一种提高变形镜波前校正空间分辨率的方法与流程

本发明涉及自适应光学技术领域，尤其涉及一种提高变形镜波前校正空间分辨率的方法。

背景技术：

为提高光束质量，通常需采用自适应光学模块对光束中包含的波前畸变进行补偿。变形镜是一类典型的波前校正器件，可做为自适应光学模块的重要组成单元。薄膜变形镜、mems变形镜、压电陶瓷堆栈变形镜，以及压电薄片变形镜是最为常见的几类变形镜，已被广泛应用于各类光学装置。其中，薄膜变形镜、mems变形镜的损伤阈值较低，压电薄片变形镜则冲程较小，上述类型的变形镜均难以适用于高能量、高功率激光系统；压电陶瓷堆栈变形镜则具备高损伤阈值、较大冲程等优点，已在美国国家点火装置(nif)、法国兆焦耳激光装置(lmj)等大口径高能量、高功率激光系统中获得实际应用(参考文献：thenationalignitionfacility:theworld’slargestopticsandlasersystem.procspie,2003,5001:0277-786.)。但由于制作工艺的限制，压电陶瓷堆栈变形镜驱动器单元之间的间距通常大于5mm，若将其直接应用于中小口径(光束口径通常在10mm量级)高能量、高功率激光系统，则面临波前校正空间分辨率不足的问题，即难以实现预期的波前校正效果(参考文献：wavefrontcorrectionbyalow-costdeformablemirrorgroupinasmall-aperture-beamfiberlaser.appliedoptics,2017,56:2176-2182)。

为提高变形镜对中小口径高能量、高功率光束的波前校正空间分辨率，研究者们相继提出了一些解决方案，例如：

a)在实施波前校之前对光束口径进行扩束(参考文献：beamcleanupofa532-nmpulsedsolid-statelaserusingabimorphmirror.chin.opt.lett.10(2),021401–021404(2012).)；

b)让光束先后斜入射至两块变形镜，使得光束在二维度方向上覆盖的变形镜驱动器单元数目显著增加，从而提高波前校正空间分辨率(参考文献：orientationdependentwavefrontcorrectionsystemundergrazingincidence.opticsexpress,2013,21:20497-20505)；

c)采用多个分立的单元变形镜组成类波导结构的波前校正模块，通过合理规划各单元变形镜的空间排布，地提高对光束波前校正的空间分辨率(参考文献：wavefrontcorrectioninamulti-reflectionwaveguidewithalterableinfluencefunctions.opticscommunications,2015,339:171-176)。

分析上述各类解决方案的特性可知：方案a)要求制作二维大口径变形镜，使得自适应光学模块的造价成本增加，且对光束波前校正空间分辨率进行调控时，需更换扩束单元；方案b)通过调节入射光束与变形镜之间的夹角，可在一定范围内实现对光束波前校正空间分辨率的灵活调控，但需要两块变形镜协同工作，增加了系统复杂度；校正高阶波前畸变时，方案c)所需的单元变形镜数目较多，使得自适应光学模块的小型化集成受到一定限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了解决上述技术的问题，而提出的一种提高变形镜波前校正空间分辨率的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种提高变形镜波前校正空间分辨率的方法，其特征在于，包括如下几个步骤：

s1.将光束斜入射至变形镜，使得光束在变形镜上的投影尺寸沿某一维度方向得到展宽，等效提高光束沿所述某一维度方向上的波前校正空间分辨率；

s2.对变形镜加载补偿面形；

s3.经变形镜发射后的光束继续通过反射镜，并完成90°反射；

s4.经过反射镜90°发射后的光束依次透过多个透镜；

s5.经过多个透镜投射的光束通过反转模块实现90°翻转后，再次斜入射至变形镜，此时，光束在变形镜上的投影尺寸将沿另一维度方向得到展宽，等效提高光束沿所述另一维度方向上的波前校正空间分辨率。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述光束传输至变形镜上的入射角度在0°-90°之间。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述反转模块的光束口径变化系数小于1时，通过递归解析计算方式，可获得变形镜所需加载的补偿面形，有效实现较高分辨率的光束波前校正。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述光束口径变化系数为光束经过反转模块后与光束经过反转模块前口径大小的比值。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述光束两次斜入射经过变形镜，且两次经过变形镜时对应的光束口径不一致，使得变形镜所需加载的补偿面形与光束波前畸变量之间存在如下关系：

其中，g(x,y)表示光束第一次斜入射至变形镜之前对应的波前畸变，f(x',y')表示变形镜上所需加载的补偿面形，s为光束口径变化系数，若光束经过反转模块前后的口径分别为a、b，则有：s＝b/a，k为光束投影展宽倍率因子的倒数，即有k＝cosθ，k<1，θ表示光束入射至变形镜的夹角。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述补偿面形满足如下解析表达式，即：

