度高，具有很好的热稳定性，适合大功率激光系统畸变波前补偿。

技术领域

本发明涉及高能固体激光系统波前畸变补偿技术领域，具体地说涉及一种用于高功率激光系统的自由曲面波前补偿元件的设计方法。

背景技术

高功率固体激光器由于其小体积、大能量输出、高稳定性等优点，在国家安全、重大装备、科学研究等重大领域具有极其广阔的应用前景。追逐更高效率、更高功率、更高光束品质、更高可靠性运行模式一直是高功率固体激光研究与发展的主要目标与趋势。但在高能固体激光系统中，系统本身的光学元件形变和装调精度引入的静态波前畸变和激光晶体的热效应引入的动态波前畸变等因素是造成输出光束质量降低的主要因素。

目前对高功率激光系统的波前畸变采用压电陶瓷或伺服电机控制变形镜实现波前畸变补偿，其主要结构包括：动镜、变形镜、控制器和处理器、探测器。但是其存在自身限制：1.空间频率响应有限，不能有效校正高频噪声；2.针对促动单元增多，机械结构复杂，求解变形镜的变形性困难，算法复杂耗时；3.变形镜行程有限，难以校正PV值十几个波长以上的波前畸变。另外，一般常用泽尼克多项式或勒让德多项式进行自由曲面拟合，其中，泽尼克多项式针对圆域连续曲面拟合，但激光系统得到的是离散梯度数据；勒让德多项式主要针对方域波前拟合，而激光系统中圆域较为常见；两者对于自由曲面面形形状均不具有通用性，且拟合精度受到拟合多项式项数的影响。针对这些问题，且基于高能固体激光器工作时的波前分布相对稳定的特点，根据波前相位互补原理，提出利用自由曲面波前补偿元件对高能固体激光器产生的波前畸变进行补偿，采用以数值化正交多项式为基函数的模式法进行曲面重构实现提高输出光束质量，校正较大畸变波前的目标，不需要控制器单元，单独的自由曲面波前补偿元件实现高能激光系统畸变补偿。

因此，利用自由曲面波前补偿元件可以实现高能固体激光器输出光束的波前畸变补偿。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于高功率激光系统的自由曲面波前补偿元件的设计方法，利用测量得到的高能激光系统的畸变波前离散斜率数据(S_x,S_y)；采用多参数优化设计方法，以数值化正交多项式为基函数，拟合离散斜率数据，利用模式法进行曲面重构，获得畸变波前表征多项式W；根据波前相位互补原理，计算补偿激光系统畸变波前所需的自由曲面波前补偿元件面形表征多项式W*，实现激光系统畸变波前的校正。克服变形镜波前畸变补偿存在的不能有效校正高频噪声，机械结构复杂，变形镜行程有限的问题，以及一般表征多项式无法表征复杂元件面形的问题。

本发明的技术解决方案为：

一种用于激光系统的自由曲面波前补偿元件的设计方法，该设计方法包括如下步骤：

步骤1)通过畸变波前探测器探测激光系统输出的畸变波前，并将测量得到畸变波前的离散数据斜率(S_x,S_y)传输至计算机；

步骤2)计算获得畸变波前表征多项式W；

步骤3)令补偿激光系统畸变波前所需的自由曲面波前补偿元件面形表征多项式W*满足如下关系：

当透射系统：满足W＝-W*；

当反射系统：对于直射，满足W＝2W*，对于斜入射，满足W＝2W*·cosα，其中，α为入射角度。