專利名稱：用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置及波前校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置及激光光束波前校正方法。
背景技術(shù)：
目前，在高功率固體激光器研制中，除了需要提升功率/能量外，還必須研究光束控制與提高光束質(zhì)量的問題，具有高功率高光束質(zhì)量的激光才能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。在實(shí)際工作中，高功率激光系統(tǒng)輸出的激光都有振幅調(diào)制和相位畸變，理論和實(shí)驗(yàn)研究都證明，對于遠(yuǎn)場光束質(zhì)量來說，相位畸變是主要影響因素。激光束通過具有一定溫度分布的激光增益介質(zhì)或非理想的光學(xué)系統(tǒng)后，其波前會(huì)發(fā)生畸變，這種波前畸變通常會(huì)隨著激光輸 出功率的增加而變得更加嚴(yán)重。高功率激光束波前的畸變中一般包含熱透鏡效應(yīng)等因素引起的低階畸變和溫度不均勻分布、衍射等因素引起的高階畸變，低階畸變可以利用光學(xué)元件進(jìn)行修正或補(bǔ)償，高階畸變目前基本采用主要由變形鏡組成的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行校正，這項(xiàng)技術(shù)通常用來校正大氣擾動(dòng)引起的相差，用于高功率固體激光系統(tǒng)中也獲得了成功。但是隨高功率固體激光技術(shù)的發(fā)展，激光器的輸出功率越來越高，影響的波前畸變也越來越大，變形鏡系統(tǒng)遇到了一些難以逾越的障礙，一是破壞問題，變形鏡要通過鏡面起伏變形來改變激光的波前，所以鏡面膜層較薄，且散熱能力較差，因此抗激光損傷能力相對較弱，在高功率激光系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生變形鏡表面損傷問題。二是行程量小，受變形鏡材料限制，變形鏡面形不能在大范圍內(nèi)變化，通常的最大行程在10 μ m左右，而高功率固體激光系統(tǒng)中如果要提高激光輸出功率激光光束就要通過更長的增益介質(zhì)，相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生很大的波前畸變，這就經(jīng)常會(huì)超出變形鏡的行程范圍，因此反過來制約了激光功率的進(jìn)一步提高。除了以變形鏡為代表的反射式波前校正器之外，還有透射式的波前校正器，其中主要有衍射光學(xué)元件和透射式液晶空間光調(diào)制器。衍射光學(xué)元件利用了光的波動(dòng)性，在一片光學(xué)材料的基底上做出許多臺(tái)階狀的亞微米、微米量級的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)光投射到這些帶有浮雕結(jié)構(gòu)的器件表面時(shí)，波前受到調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)某些光學(xué)功能。主要優(yōu)點(diǎn)是這種元件是純相位型的，有極高的衍射效率，不僅能夠產(chǎn)生任何形式的波前，而且還能對光波波前進(jìn)行變換和矯正；可以大量復(fù)制；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕型化、集成化。但其用于高功率激光光束校正時(shí)需要準(zhǔn)確測量出激光束波前然后再進(jìn)行光學(xué)加工，這就使得其要求激光束有非常好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，否則波前校正能力大幅度降低，由于實(shí)際工作中高功率固體激光器的調(diào)試和元器件更換等改變是不可避免的，所以激光波前難以保持不變，所以這種方法目前很少用于高功率固體激光光束波前的校正。液晶光調(diào)制器是以電寫入液晶空間光調(diào)制器為核心，結(jié)合濾波、CXD采集、監(jiān)視器及計(jì)算機(jī)組成的實(shí)時(shí)、可調(diào)控的激光光束空間整形系統(tǒng)。它由兩偏振片夾一液晶顯示層構(gòu)成，通過液晶分子的旋光偏振性和雙折射性來實(shí)現(xiàn)對入射光束的波面振幅和相位的調(diào)制，即其光學(xué)調(diào)制特性主要是旋光偏振性和雙折射性。通過設(shè)置不同的偏振片的相對偏振方位，改變加在液晶像素上的電壓，可獲得相應(yīng)液晶空間光調(diào)制器的調(diào)制模式與調(diào)制特性曲線?，F(xiàn)在最通行的電尋址液晶空間光調(diào)制器是薄膜晶體管透射陣列式液晶電視，這種電尋址液晶空間光調(diào)制器能方便地與計(jì)算機(jī)接口，在設(shè)定的光學(xué)調(diào)制模式下，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的單元像素的振幅或相位的調(diào)制。