或：

其中，o(...)表示可忽略的高阶截断项，当光束口径变化系数s<1，且数值计算过程中采用的截断项数n→∞时，有：s²ⁿx'→0，s²ⁿy'→0，s²ⁿ⁺¹ky'→0，o(...)→0；

假定光束在变形镜上覆盖的驱动器单元数目为m，其中第m个驱动器单元在单位电压下对应的响应函数为hm(x',y')，驱动器单元加载的电压为vm，m＝1,2,3,......,m，则

作为上述技术方案的进一步描述：

所述该方法适用于工作光束为指定状态线偏振光的情形，如工作光束为非指定偏振态，则需事先采用偏振元件对光束进行起偏。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述变形镜与反转模块中间插入偏振分束镜，并在反转模块中插入波片，使得输入、输出反转模块的光束偏振态旋转90°，实现光能利用率的提高。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述反转模块由m1、m2与m3三块反射镜组成，其中m3在水平方向竖向设置，m1、m2关于m3的水平中线对称，并且m1、m2均与m3之间形成45°夹角。

本发明方法对应的光路结构如图1所示。其中，反转模块结构如图2所示，由m1、m2与m3三块反射镜组成，光束经过该模块后，将发生90°翻转。光束斜入射至变形镜时的情形，如图3所示，假定入射光束为圆形口径光束，则其斜入射至变形镜时对应的投影区域变为椭圆。分析可知：入射光束在变形镜上的投影将沿入射平面(入射光束方向与变形镜法线方向所组成的平面)与变形镜面的交线方向展宽，展宽倍率为1/cosθ，即沿此维度方向光束覆盖的变形镜驱动器单元数目相应地增多，使得沿此维度方向光束波前校正的空间分辨率得到提高；沿垂直于入射平面方向的光束投影宽度则与入射光束宽度保持一致，即沿该维度方向光束波前校正的空间分辨率不发生变化。此外，变形镜的等效冲程将缩小，缩小倍率为cosθ。考虑到压电陶瓷堆栈变形镜可实现较大冲程(高达数十微米甚至上百微米)，通常远高于激光系统的实际需求，通过牺牲等效冲程来换取光束波前校正空间分辨率的提升是完全可行的。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、通过调节光束入射至变形镜的夹角，可实现对波前校正空间分辨率的调控，该方法在中小孔径高能量、高功率激光系统中具有重要的应用价值。

2、所采用的变形镜仅需在一维度方向上增加驱动器单元数目，而无需刻意提高驱动器单元的密度，大大的降低了其开发成本，便于推广实施。

附图说明

图1为本发明的光路结构示意图。

图2为反转模块的结构示意图。

图3为光束斜入射至变形镜时的情形示意图。

图4为本发明的实施例1光束波前畸变校正结果图；(a)入射光束对应波前畸变；(b)采用本发明方法校正后，出射光束对应的残余波前畸变；(c)采用传统光路布局进行波前校正后，出射光束对应的残余波前畸变。

图5为本发明的实施例2光束波前畸变校正结果图。(a)入射光束对应波前畸变；(b)采用本发明方法校正后，出射光束对应的残余波前畸变；(c)采用传统光路布局进行波前校正后，出射光束对应的残余波前畸变。

图例说明：

1-第一偏振分光镜；2-变形镜；3-第二偏振分光镜；4-反射镜；5-第一透镜；6-第二透镜；7-二分之一波片；8-第三透镜；9-第四透镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，入射线偏振光束为p光(如入射光束为非指定偏振态，则需事先采用相关偏振元件对光束进行起偏，使其对应至p偏振态)，入射光透射经过第一偏振分光镜1，斜入射至变形镜2。定义光轴方向为z轴，光束入射面的法线方向为x轴(光束入射面指入射光束方向与变形镜法线方向所组成的平面)，x-z平面对应法线方向为y轴。将x轴、y轴在变形镜上的投影方向记为x'轴、y'轴，则变形镜上的光束投影将沿y'轴展宽，展宽倍率为1/cosθ，即入射光束沿y轴维度方向的波前校正空间分辨率将提高1/cosθ倍，而沿x轴维度方向的波前校正分辨率不会发生变化，θ表示光束入射至变形镜的夹角。上述p偏振态光束经变形镜2反射后，依次经第二偏振分光镜3透射、反射镜4反射、第一透镜5与第二透镜6组成的4f系统透射，再经过反转模块，发生90°翻转及光束口径变化后反向传输(在本发明涉及的反转模块中，透镜6与透镜9的焦距不相等，使得光束经过反转模块后口径发生变化)。光束后续透射经过二分之一波片(波片快轴方向与光轴方向之间的夹角为45°)，由线偏振p光转变与线偏振s光，再透射经过第三透镜8与第四透镜9组成的4f系统，并经第二偏振分光镜3反射，再次斜入射至变形镜2。由于前述反转模块使得光束发生90°翻转，使得入射光束横截面内的x轴、y轴发生互易，光束再次投影至变形镜时，x轴、y轴在变形镜上对应的投影方向将分别变换为y'轴、x'轴，此时光束沿x轴维度方向的波前校正空间分辨率将提高1/cosθ倍，而沿y轴维度方向的波前校正分辨率不会发生变化。即光束前后两次斜入射经过变形镜，即可在两维度方向上实现光束波前校正空间分辨率的提高。光束再次经变形镜反射后，再经偏振分光镜1反射，即获得波前校正后的输出工作光束。

