矩形大口径激光光束质量评价光学系统设计

摘要: 自适应光学校正技术可有效提升固体板条激光器的光束质量，但随着激光器输出功率的提升，输出光束口径逐渐增加，系统体积逐渐增大，自适应光学校正系统的设计难度也增加了。因此，在满足自适应光学校正系统中共轭探测等需求的前提下，统筹优化系统的尺寸参数，同时实现波前相位、光束质量评估等多参数的检测具有一定的研究意义。本文在系统整体尺寸为350 mm×180 mm×220 mm（长×宽×高）的条件下，研究实现了板条激光器输出160 mm×120 mm矩形光束多参数的检测。针对探测口径大、筒长限制、长出瞳距等技术要求，首先，利用双高斯初始结构的消像差特点，结合非球面技术，采用大倍率光束压缩后分光探测的设计方案，实现多参数的同时探测。其次，基于摄远成像和共轭成像等原理，确定系统初始参数。接着，建立仿真模型分析系统的成像质量和公差，为实验的搭建提供依据。最后，搭建实验平台验证设计结果。结果表明：所设计系统可在满足物像共轭、尺寸约束等条件下，实现对大口径矩形光束的共轭波前探测、光强均匀度检测和光束质量评估。实验测得被测光束β因子为1.24倍衍射极限，均匀度为73.8%，满足技术指标要求。

关键词：板条激光器；自适应光学校正；矩形光束；共轭波前探测；光束质量评估

1.引言

对于激光器而言，激光的亮度是最为重要的技术指标之一，而激光的亮度与功率成正比，与光束质量因子M2的2次方成反比，因此可以通过提高功率和改善光束质量的技术途径提高激光的亮度。近年来，随着增益介质、冷却技术和谐振腔优化设计的迅猛发展，固体板条激光器逐渐展现出其优越性，输出功率从千瓦量级发展到兆瓦量级。然而，随着功率的攀升，由于“热效应”等因素的影响，光束质量逐渐退化，限制了激光器亮度的提升。得益于自适应光学校正技术的日益成熟，使得固体板条激光器具备兼顾高功率、高光束质量的潜力，并取得了相应的研究成果。2017年，YU X等人采用约束条件下的低阶像差自动校正技术，将出射光束波前 PV值从57.26 μm减小到了1.87 μm。2017年，中国科学院光电研究院报道的经混合式自适应光学净化系统校正技术，使得单脉冲5 J, 200 Hz固体板条激光器实现了优于2倍衍射极限的光束质量。2018年，杨平等人采用AO系统辅以相应的低阶像差校正技术，测得750 MW板条激光器的光束质量β因子为1.64×DL。

随着板条固体激光器功率的提升，增益介质尺寸增加，导致输出光束口径逐渐增大，给自适应光学校正系统的设计增加了难度。对于自适应光学校正系统中的探测单元，难点在于如何在有限的尺寸限制范围内，实现矩形大口径光束多参数的检测与评估，包括波前畸变的共轭探测、均匀性和光束质量等的综合评估。

为解决上述问题，研究人员开展了一系列的研究工作。相里微等采用无光焦度开普勒型望远系统，实现了口径为150 mm×150 mm方形光束的波前探测，系统缩束倍率为11倍，但筒长较长，达到了2.42 m。虽然，伽利略型的望远系统结构有利于缩短筒长，但无法满足自适应光学校正系统的共轭需求。张成栋实现大功率光纤激光器的功率和光束质量测量，采用β因子完成对激光的单一参数光束质量的评价，测得功率为90.1 W时，β值为1.41；功率为3.04 kW时，β值为1.81。该系统虽可实现光束质量等的测量，但测量系统体积较大。张禹、杨忠明等设计的450 mm大口径多光谱通道波前测量系统，实现可见光、近红外和中红外多波段的单一参数波前的测量，同时由于口径过大，使测量系统体积过大。

目前的技术方案虽然可以较好地实现大口径矩形光束的波前、光束质量的检测。但在以下两个方面的工作还稍有欠缺：（1）如何在尺寸限定的条件下，满足自适应光学校正系统共轭探测的需求；（2）如何在满足自适应光学校正系统波前共轭探测需求的前提下，兼顾校正结果的评估，如光束质量、光斑均匀性等。本文围绕上述两个问题开展了相关工作。

首先，根据探测口径大、共轭成像以及多参数检测的技术要求，基于开普勒望远系统的成像原理，确定采用大倍率光束压缩后分光探测的方案，实现了多参数检测。其次，针对大倍率、筒长限制以及长出瞳距的问题，主缩束系统利用双高斯初始结构的消像差特点，并结合非球面技术保证成像质量，基于摄远成像的原理压缩筒长，优化出瞳距。再次，根据系统对波前探测系统、光束质量探测子系统和光束均匀性探测子系统的技术指标要求，分别建立了探测系统的仿真模型，分析探测系统的成像质量，并对探测系统进行公差分析，为实验平台的搭建提供依据。最后，搭建相关实验，验证设计结果。

2.光学系统技术指标

系统总体设计结构如图1所示，包括主缩束系统、波前探测子系统、光束质量探测子系统和光束均匀性检测子系统。波前探测子系统是在主缩束系统出瞳位置处安装微透镜阵列和波前传感器，变形镜(DM)与波前传感器(H-S)满足共轭需求，经变形镜校正后的光束在波前传感器像面上产生阵列光斑，通过阵列光斑分析波前。光束质量探测子系统配合主缩束系统完成对光束质量β因子的计算与分析。光束均匀性检测子系统配合主缩束系统完成对光束均匀性的检测。表1是激光光束质量评价系统的技术指标。

图1.矩形大口径激光光束质量评价系统示意图

表1.激光光束质量评价系统的技术指标

为了保证校正结果，必须保证波前探测子系统探测到的波前、变形镜(DM)校正的波前是同一个物理量，这就要求波前探测器探测面和变形镜(DM)共轭。为了保证物像共轭，检测中变形镜(DM)需放置在主缩束系统的入瞳位置处，因此，设计中要设定主缩束系统的入瞳位置，设定为500 mm。选择500 mm的入瞳位置，主要是由于入射主激光的能量过高，需要进行多次分光，将大部分能量输出发射，仅保留少部分进行探测。

同时，为满足物像共轭和自适应光学校正系统对长出瞳距以及短筒长的要求，波前传感器像面应稳定放置在主缩束系统的出瞳位置处。为保证压缩光束分光后顺利进入到后续系统中，光路需进行分光、折转，并且受波前传感器安装位置的限制，要求出瞳位置不小于40 mm，以满足光路折转和安装的需求。系统探测的视场(±3′)对应着倾斜镜的行程。

3.光学系统设计与分析

矩形口径激光光束质量评价光学系统整体结构图，如图2所示。由主缩束系统、波前探测子系统、光束质量探测子系统和光束均匀性检测子系统组成。

图2.系统2D结构图

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5.结论

针对在探测系统整体尺寸为350 mm×180 mm×220 mm(长×宽×高)的条件下，实现板条激光器输出160 mm×120 mm矩形光束多参数的检测问题。本文根据探测口径、筒长限制等的技术要求，利用双高斯的初始结构消像差特点，结合非球面技术，采用大倍率光束压缩后分光探测的设计方案，并基于摄远成像以及共轭成像原理，在满足物像共轭、尺寸约束等条件下，实现对160 mm×120 mm矩形光束的共轭波前探测、光强均匀度检测和光束质量评估。实验中测得被测光束β因子为1.24倍衍射极限，光束均匀度为73.8%，满足技术指标要求。

鉴于篇幅，本文仅为节选（中国光学 第15卷 第2期）