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)可控的校正波前，缺點(diǎn)是激光損傷閾值較低，僅適用于高功率激光系統(tǒng)前級，但由于高功率激光系統(tǒng)波前畸變主要產(chǎn)生于放大級，如果采用預(yù)控制技術(shù)的話有會(huì)遇到孔徑限制等難題，所以液晶空間光調(diào)制器目前也較少用于高功率激光系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置及激光光束波前校正方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題。本發(fā)明提供一種用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置，包括設(shè)置于固體激光器的激光增益介質(zhì)之后，光學(xué)裝置具體包括光學(xué)材料、與光學(xué)材料表面相連接的一個(gè)或多個(gè)溫控單元、與各個(gè)溫控單元相連接的散熱裝置、以及控制溫控單元的溫度控制器；光學(xué)材料，用于通過一個(gè)端面接收從激光增益介質(zhì)射出的激光光束，并從另一個(gè)端面射出激光光束，或者，從接收激光光束的端面射出；溫控單元，用于在溫度控制器的控制下發(fā)熱或者制冷；散熱裝置，用于在溫度控制器控制溫控單元制冷時(shí)，為溫控單元排出其產(chǎn)生的廢熱；溫度控制器，用于控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，以控制激光光束在光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，對射入光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正。優(yōu)選地，光學(xué)材料為光學(xué)玻璃、陶瓷、或者晶體；光學(xué)材料為多邊形立體結(jié)構(gòu)；光學(xué)材料的兩個(gè)端面上鍍有膜。優(yōu)選地，溫控單元通過導(dǎo)熱膠粘接在光學(xué)材料的一個(gè)或多個(gè)面上，或者，溫控單元通過金屬焊接的方式固定在光學(xué)材料的一個(gè)或多個(gè)面上。優(yōu)選地，在光學(xué)材料連接溫控單元的表面通過掩膜板被金屬化形成由多個(gè)金屬塊組成的金屬網(wǎng)格，通過掩膜板被金屬化的各個(gè)溫控單元分別與金屬網(wǎng)格中的各個(gè)金屬塊焊接連接，其中，金屬網(wǎng)格中的各個(gè)金屬塊之間不互相連接。優(yōu)選地，光學(xué)材料與每個(gè)溫控單元之間均設(shè)置有一個(gè)導(dǎo)熱金屬錐體，溫控單元固定于導(dǎo)熱金屬錐體的面積較大的一端，導(dǎo)熱金屬錐體的面積較小一端與光學(xué)材料連接，導(dǎo)熱金屬錐體用于將溫控單元的溫度傳導(dǎo)到光學(xué)材料上。優(yōu)選地，每個(gè)溫控單元上設(shè)置有一個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器用于向溫度控制器發(fā)送相應(yīng)溫控單元的溫度。優(yōu)選地，溫度控制器具體用于通過控制激光光束在光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，使光學(xué)材料中激光光束通過路徑上的溫差分布與激光增益介質(zhì)中激光光束通過路徑上的的溫差分布互補(bǔ)，從而對射入光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正。優(yōu)選地，溫度控制器具體用于通過控制激光光束在光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，使激光光束通過路徑上的光程差積分與激光增益介質(zhì)的光程差積分相加為零，對射入光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正。優(yōu)選地，溫度控制器具體用于分別對每一個(gè)溫控單元進(jìn)行控制、和/或?qū)τ啥鄠€(gè)溫控單元組成的溫控單元組進(jìn)行控制。優(yōu)選地，溫控單元為溫度電子控制器TEC。優(yōu)選地，溫度控制器具體用于通過控制流過溫控單元的電流方向，控制溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并通過控制流過溫控單元的電流大小，控制溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，其中，在流過溫控單元的電流方向?yàn)檎驎r(shí)溫控單元制冷，在流過溫控單元的電流方向?yàn)榉聪驎r(shí)溫控單元發(fā)熱。本發(fā)明還提供了一種激光光束波前校正方法，包括光學(xué)材料的一個(gè)端面接收從 激光增益介質(zhì)射出的激光光束；溫度控制器控制光學(xué)材料的溫度分布，從而控制激光光束在光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，對射入光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正；進(jìn)行波前矯正后的激光光束從光學(xué)材料的另一個(gè)端面射出，或者，從接收激光光束的端面射出。