高功率连续激光辐照下变形镜热形变的自校正方法技术

本发明专利技术涉及一种高功率连续激光辐照下变形镜热形变的自校正方法，属于强激光技术和自适应光学技术领域。该方法利用变形镜自行校正其热形变的面形，即在不使用换热措施和不改变变形镜结构参数的情况下，利用一组随时间变化的驱动器控制信号实时调整变形镜热形变的面形，从而实现对变形镜的热形变面形进行实时补偿。本发明专利技术的自校正方法适用于不同激光参数、不同激光辐照时间条件下变形镜热形变的自校正，其校正效果不会随入射激光功率及激光辐照时间增加而恶化；本发明专利技术的校正方法不依赖于其它任何外加装置，均能实现现有的分立驱动式变形镜的热形变的自校正。

【技术实现步骤摘要】
高功率连续激光辐照下变形镜热形变的自校正方法
本专利技术涉及一种控制变形镜补偿其热形变面形的技术，具体涉及一种高功率连续激光辐照下变形镜热形变的自校正方法，属于强激光技术和自适应光学

技术介绍
随着激光技术的飞速发展及其应用范围的不断扩拓，如何获得更高功率的高光束质量激光成为人们的关注热点和奋斗目标。然而，在高功率激光系统中，光学元件在连续激光辐照下，其内部会形成温度梯度分布，同时，由于光学元件材料受热膨胀从而会产生热变形，并对入射光束引入波前畸变。虽然，自适应光学技术能通过波前传感器对入射光束波前实时监测，并运用光学变形镜对引入光束的波前畸变进行相位补偿，然而在波前校正过程中变形镜也会因自身对激光能量的吸收而出现热形变，从而使其实际拟合面形达不到预期效果。此外，变形镜与普通反射镜相比，变形镜的厚度更薄，在激光连续辐照下所产生的热形变面形比普通反射镜更明显，同时，由于变形镜中驱动器的离散分布还会使变形镜的热形变面形中出现与驱动器排布有关的局部“凸起”，从而对入射波前引入高频畸变，最终制约了变形镜的波前校正效果。因此，在高功率激光系统中变形镜的热形变所带来的影响不容忽视。现有技术中，控制变形镜热形变的方法主要有以下几种：1、水冷散热法在水冷散热方法中，通过对变形镜的结构进行改造，使其基座部分能够注入液体，从而利用液体的循环流动带走热量，以实现降温目的。这种方法的降温效果依赖于水冷结构中的水流通道数量以及入口处的水流温度，且水冷结构比较复杂，因而其适用性较差。2、空气对流换热法在空气对流换热法中，通过对变形镜背面进行强制吹风来达到降温的目的。作为改进措施，相关学者提出了局部对流换热方法。该方法根据入射光束宽度选择适当的吹风区域，着重对镜面温度较高的区域进行对流换热，目的在于降低镜面的温度差，从而减小变形镜热形变面形的PV值。然而，由于空气的热交换系数较小，换热能力较差，因而该方法对变形镜热形变的改善效果仍然不够明显。3、变形镜结构参数优化法在变形镜结构参数优化方法中，通过适当调整变形镜驱动器的排布方式与极头的长宽尺寸，来减小变形镜热形变面形对入射光引入的波前畸变。该方法的缺陷是：它的灵活性较差，优化效果十分有限，并且由于变形镜的设计要求及性能指标的限制，无法大幅度调整变形镜的结构参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提供一种高功率连续激光辐照下变形镜热形变的自校正方法，该方法是利用变形镜自行校正其热形变面形，在不使用换热措施和不改变变形镜结构参数的情况下，利用一组随时间变化的驱动器控制信号实时调整变形镜的热形变面形，从而实现对变形镜的热形变面形进行实时补偿。本专利技术提出的自校正方法可适用于不同功率密度、不同辐照时间以及不同光束宽度的高功率激光连续辐照下变形镜热形变面形的实时补偿，且使用过程中不依赖于其它任何外加装置，均能实现对现有的分立驱动式变形镜热形变的自校正。本专利技术的设计思想是：由于在高功率连续激光辐照下，光学元件的热形变面形均呈现出“中间高，边缘低”的特点，其整体形状为一个类高斯形包络。因此，可以通过变形镜驱动器控制信号来控制变形镜并拟合出一个中心凹陷的反高斯形面形来实时补偿变形镜的热形变面形。在此基础上，变形镜热形变所引入的附加波前畸变被控制在一个较小的范围内，从而能使变形镜在对入射激光进行波前校正的过程中达到最佳的工作状况。