[发明专利]一种腔内自适应光学光束净化系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种腔内自适应光学光束净化系统及方法，适用于对腔内畸变以重复性静态畸变为主，动态扰动畸变绝对值小的谐振腔进行腔内光束净化，属于自适应光学领域和激光器领域。

背景技术

腔内自适应光学光束净化系统是一种实时跟踪补偿激光谐振腔腔内畸变，提高激光器工作性能，使激光器输出光束能量或光束质量最优的一种自适应光学系统。自从自适应光学系统首次成功的应用于CO₂激光器腔内畸变的补偿（参见R.H.Freeman等Adaptive laser resonator,1978，Optics Letters），从激光产生的源头——激光谐振腔，改善了光束近场和远场分布形态，便在气体、固体等激光器方面得到广泛研究和应用。

腔内自适应光学光束净化系统中，能够能动改变面形起到补偿畸变作用的变形镜，用作激光谐振腔的一个高反射腔镜。与传统自适应光学基于相位共轭原理的控制手段不同，由于谐振腔内的波前畸变与变形镜上的畸变校正量没有一一对应的关系，腔内畸变和变形镜面形的扰动影响着激光器输出光束的质量与输出能量。因此腔内自适应光学光束净化系统的控制方法和控制理论一直是研究热点。

目前，腔内自适应光束净化系统的控制方法主要有两种，一种以远场光束质量为优化目标、无需波前传感器的优化式自适应光学控制方法，另外一种是以腔内畸变为校正目标的相位共轭控制方法。

优化式自适应光学控制方法用一个光电探测器件（如CCD、CMOS和光电二极管等器件）探测激光器输出光强分布，并以从光强分布计算的光束质量作为优化目标，根据随机优化控制算法优化变形镜驱动器的控制信号。以其控制系统简单、易于调整等原因，这种方法应用比较广泛，如2004年W.Lubeigt采用的遗传算法优化变形镜驱动器电压（参见W.Lubeigt等Intracavity adaptive optics optimisation of a grazing-incidence Nd:GdVO4 laser，2004OSA/CLE0），2007年Ping Yang等人采用遗传算法优化变形镜的模式系数，（参见Ping Yang等人Intracavity transverse modes controlled by a genetic algorithm based on Zernike mode coefficients,2007,Optics Express）等优化式自适应光学控制算法。除了以上介绍的控制算法，在腔内自适应光学光束净化系统中还可见到随机并行梯度下降算法、模拟退火算法等随机优化控制算法的报道。

基于相位共轭控制技术的腔内自适应光学控制方法，是通过测量腔内畸变或与腔内畸变相关联的光波前信息，然后根据相位共轭原理补偿腔内波前畸变，实现改善激光器工作状态的目的。专利“利用腔内自适应光学技术改善固体激光器光束质量的装置”（中国专利申请号：200610011199.3）介绍了一种用He-Ne光作为信标光，用哈特曼传感器探测增益介质畸变，利用变形镜补偿腔内畸变的自适应光学装置。

优化式自适应光学控制系统采用优化控制算法，以所关心的激光器性能指标作为优化算法的目标函数，以变形镜所需控制信号作为优化参数，从一个初始值开始以迭代方式在参数空间中搜索优化解。在腔内自适应光学光束净化系统当中，算法搜索的初始值对算法的收敛性、收敛速度和收敛的稳定性有很大影响。

对于腔内畸变以静态畸变为主，并且畸变时间稳定性高，动态扰动畸变幅值小的情形下，腔内光束净化系统收敛后变形镜面形可以认为是在一个静态面形附近叠加有较小幅值的扰动，由于腔内的静态畸变具有较好的重复性，所以，每次做腔内光束净化闭环控制时，变形镜的静态面形基本一致，因此无需像传统搜索方法一样从变形镜驱动器零电压开始搜索，而是可以从上一次闭环结束时电压值开始。这种方法在变形镜驱动器行程量与驱动信号有非常好的线性相关性，并且镜面不随环境温度发生较大变化的前提下是成立的。但是，对于有些变形镜如双压电片变形镜，由于驱动器的蠕爬效应和面形热稳定性较差的原因，预置电压不能获得所需变形镜面形，算法搜索的初始值不再是从最优面形处开始，因此预置上一次闭环结束时电压值，激光系统工作状态存在较大的不确定度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有随机优化控制方法从零初值搜索与预置电压方法的不足之处，提供一种快速准确地预置变形镜先验面形，为随机优化控制算法提供一个最优初始值的腔内光束净化控制方法，该方法能够有效利用先验数据，使腔内光束净化耗时大大缩短，提高腔内光束净化系统的控制稳定度。