優(yōu)選地，溫度控制器控制光學(xué)材料的溫度分布具體包括溫度控制器控制固定于光學(xué)材料表面的一個(gè)或多個(gè)溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷、并控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，從而控制光學(xué)材料的溫度分布。優(yōu)選地，溫度控制器控制光學(xué)材料中通過路徑上的溫差分布與激光增益介質(zhì)的溫差分布互補(bǔ)。優(yōu)選地，溫度控制器控制光學(xué)材料中通過路徑上的溫差分布與激光增益介質(zhì)的溫差分布互補(bǔ)具體包括溫度控制器控制光學(xué)材料的溫度分布，使得激光光束通過路徑上的光程差積分與激光增益介質(zhì)的光程差積分相加為零。優(yōu)選地，溫控單元為溫度電子控制器TEC;溫度控制器控制固定于光學(xué)材料表面的一個(gè)或多個(gè)溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷、并控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量具體包括溫度控制器通過控制流過溫控單元的電流方向，控制溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并通過控制流過溫控單元的電流大小，控制溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，其中，在流過溫控單元的電流方向?yàn)檎驎r(shí)溫控單元制冷，在流過溫控單元的電流方向?yàn)榉聪驎r(shí)溫控單元發(fā)熱。本發(fā)明有益效果如下通過在固體激光器的激光增益介質(zhì)后增加本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)材料，利用溫度控制技術(shù)控制光學(xué)材料中的溫度分布，由于光學(xué)材料的折射率隨溫度變化的特性，當(dāng)激光束通過該光學(xué)材料后，由于波面上不同點(diǎn)之間存在光程差，因此實(shí)現(xiàn)了對波前的控制，本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案的光學(xué)材料抗激光損傷閾值非常高，此外，可以采用激光透射率很高的光學(xué)材料，所以對激光吸收很少；本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)材料造價(jià)低，對光學(xué)材料生產(chǎn)和加工沒有嚴(yán)苛的要求，溫度控制器件也是市場化程度很高的器件；此外，本發(fā)明實(shí)施例的波前校正動(dòng)態(tài)范圍大，很簡單的增加光學(xué)材料長度就可以增加激光光束在波前校正器中的傳播距離，進(jìn)而增加光程差，也就是增加了波前校正動(dòng)態(tài)范圍。上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。


通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號(hào)表示相同的部件。在附圖中圖I是本發(fā)明實(shí)施例的用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的透射型溫度分布式波前控制器的結(jié)構(gòu)示意圖一；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的透射型溫度分布式波前控制器的結(jié)構(gòu)示意圖二 ；圖4是本發(fā)明實(shí)施例的反射型溫度分布式波前控制器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例的激光光束波前校正方法的流程圖。
具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。本發(fā)明提供了一種用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置及激光光束波前校正方法，將陣列熱源加載在光學(xué)材料表面，當(dāng)溫度平衡后就會(huì)在光學(xué)材料內(nèi)部形成各種溫場分布，當(dāng)激光光束通過這個(gè)光學(xué)材料時(shí)其波前就會(huì)產(chǎn)生變化，控制這種變化就可以達(dá)到改善激光光束波前的目的。在本發(fā)明實(shí)施例中，可以將一定數(shù)量TEC排列起來構(gòu)成熱源陣列，利用TEC兼具制冷和加熱的能力，控制每一個(gè)TEC單元的溫度，最后在光學(xué)材料內(nèi)部形成所需的溫度場分布。以下結(jié)合附圖以及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。