本专利技术提供的一种高功率连续激光辐照下变形镜热形变的自校正方法，是利用变形镜自行校正其自身的热形变面形，以实现在不同参数的高功率激光连续辐照下变形镜热形变面形的实时补偿，其具体步骤是：步骤1、首先对参数进行校准，在参数校准阶段，使用高功率连续激光对变形镜进行持续辐照，辐照时所使用的激光功率密度为P0，光束半宽为w0，并利用4D干涉仪测量T1、T2两个不同时刻变形镜的热形变面形；步骤2、以步骤1中记录的T1、T2两个不同时刻变形镜的热形变面形作为待校正目标函数，并使用变形镜分别对两个不同时刻的变形镜热形变面形进行拟合，从而得到变形镜中驱动器在控制变形镜进行面形拟合时的驱动器控制信号H1、H2，该驱动器控制信号表征了不同空间位置处的驱动器的控制电压信号；步骤3、使用高斯分布函数分别对步骤2中所述驱动器控制信号H1、H2进行拟合，从而可以得到与驱动器控制信号H1对应的常数A1、B1，以及与驱动器控制信号H2对应的常数A2、B2；所使用的高斯分布函数如下式所示：式中，(xi,yi)为变形镜中第i个驱动器的位置坐标，c为与入射光斑形态有关的常数，w0为入射激光辐照在变形镜镜面上的光束宽度的一半，即光束半宽；对于某一已知的f(xi,yi)，A、B为常数，计算中可通过最小二乘法来求解A、B；步骤4、将步骤1中所使用的激光功率密度P0，激光辐照变形镜的时间T1、T2和步骤3中拟合得到的常数A1、B1、A2、B2代入下列方程组：通过公式(2)进行计算，得到常数k1、k2、a和b；步骤5、将步骤4所得常数代入下面公式(3)中的自校正函数模型，得到与入射激光功率密度P，激光辐照时间T，光束半宽w0有关的自校正函数；所述自校正控制信号的自校正函数模型表示如下：式中，(xi,yi)为变形镜中第i个驱动器的位置坐标；步骤6、开始对变形镜的热形变实施自校正，在自校正实施阶段，变形镜按照通常的波前校正方法对入射激光的波前畸变进行校正，此时，将入射激光的功率密度P，激光辐照时间T，光束半宽w0以及与入射光斑形态有关的常数c代入步骤5中由公式(3)得到的自校正函数，从而计算出该条件下用于补偿变形镜热形变的驱动器控制信号H；步骤7、使用步骤6得到的用于补偿变形镜热形变的驱动器控制信号H对变形镜驱动器的初始驱动信号进行修正，进而得到最终的驱动器控制信号，并通过驱动器的驱动作用对变形镜的面形进行调整，从而使变形镜在校正入射激光的波前畸变的同时也对自身的热形变面形进行实时补偿，最终实现变形镜热形变的自校正。上述技术方案中，步骤2中所述使用变形镜分别对两个不同时刻的变形镜热形变面形进行拟合，为得到所需的拟合面形，需要确定各个驱动器的控制信号，此时可使用影响函数来表征驱动器作用时变形镜的拟合面形。当多个驱动器共同作用时，变形镜的拟合面形M(x,y)表示为：式中，Hi为第i个驱动器的控制信号，Ii(x,y)为第i个驱动器单独作用时变形镜面形的归一化形式，其归一化形式如下式所示：式中，d为驱动器间距，b为交连值，(xi,yi)为第i个驱动器的位置坐标。上述技术方案中，步骤3中所述与入射光斑形态有关常数c的取值，当入射光为圆形平顶光束时c＝1.5，当入射光为高斯光束时c＝1.6。上述技术方案中，步骤7中所述的变形镜驱动器的初始驱动信号是指在通常的波前校正过程中，利用变形镜对波前传感器探测到的入射激光的波前畸变进行校正时所使用的驱动器控制信号。根据本专利技术的设计思想，认为变形镜在面形拟合过程中各个驱动器的控制信号与其位置坐标的对应关系可以近似为前面所述的高斯分布公式(1)，即：需要说明的是，A、B表征了不同热形变情况下驱动器控制信号的变化，间接表征了激光能量在变形镜内的积累和传导。因此，式(1)可以改写为与激光能量积累和传导有关的形式：式中，E表征能量的积累；C表征能量的传导；a、b为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率连续激光辐照下变形镜热形变的自校正方法，其特征在于利用变形镜自行校正其热形变面形，以实现在不同参数条件下高功率入射激光连续辐照下变形镜热形变面形的实时补偿，其具体步骤是：步骤1：首先对参数进行校准，在参数校准阶段，使用高功率连续激光对变形镜进行持续辐照，辐照时所使用的激光功率密度为P0，光束半宽为w0，并利用4D干涉仪测量T1、T2两个不同时刻变形镜的热形变面形；步骤2：以步骤1中记录的T1、T2两个不同时刻变形镜的热形变面形作为待校正目标函数，并使用变形镜