[发明专利]一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统与方法

说明书

一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，包括变形镜及其驱动器、倍频晶体、计算控制处理器、会聚透镜及机壳组件；变形镜、倍频晶体、会聚透镜为同光轴设置，变形镜镜面法线与其入射光方向夹角为45°，倍频晶体镜面法线及会聚透镜的光轴与其入射光方向重合；倍频晶体在实际工作环境下存在面形畸变，平面波入射时会偏离角度相位匹配，降低倍频效率；本发明在工作前通过线下测量，得到倍频晶体的畸变面形和变形镜及其驱动器的响应函数，计算出变形镜驱动器补偿倍频晶体面形畸变及矫正输出光波前所需驱动电压，工作时，控制驱动器加载所计算出的驱动电压，即可达到在实现精准的角度相位匹配、将倍频效率提高的同时，提高输出光准直性的效果。

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，涉及激光惯性约束聚变装置中高功率固体激光驱动器中的倍频效率提升，特别涉及一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统与方法。

背景技术

在激光惯性约束聚变装置中的高功率固体激光驱动器中，倍频是激光输出前必不可少的过程，倍频效率的高低与出射光的波前面形质量直接影响着激光打靶的效果。角度相位匹配是产生倍频光的一个重要条件，具体表现为当入射光与倍频晶体光轴之间的夹角为一个特定角度时，倍频效率最大，因此一般在倍频晶体生产过程中便是以一定角度进行切割，以使其在具体光路中与入射光达到角度相位匹配。

但是在实际工作环境下，由于倍频晶体口径较大，其镜面尺寸高达400mm×400mm，因此在重力等因素的影响下，倍频晶体不再是一个平整的形态，此时如果入射光依然为平面波，必然会导致偏离角度相位匹配，导致倍频效率下降。在传统思路下，对倍频晶体的制造、装配等过程的优化已对上述问题进行了一定的改善，但已经难以进一步地对此问题进行解决，目前倍频晶体表面依然有约6到8微米的面形误差，阻碍着倍频效率的进一步提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，进一步解决当前在实际工作环境下由于重力等因素影响使大口径倍频晶体形变导致倍频效率下降的问题，本发明利用自适应光学的原理和手段，从主动改变入射光波前以补偿倍频晶体形变的思路出发，提供了一种具有高倍频效率的大口径激光频率转换系统及方法，通过调控入射光波前改善角度相位匹配情况，进而提高倍频效率；并在出射端同样以波前调控的方法对出射光波前进行矫正，提高了其准直性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种具有高效倍频性能的大口径激光频率转换系统，包括同光轴设置的变形镜一1、倍频晶体一3、倍频晶体二4、变形镜二5和会聚透镜7，其中变形镜一1和变形镜二5均水平设置，变形镜一1镜面朝上，变形镜二5镜面朝下，倍频晶体一3、倍频晶体二4和会聚透镜7设置在变形镜一1和变形镜二5之间，倍频晶体一3和倍频晶体二4平行，均倾斜设置，且镜面法线与其入射光方向重合，入射激光束经变形镜一1反射后，入射至倍频晶体一3的入射端，经倍频晶体一3和倍频晶体二4频率转换后，入射至变形镜二5，经变形镜二5反射后再通过会聚透镜7聚焦输出，其中，变形镜一1与驱动器一2的驱动元件顶端机械连接，变形镜二5与驱动器二6的驱动元件顶端机械连接，所述驱动器一2和驱动器二6均与计算控制处理器8电连接，所述驱动器一2和驱动器二6为压电驱动器，通过改变驱动器控制电压使压电陶瓷产生形变进而控制对应变形镜的面形。

所述变形镜一1和变形镜二5的镜面法线均与其入射光方向夹角为45°，所述倍频晶体一3和倍频晶体二4均倾斜45°设置。

所述变形镜一1和变形镜二5的镜面均为矩形，在底面分布有若干玻璃柱，所述驱动器一2和驱动器二6上的驱动元件数量与玻璃柱数量一致，各驱动元件顶端有杯状接口，各玻璃柱与杯状接口用环氧树脂连接。

所述驱动器一2和驱动器二6的底座上均匀分布有数十个驱动元件，所述驱动元件为压电材料堆栈，其极化方向形变量与驱动电压成正比。

所述倍频晶体一3和倍频晶体二4为KDP晶体，倍频晶体一3主要将基频光转换为二倍频光，倍频晶体二4主要用于产生三倍频光。所述会聚透镜7为球面凸透镜。