裝置實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置，設(shè)置于固體激光器的激光增益介質(zhì)之后，圖I是本發(fā)明實(shí)施例的用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖I所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)裝置具體包括光學(xué)材料10、與所述光學(xué)材料10表面相連接的一個(gè)或多個(gè)溫控單元12、與各個(gè)溫控單元12相連接的散熱裝置14、以及控制所述溫控單元12的溫度控制器16 ;以下對本發(fā)明實(shí)施例的各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的說明。光學(xué)材料10，用于通過一個(gè)端面接收從激光增益介質(zhì)射出的激光光束，并從另一個(gè)端面射出激光光束，或者，從接收激光光束的端面射出；優(yōu)選地，光學(xué)材料10為光學(xué)玻璃、陶瓷、或者晶體；光學(xué)材料10為多邊形立體結(jié)構(gòu)；光學(xué)材料10的兩個(gè)端面上鍍有膜。溫控單元12，用于在溫度控制器16的控制下發(fā)熱或者制冷；優(yōu)選地，溫控單元12通過導(dǎo)熱膠粘接在光學(xué)材料10的一個(gè)或多個(gè)面上，或者，溫控單元12通過金屬焊接的方式固定在光學(xué)材料10的一個(gè)或多個(gè)面上。溫控單兀12可以為溫度電子控制器TEC。在實(shí)際應(yīng)用中，可以在光學(xué)材料10連接溫控單元12的表面通過掩膜板被金屬化形成由多個(gè)金屬塊組成的金屬網(wǎng)格，通過掩膜板被金屬化的各個(gè)溫控單元12分別與金屬網(wǎng)格中的各個(gè)金屬塊焊接連接，其中，金屬網(wǎng)格中的各個(gè)金屬塊之間不互相連接。如果需要減少光學(xué)材料10的受熱面積，光學(xué)材料10與每個(gè)溫控單元12之間均設(shè)置有一個(gè)導(dǎo)熱金屬錐體，溫控單元12固定于導(dǎo)熱金屬錐體的面積較大的一端，導(dǎo)熱金屬錐體的面積較小一端與光學(xué)材料10連接，導(dǎo)熱金屬錐體用于將溫控單元12的溫度傳導(dǎo)到光學(xué)材料10上為了使溫度控制器16準(zhǔn)確地控制每一個(gè)溫控單元12，每個(gè)溫控單元12上可以設(shè)置有一個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器用于向溫度控制器16發(fā)送相應(yīng)溫控單元12的溫度。散熱裝置14，用于在溫度控制器16控制溫控單元12制冷時(shí)，為溫控單元12排出其產(chǎn)生的廢熱；溫度控制器16，用于控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元12進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元12的發(fā)熱量或者制冷量，以控制激光光束在光學(xué)材料10中通過路徑上的溫度，對射入光學(xué)材料10的激光光束波前進(jìn)行矯正。
溫度控制器16具體用于通過控制激光光束在光學(xué)材料10中通過路徑上的溫度，使光學(xué)材料10中激光光束通過路徑上的溫差分布與激光增益介質(zhì)中激光光束通過路徑上的的溫差分布互補(bǔ)，從而對射入光學(xué)材料10的激光光束波前進(jìn)行矯正。此外，溫度控制器16通過控制激光光束在光學(xué)材料10中通過路徑上的溫度，使激光光束通過路徑上的光程差積分與所述激光增益介質(zhì)的光程差積分相加為零，對射入光學(xué)材料10的激光光束波前進(jìn)行矯正。在實(shí)際應(yīng)用中，溫度控制器16可以分別對每一個(gè)溫控單元12進(jìn)行控制、和/或?qū)τ啥鄠€(gè)溫控單元12組成的溫控單元12組進(jìn)行控制。在本發(fā)明實(shí)施例中，如果溫控單元12為溫度電子控制器TEC，則溫度控制器16通過控制流過溫控單元12的電流方向，控制溫控單元12進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并通過控制流過溫控單元12的電流大小,控制溫控單元12的發(fā)熱量或者制冷量,其中，在流過溫控單元12的電流方向?yàn)檎驎r(shí)溫控單元12制冷，在流過溫控單元12的電流方向?yàn)榉聪驎r(shí)溫控單元12發(fā)熱。以下結(jié)合附圖，以TEC為例，對本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。激光增益介質(zhì)中的溫度不均勻分布是導(dǎo)致固體激光光束畸變的主要原因，而固體激光器研制過程中，通過合理設(shè)計(jì)，通常可以保證激光增益介質(zhì)吸收的泵浦光均勻，也就是激光增益介質(zhì)受熱近似均勻，溫度的不均勻分布主要是由于增益介質(zhì)的不均勻冷卻造成的，而增益介質(zhì)的冷卻都是通過增益介質(zhì)的外表面進(jìn)行冷卻，與金屬散熱材料接觸良好的地方，激光增益介質(zhì)的溫度較低，反之溫度就較高，對于液體冷卻方式而言，同樣的如果液體流速不均勻或流動(dòng)方式不同同樣會(huì)造成激光增益介質(zhì)的各個(gè)部分溫度產(chǎn)生差異。