分别对两个不同时刻的变形镜热形变面形进行拟合，从而得到变形镜中驱动器在控制变形镜进行面形拟合时的驱动器控制信号H1、H2，该驱动器控制信号表征了不同空间位置处的驱动器的控制电压信号；步骤3：使用高斯分布函数分别对步骤2中所述驱动器控制信号H1、H2进行拟合，从而可以得到与驱动器控制信号H1对应的常数A1、B1，以及与驱动器控制信号H2对应的常数A2、B2；所使用的高斯分布函数如下式所示：f(xi,yi)=A+B·exp(-xi2+yi2(c·w0)2)---(1)]]>式中，(xi,yi)为变形镜中第i个驱动器的位置坐标，c为与入射光斑形态有关的常数，w0为光束半宽；步骤4：将步骤1中所使用的激光功率密度P0，激光辐照变形镜的时间T1、T2和步骤3中拟合得到的常数A1、B1、A2、B2代入下列方程组：k1=A1T22-A2T12P0T1T2(T2-T1)]]>k2=A2T1-A1T2P0T1T2(T2-T1)---(2)]]>a=B1T22-B2T12A1T22-A2T12]]>b=B2T1-B1T2A2T1-A1T2]]>通过公式(2)进行计算，得到常数k1、k2、a和b；步骤5：将步骤4所得常数代入下面公式(3)中的自校正函数模型，得到与入射激光功率密度P，激光辐照时间T，光束半宽w0有关的自校正函数；所述自校正控制信号的自校正函数模型表示如下：f(xi,yi)=(k1T+k2T2)P+(a·k1T+b·k2T2)P·exp(-xi2+yi2(c·w0)2)---(3)]]>式中，(xi,yi)为变形镜中第i个驱动器的位置坐标；步骤6：对变形镜的热形变实施自校正，在自校正实施阶段，变形镜按照通常的波前校正方法对入射激光的波前畸变进行校正，此时，将入射激光的功率密度P，激光辐照时间T，光束半宽w0以及与入射光斑形态有关的常数c代入步骤5中由公式(3)得到的自校正函数，从而计算出该条件下用于补偿变形镜热形变的驱动器控制信号H；步骤7：使用步骤6得到的用于补偿变形镜热形变的驱动器控制信号H对变形镜驱动器的初始驱动信号进行修正，进而得到最终的驱动器控制信号，并通过驱动器的驱动作用对变形镜的面形进行调整，从而使变形镜在校正入射激光的波前畸变的同时也对自身的热形变面形进行实时补偿，最终实现变形镜热形变的自校正。...

【技术特征摘要】
1.一种高功率连续激光辐照下变形镜热形变的自校正方法，其特征在于利用变形镜自行校正其热形变面形，以实现在不同参数条件下高功率入射激光连续辐照下变形镜热形变面形的实时补偿，其具体步骤是：步骤1：首先对参数进行校准，在参数校准阶段，使用高功率连续激光对变形镜进行持续辐照，辐照时所使用的激光功率密度为P0，光束半宽为w0，并利用4D干涉仪测量T1、T2两个不同时刻变形镜的热形变面形；步骤2：以步骤1中记录的T1、T2两个不同时刻变形镜的热形变面形作为待校正目标函数，并使用变形镜分别对两个不同时刻的变形镜热形变面形进行拟合，从而得到变形镜中驱动器在控制变形镜进行面形拟合时的驱动器控制信号H1、H2，该驱动器控制信号表征了不同空间位置处的驱动器的控制电压信号；步骤3：使用高斯分布函数分别对步骤2中所述驱动器控制信号H1、H2进行拟合，从而得到与驱动器控制信号H1对应的常数A1、B1，以及与驱动器控制信号H2对应的常数A2、B2；所使用的高斯分布函数如下式所示：式中，(xi,yi)为变形镜中第i个驱动器的位置坐标，c为与入射光斑形态有关的常数，w0为光束半宽；步骤4：将步骤1中所使用的激光功率密度P0，激光辐照变形镜的时间T1、T2和步骤3中拟合得到的常数A1、B1、A2、B2代入下列方程组：通过公式(2)进行计算，得到常数k1、k2、a和b；步骤5：将步骤4所得常数代入下面公式(3)中的自校正函数模型，得到与入射激光功率密度P，激光辐照时间T，光束半宽w0有关的自校正函数；所述自校正控制信号的自校正函数模型表示如下：式中，(xi,yi)为变形镜中第i个驱动器的位置坐标；步骤6：对变形镜的热形变实施自...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彬，胡小川，钟哲强，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51