在本发明中，光束两次斜入射经过变形镜，且两次经过变形镜时对应的光束口径不一致，使得变形镜所需加载的补偿面形与光束波前畸变量之间存在如下关系：

其中，g(x,y)表示光束第一次斜入射至变形镜之前对应的波前畸变，f(x',y')对应变形镜上所需加载的补偿面形。k为光束投影展宽倍率因子的倒数，即有k＝cosθ，k<1；s为光束口径变化系数，若光束经过反转模块前后的口径分别为a、b，则有：s＝b/a。经过递归推导，可得到变形镜需加载补偿面形的解析表达式，即：

或：

其中，o(...)表示可忽略的高阶截断项。显然，当光束口径变化系数s<1，且数值计算过程中采用的截断项数n→∞时，有：s²ⁿx'→0，s²ⁿy'→0，s²ⁿ⁺¹ky'→0，o(...)→0。即当s<1时，对于任意给定的连续分布光束波前畸变g(x,y)，当变形镜的驱动器单元密度足够高且变形镜冲程足够大时，理论上可采用变形镜进行充分校正。

如前文所述，变形镜的驱动器单元密度会受到一些实际限制。假定光束在变形镜上覆盖的驱动器单元数目为m，其中第m个驱动器单元在单位电压下对应的响应函数为hm(x',y')，该驱动器单元加载的电压为vm，m＝1,2,3,......,m，则为了实现对光束波前畸变的有效校正，需满足：

各单元所需加载电压，可采用最小二乘法计算得到。

实施例1

入射光束为方形光束，口径为40mm×40mm，变形镜驱动器单元沿x、y方向的间距均为7mm，驱动器数目为6×24。变形镜驱动单元对应的响应函数可用超高斯函数进行描述：

其中，α表示驱动器交联值，β表示超高斯函数阶数，(xm，ym)表示第m个驱动器的中心坐标，d为驱动器单元间距，本应用实例中α＝0.8，β＝2。反转模块的口径变化系数为0.7，光束入射至变形镜的角度θ≈75.5°。

入射光束的波前畸变如图4(a)所示，对应的pv值、rms值分别为3.38λ、0.79λ；采用本发明方法对光束波前畸变进行校正后，残余的波前畸变如图4(b)所示，对应的pv值、rms值分别为1.02λ、0.15λ；做为对比，还给出了采用传统光路布局情形下(即光束垂直入射至变形镜、自适应光学模块不含反转模块，此时，入射光束覆盖的驱动器单元数目为6×6)，波前校正后残余的波前畸变，如图5(c)所示，对应的pv值、rms值分别为1.65λ、0.22λ。上述结果表明，本发明方法在不改变变形镜驱动单元密度的前提下，有效提升了波前校正能力。

实施例2

入射光束为方形光束，口径为40mm×40mm。变形镜的相关性能参数与应用实例一所述相同。反转模块的口径变化系数为0.8，光束入射至变形镜的角度θ≈70.5°。

入射光束的波前畸变如图5(a)所示，对应的pv值、rms值分别为4.36λ、0.89λ；采用本发明方法对光束波前畸变进行校正后，残余的波前畸变如图5(b)所示，对应的pv值、rms值分别为0.40λ、0.046λ；做为对比，还给出了采用传统光路布局情形下(即光束垂直入射至变形镜、自适应光学模块不含反转模块，此时，入射光束覆盖的驱动器单元数目为6×6)，波前校正后残余的波前畸变，如图5(c)所示，对应的pv值、rms值分别为0.57λ、0.079λ。

上述结果表明，本发明方法在不改变变形镜驱动单元密度的前提下，有效提升了波前校正能力；且通过调节光束入射至变形镜的角度，可在一定程度上适应不同频率成分的光束波前畸变。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。