對于激光增益介質(zhì)來說，溫度不同時(shí)激光增益介質(zhì)的材料折射率不同，當(dāng)激光光束通過激光增益介質(zhì)后對于激光波面來說，所經(jīng)過的區(qū)域光程差不同，因此波面產(chǎn)生變形。根據(jù)光的可逆原理，如果主動(dòng)將通過增益介質(zhì)后的激光光束再通過一塊溫度分布與增益介質(zhì)互補(bǔ)的光學(xué)材料，激光光束波前就會(huì)得到恢復(fù)，再由光程差的累加原理，該補(bǔ)償光學(xué)材料不必處處溫度分布與增益介質(zhì)互補(bǔ)，僅需要保證通過路徑上的溫度積分也就是光程與增益介質(zhì)的溫度積分相等即可。在實(shí)際應(yīng)用中，最好選取對激光透過率高的光學(xué)材料，不同激光波長應(yīng)選用不同透過率波段的光學(xué)材料，如1064nm激光可以選用石英玻璃、k9玻璃、Nd: YAG晶體或陶瓷等，將光學(xué)材料加工成各種立體結(jié)構(gòu)，以長方體為例，可以將光學(xué)材料的兩個(gè)表面拋光鍍膜，作為激光光束的入射面和出射面，激光在長方體的一端進(jìn)入，在另一個(gè)端面輸出，在兩個(gè)側(cè)面排布TEC陣列，對應(yīng)需校正的波前畸變類型不同，陣列中包含TEC數(shù)量可以是一個(gè)或幾十個(gè)。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的透射型溫度分布式波前控制器的結(jié)構(gòu)示意圖一，圖3是本發(fā)明實(shí)施例的透射型溫度分布式波前控制器的結(jié)構(gòu)示意圖二，如圖2和圖3所示，I表示入射激光波前，2表示出射激光波前，3表示TEC熱沉，4表示TEC單元，5表示光學(xué)材料。在圖2中，光學(xué)材料的上下面固定有TEC單元，在圖3中，光學(xué)材料的前后面固定有TEC單元，在實(shí)際應(yīng)用中，TEC單元的排列可以有多種結(jié)構(gòu)。如圖2、3所示的結(jié)構(gòu)，激光光束I由控制器一端進(jìn)入波前控制器，通過分析出射激光光束2的波前情況調(diào)整各個(gè)TEC單元的溫度，最后獲得改善的激光光束波前。圖4是本發(fā)明實(shí)施例的反射型溫度分布式波前控制器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，I表不入射激光波前，2表不出射激光波前,3表不TEC熱沉,4表不TEC單兀,5表不光學(xué)材料。在圖4中，TEC單元被設(shè)置在與激光入射端面相對的端面上，激光光束以0° 90°入射進(jìn)入光學(xué)材料，通過特定溫度分布的區(qū)域后反射輸出，這種方法可以實(shí)現(xiàn)光路原路返回，其在 激光器中的使用方法就與變形鏡類似，通過將光學(xué)材料加工成多邊形立體結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多反射面，根據(jù)控制方法不同，TEC等溫控單元可以加載在任意一個(gè)表面。TEC單元電流正向時(shí)是制冷，電流反向時(shí)是加熱，通過對流經(jīng)的電流大小控制來控制制冷或加熱量，進(jìn)而控制溫度，TEC陣列中的每一個(gè)TEC應(yīng)可單獨(dú)控制溫度，如果采用的波前校正算法需要知道每一個(gè)TEC單元的溫度，還可以在每一個(gè)TEC單元旁邊安裝一個(gè)溫度傳感器。TEC單元與光學(xué)材料之間的連接應(yīng)該具有良好的導(dǎo)熱性和連接強(qiáng)度，可以采用導(dǎo)熱膠或金屬焊接的工藝連接TEC單元與光學(xué)材料，溫度傳感器通過導(dǎo)熱膠固定在僅靠TEC單元的光學(xué)材料表面即可。TEC單元面積一般在50mm2以上，如果想減小熱源面積，可以將TEC單元固定在一個(gè)金屬錐體的面積較大一端，面積較小一端與光學(xué)材料連接，金屬錐體采用導(dǎo)熱率好的金屬材料，比如銅、鋁等。此外，TEC單元一個(gè)面與光學(xué)材料相連，另一面與熱沉相連，將TEC單元產(chǎn)生的廢熱帶走。具體地，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過掩膜板在光學(xué)材料側(cè)面金屬化，可以形成由一系列金屬塊組成金屬網(wǎng)格，金屬塊之間不連接，保證各個(gè)溫控區(qū)域之間具有一定的熱阻，然后通過銦焊和同樣被金屬化的TEC連接起來(可以加入一個(gè)金屬錐體達(dá)到減小熱接觸面積的作用)；TEC也可以直接用導(dǎo)熱膠粘接在增益介質(zhì)表面，TEC另一端連接風(fēng)冷或水冷熱沉。