[发明专利]一种自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统

摘要

本发明公开了一种自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统，包括变形反射镜、增益介质、输出腔镜、分光镜、功率计、光斑探测器、数据采集卡、高压放大器、主控计算机。本发明把固体激光器的后腔全反镜替换成一个镀有高反射率介质膜的变形反射镜，通过功率计的闭环反馈由基于泽尼克模式的爬山算法控制变形反射镜的面形变化，校正热效应引起的各种高低阶像差，解决高功率激光器中由于热透镜效应导致的输出功率下降问题。本发明不采用任何扩束缩束系统，不增加激光器谐振腔的复杂性，具有结构简单，控制方便的优点。

主权项

一种自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统，其特征在于：包括激光谐振腔(5)、第一分光镜(6)、功率计(7)、数据采集卡(8)、主控计算机(9)、多路高压放大器(10)、第二分光镜(11)和光斑探测器(12)；变形反射镜(1)、增益介质(2)、泵浦(3)和输出腔镜(4)组成激光谐振腔(5)，出射激光经过第一分光镜(6)反射很小一部分光束到功率计(7)间接测量激光谐振腔(5)的输出功率作为反馈信号，由数据采集卡(8)采集测量数据输入主控计算机(9)，主控计算机(9)以最大输出功率作为控制算法优化的目标函数优化变形反射镜电极电压，各电极电压信号经过多路高压放大器(10)放大后施加在变形反射镜(1)的各驱动单元上驱动变形反射镜产生使激光器输出功率增大的面形从而保证输出功率最大化，解决高功率激光器中由于热透镜效应导致的输出功率下降问题；第二分光镜(11)反射很小一部分光束进入光斑探测器(12)监测激光器输出光束质量，作为辅助校正算法的限制条件，保证较好的激光器光斑质量的同时获得最大化的输出功率；用变形反射镜替代固体激光器谐振腔的后腔全反镜，同时起到激光器后腔镜和自适应光学系统的波前校正器的作用；变形反射镜的有效口径较小，且与固体激光器谐振腔的有效口径匹配；变形反射镜需要在反射表面镀一层与激光器波长匹配的高反射率介质膜；变形反射镜、增益介质、泵浦和输出腔镜的中心高度一致；泵浦为半导体激光器或闪光灯，对增益介质的泵浦方式为侧面泵浦或端面泵浦；功率计的测量探头的探测范围与分光镜反射激光光束的功率相匹配；数据采集卡为A/D转换数据采集卡，模拟量采集范围与功率计输出模拟量范围相匹配；第一、第二分光镜对固体激光器输出波长的激光具有很高透射率，第一分光镜反射很小一部分带有像差信息的固体激光器输出激光到功率计上进行闭环校正，第二分光镜反射很小一部分激光进入光斑探测器监测固体激光器输出激光模式；第一、第二分光镜透射大部分激光作为高功率固体激光器的输出；光斑探测器为波前传感器或者CCD探测器；所述的控制算法为基于泽尼克模式的爬山算法，实现如下：第(1)步、首先，初始化初始电压矩阵u0，各阶电压调整方向矩阵sn和产生单位第n阶泽尼克模式对应面形的电压矩阵v(n)；初始化迭代次数计数器k＝0和起始泽尼克系数n＝1；第(2)步、计算下一代电压矩阵uk+1＝uk+sn*v(n)，并施加到变形镜；第(3)步、判断施加电压矩阵前后目标函数j(u)的变化，确定电压调整方向，如果j(uk+1)>j(uk)则保持电压调整方向矩阵，反之则改变电压调整方向sn＝‑sn；第(4)步、增加迭代次数计数器k＝k+1，再次判断施加电压矩阵前后目标函数j(u)的变化，如果j(uk+1)>j(uk)则重复第(4)步，反之则判断当前校正的泽尼克系数n，如果n<N则校正下一阶泽尼克系数：n＝n+1，跳转到第(2)步，如果n>＝N则当前电压矩阵为最优解，N为泽尼克展开中使用的泽尼克多项式的项数；该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统利用一个能动的变形反射镜作为固体激光器谐振腔的后腔反射镜，通过优化变形反射镜分立驱动电极的驱动电压使之产生与内腔像差共轭的相位补偿谐振腔内各种高低阶像差，提高固体激光的输出功率；该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统采用与激光器内腔口径匹配的变形镜，无需加入扩束/缩束系统，不改变谐振腔的腔型，不增加固体激光器的复杂性；该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统能够补偿因腔镜不对准产生的静态误差，减小了固体激光器的光路调节难度，还能够补偿光学设计方法无法克服的非球面高阶像差；该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统能够实时补偿激光器内腔的动态像差，而不是仅仅针对某一输出功率和某一特定像差的谐振腔，在变形镜的冲程和空间频率允许范围内，可以对相对宽广的功率范围内的谐振腔由于热效应引起的动态像差进行进行自适应校正提高输出功率，使激光器时刻保持最佳工作状态；该自动优化输出功率的高功率固体激光器谐振腔系统采用基于泽尼克模式的爬山算法能够解决很多其他算法容易得到局部最优解的问题，以很快的速度找到全局最优解，基于泽尼克模式的爬山法，是一种模式算法，调整直接和各项像差相关，受外界扰动影响比其他非模式算法小。