綜上所述，借助于本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，通過在固體激光器的激光增益介質(zhì)后增加本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)材料，利用溫度控制技術(shù)控制光學(xué)材料中的溫度分布，由于光學(xué)材料的折射率隨溫度變化的特性，當(dāng)激光束通過該光學(xué)材料后，由于波面上不同點(diǎn)之間存在光程差，因此實(shí)現(xiàn)了對波前的控制，本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案的光學(xué)材料抗激光損傷閾值非常高，此外，可以采用激光透射率很高的光學(xué)材料，所以對激光吸收很少；本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)材料造價(jià)低，對光學(xué)材料生產(chǎn)和加工沒有嚴(yán)苛的要求，溫度控制器件也是市場化程度很高的器件；此外，本發(fā)明實(shí)施例的波前校正動(dòng)態(tài)范圍大，很簡單的增加光學(xué)材料長度就可以增加激光光束在波前校正器中的傳播距離，進(jìn)而增加光程差，也就是增加了波前校正動(dòng)態(tài)范圍。方法實(shí)施例
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種激光光束波前校正方法，用于上述裝置實(shí)施例中的用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置，圖5是本發(fā)明實(shí)施例的激光光束波前校正方法的流程圖，如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光光束波前校正方法包括如下處理步驟501，光學(xué)材料的一個(gè)端面接收從激光增益介質(zhì)射出的激光光束；步驟502，溫度控制器控制光學(xué)材料的溫度分布，從而控制激光光束在光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，對射入光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正；在步驟502中，溫度控制器控制光學(xué)材料的溫度分布具體包括溫度控制器控制固定于光學(xué)材料表面的一個(gè)或多個(gè)溫控單元進(jìn)行 發(fā)熱或者制冷、并控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，從而控制光學(xué)材料的溫度分布。溫度控制器控制光學(xué)材料中通過路徑上的溫差分布與激光增益介質(zhì)的溫差分布互補(bǔ)。優(yōu)選地，溫度控制器控制光學(xué)材料的溫度分布，使得激光光束通過路徑上的光程差積分與所述激光增益介質(zhì)的光程差積分相加為零，從而控制光學(xué)材料中通過路徑上的溫差分布與激光增益介質(zhì)的溫差分布互補(bǔ)。優(yōu)選地，溫控單元為溫度電子控制器TEC;溫度控制器控制固定于光學(xué)材料表面的一個(gè)或多個(gè)溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷、并控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量具體包括溫度控制器通過控制流過溫控單元的電流方向，控制溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并通過控制流過溫控單元的電流大小，控制溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，其中，在流過溫控單元的電流方向?yàn)檎驎r(shí)溫控單元制冷，在流過溫控單元的電流方向?yàn)榉聪驎r(shí)溫控單元發(fā)熱。步驟503，進(jìn)行波前矯正后的激光光束從光學(xué)材料的另一個(gè)端面射出，或者，從接收激光光束的端面射出。綜上所述，借助于本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，通過在固體激光器的激光增益介質(zhì)后增加本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)材料，利用溫度控制技術(shù)控制光學(xué)材料中的溫度分布，由于光學(xué)材料的折射率隨溫度變化的特性，當(dāng)激光束通過該光學(xué)材料后，由于波面上不同點(diǎn)之間存在光程差，因此實(shí)現(xiàn)了對波前的控制，本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案的光學(xué)材料抗激光損傷閾值非常高，此外，可以采用激光透射率很高的光學(xué)材料，所以對激光吸收很少；本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)材料造價(jià)低，對光學(xué)材料生產(chǎn)和加工沒有嚴(yán)苛的要求，溫度控制器件也是市場化程度很高的器件；此外，本發(fā)明實(shí)施例的波前校正動(dòng)態(tài)范圍大，很簡單的增加光學(xué)材料長度就可以增加激光光束在波前校正器中的傳播距離，進(jìn)而增加光程差，也就是增加了波前校正動(dòng)態(tài)范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，盡管在此所述的一些實(shí)施例包括其它實(shí)施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實(shí)施例的特征的組合意味著處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)并且形成不同的實(shí)施例。例如，在下面的權(quán)利要求書中，所要求保護(hù)的實(shí)施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。應(yīng)該注意的是上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計(jì)出替換實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置，其特征在于，設(shè)置于固體激光器的激光增益介質(zhì)之后，所述光學(xué)裝置具體包括光學(xué)材料、與所述光學(xué)材料表面相連接的一個(gè)或多個(gè)溫控單元、與各個(gè)溫控單元相連接的散熱裝置、以及控制所述溫控單元的溫度控制器； 所述光學(xué)材料，用于通過一個(gè)端面接收從所述激光增益介質(zhì)射出的激光光束，并從另一個(gè)端面射出所述激光光束，或者，從接收所述激光光束的端面射出； 所述溫控單元，用于在所述溫度控制器的控制下發(fā)熱或者制冷； 所述散熱裝置，用于在所述溫度控制器控制所述溫控單元制冷時(shí)，為溫控單元排出其產(chǎn)生的廢熱； 所述溫度控制器，用于控制所述一個(gè)或多個(gè)溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并控制所述一個(gè)或多個(gè)溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，以控制所述激光光束在所述光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，對射入所述光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正。
2.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)裝置，其特征在于， 所述光學(xué)材料為光學(xué)玻璃、陶瓷、或者晶體； 所述光學(xué)材料為多邊形立體結(jié)構(gòu)； 所述光學(xué)材料的所述兩個(gè)端面上鍍有膜。
3.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述溫控單元通過導(dǎo)熱膠粘接在所述光學(xué)材料的一個(gè)或多個(gè)面上，或者，所述溫控單元通過金屬焊接的方式固定在所述光學(xué)材料的一個(gè)或多個(gè)面上。
4.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)裝置，其特征在于，在所述光學(xué)材料連接所述溫控單元的表面通過掩膜板被金屬化形成由多個(gè)金屬塊組成的金屬網(wǎng)格，通過所述掩膜板被金屬化的各個(gè)溫控單元分別與所述金屬網(wǎng)格中的各個(gè)金屬塊焊接連接，其中，所述金屬網(wǎng)格中的各個(gè)金屬塊之間不互相連接。
5.如權(quán)利要求I或4所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述光學(xué)材料與每個(gè)溫控單元之間均設(shè)置有一個(gè)導(dǎo)熱金屬錐體，所述溫控單元固定于所述導(dǎo)熱金屬錐體的面積較大的一端，所述導(dǎo)熱金屬錐體的面積較小一端與所述光學(xué)材料連接，所述導(dǎo)熱金屬錐體用于將所述溫控單元的溫度傳導(dǎo)到所述光學(xué)材料上。
6.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，每個(gè)溫控單元上設(shè)置有一個(gè)溫度傳感器，所述溫度傳感器用于向所述溫度控制器發(fā)送相應(yīng)溫控單元的溫度。
7.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述溫度控制器具體用于通過控制所述激光光束在所述光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，使所述光學(xué)材料中所述激光光束通過路徑上的溫差分布與所述激光增益介質(zhì)中所述激光光束通過路徑上的的溫差分布互補(bǔ)，從而對射入所述光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述溫度控制器具體用于通過控制所述激光光束在所述光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，使所述激光光束通過路徑上的光程差積分與所述激光增益介質(zhì)的光程差積分相加為零，對射入所述光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正。
9.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述溫度控制器具體用于分別對每一個(gè)溫控單元進(jìn)行控制、和/或?qū)τ啥鄠€(gè)溫控單元組成的溫控單元組進(jìn)行控制。
10.如權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述溫控單元為溫度電子控制器TEC。
11.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)裝置，其特征在于，所述溫度控制器具體用于通過控制流過所述溫控單元的電流方向，控制所述溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并通過控制流過所述溫控單元的電流大小，控制所述溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，其中，在流過所述溫控單元的電流方向?yàn)檎驎r(shí)所述溫控單元制冷，在流過所述溫控單元的電流方向?yàn)榉聪驎r(shí)所述溫控單元發(fā)熱。
12.—種激光光束波前校正方法，其特征在于，包括 光學(xué)材料的一個(gè)端面接收從所述激光增益介質(zhì)射出的激光光束； 溫度控制器控制所述光學(xué)材料的溫度分布，從而控制所述激光光束在所述光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，對射入所述光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正； 進(jìn)行波前矯正后的激光光束從所述光學(xué)材料的另一個(gè)端面射出，或者，從接收所述激光光束的端面射出。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述溫度控制器控制所述光學(xué)材料的溫度分布具體包括 所述溫度控制器控制固定于所述光學(xué)材料表面的一個(gè)或多個(gè)溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷、并控制所述一個(gè)或多個(gè)溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，從而控制所述光學(xué)材料的溫度分布。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，溫度控制器控制所述光學(xué)材料的溫度分布具體包括 所述溫度控制器控制所述光學(xué)材料中通過路徑上的溫差分布與所述激光增益介質(zhì)的溫差分布互補(bǔ)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述溫度控制器控制所述光學(xué)材料中通過路徑上的溫差分布與所述激光增益介質(zhì)的溫差分布互補(bǔ)具體包括所述溫度控制器控制光學(xué)材料的溫度分布，使得所述激光光束通過路徑上的光程差積分與所述激光增益介質(zhì)的光程差積分相加為零。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述溫控單元為溫度電子控制器TEC； 所述溫度控制器控制固定于所述光學(xué)材料表面的一個(gè)或多個(gè)溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷、并控制所述一個(gè)或多個(gè)溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量具體包括 所述溫度控制器通過控制流過所述溫控單元的電流方向，控制所述溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并通過控制流過所述溫控單元的電流大小，控制所述溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，其中，在流過所述溫控單元的電流方向?yàn)檎驎r(shí)所述溫控單元制冷，在流過所述溫控單元的電流方向?yàn)榉聪驎r(shí)所述溫控單元發(fā)熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于激光光束波前校正的光學(xué)裝置及激光光束波前校正方法。該光學(xué)裝置包括光學(xué)材料，用于通過一個(gè)端面接收從激光增益介質(zhì)射出的激光光束，并從另一個(gè)端面射出激光光束，或者，從接收激光光束的端面射出；溫控單元，用于在溫度控制器的控制下發(fā)熱或者制冷；散熱裝置，用于在溫度控制器控制溫控單元制冷時(shí)，為溫控單元排出其產(chǎn)生的廢熱；溫度控制器，用于控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元進(jìn)行發(fā)熱或者制冷，并控制一個(gè)或多個(gè)溫控單元的發(fā)熱量或者制冷量，以控制激光光束在光學(xué)材料中通過路徑上的溫度，對射入光學(xué)材料的激光光束波前進(jìn)行矯正。
文檔編號(hào)H01S3/13GK102957085SQ20121046861
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者劉磊, 劉洋, 王超, 劉剛, 梁興波, 王文濤, 唐曉軍, 趙鴻 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所