板條激光器光束質(zhì)量控制技術(shù)研究進(jìn)展

閆鈺鋒，于 洋，白素平，倪小龍，張 暉，于 信

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

“熱效應(yīng)”嚴(yán)重限制了傳統(tǒng)固體棒狀激光器的輸出功率和光束質(zhì)量的提升[1-2]。為了更好地解決這一問題，獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，William S.Martin和Joseph P.Chernoch于1969年首次提出板條激光器的概念[3]。板條狀的增益介質(zhì)具有更大的冷卻端面，且溫度梯度分布可以簡(jiǎn)化為一維對(duì)稱式分布。因此，配合“之”字形的傳播路徑，能夠?qū)Α盁嵝?yīng)”起到一定的補(bǔ)償作用，使光束質(zhì)量有所提升[4-7]。這也使板條狀的增益介質(zhì)成為獲得高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的有效技術(shù)途徑之一[8-9]。雖然，板條激光器具有抑制“熱效應(yīng)”的優(yōu)點(diǎn)，但是早期的研究表明，這種板條狀的增益介質(zhì)對(duì)加工精度的要求過(guò)為嚴(yán)格，并且受到加工工藝、泵浦均勻性和冷卻方案等諸多因素的限制，板條狀激光器并未得到廣泛應(yīng)用[10]。近年來(lái)隨著二極管泵浦技術(shù)及加工工藝等工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，板條激光器的優(yōu)越性逐漸展現(xiàn)出來(lái)，并且獲得了幾百瓦近衍射極限(DL)的激光輸出[11-12]。然而，當(dāng)激光器的功率提升到千瓦量級(jí)時(shí)，其輸出光束質(zhì)量也將達(dá)到幾倍甚至幾十倍衍射極限，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。并且隨著功率持續(xù)提升，其輸出光束受“熱效應(yīng)”的影響越發(fā)嚴(yán)重，使其光束質(zhì)量隨著功率的提升迅速惡化，難以滿足研究人員對(duì)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的需求[13-14]。因此，研究人員不得不追尋新的技術(shù)路線，在保障高輸出功率的同時(shí)，滿足高光束質(zhì)量的需求。至此，光束質(zhì)量的控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且已經(jīng)逐漸發(fā)展成為板條激光器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 板條激光器光束質(zhì)量控制技術(shù)

光束質(zhì)量控制的實(shí)質(zhì)就是如何消除或校正激光光束中的像差，目前，板條激光器光束質(zhì)量控制技術(shù)主要可以分為被動(dòng)式校正技術(shù)和主動(dòng)式校正技術(shù)[15]。被動(dòng)式校正技術(shù)又可以大致分為兩類：第一類是通過(guò)優(yōu)化激光器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)像差校正；第二類是采用靜態(tài)相位板進(jìn)行像差校正。主動(dòng)式校正技術(shù)主要可以分為以下3類：第一類是非線性光學(xué)像差校正技術(shù)；第二類是自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)；第三類是幾何光學(xué)像差校正技術(shù)。

2.1 被動(dòng)式像差校正技術(shù)

2.1.1 激光器優(yōu)化校正技術(shù)

激光器的優(yōu)化校正技術(shù)主要有增益介質(zhì)的優(yōu)化、冷卻方法的優(yōu)化、泵浦光的優(yōu)化[16]3種方式。

(1)對(duì)增益介質(zhì)的優(yōu)化：(a)幾何形狀。通過(guò)改變?cè)鲆娼橘|(zhì)的幾何形狀，優(yōu)化光束在其中的傳輸路徑，從而對(duì)由“熱效應(yīng)”引起的像差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，如將板條狀[17]改善為“之”字形的結(jié)構(gòu)[18]，能夠有效的抑制“熱效應(yīng)”對(duì)光束質(zhì)量的影響；(b)對(duì)增益介質(zhì)的外形尺寸進(jìn)行優(yōu)化。此種方法是通過(guò)優(yōu)化增益介質(zhì)的三維尺寸，尋找最優(yōu)的尺寸組合，在滿足應(yīng)力斷裂的前提下，盡量削弱溫度梯度分布的影響[19-20]；(c)對(duì)增益介質(zhì)材料的優(yōu)化。不同的摻雜濃度以及不同的摻雜成分將直接影響增益介質(zhì)對(duì)泵浦光的吸收效率和轉(zhuǎn)換效率，間接決定著增益介質(zhì)中殘余熱量的大小。因此，合理化設(shè)計(jì)摻雜濃度、選擇合適的摻雜成分對(duì)“熱效應(yīng)”也會(huì)起到一定的抑制作用[21-22]。

(2)在對(duì)冷卻方法進(jìn)行的優(yōu)化主要是在傳統(tǒng)的傳導(dǎo)式冷卻方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的創(chuàng)新，提出了浸入式液體冷卻和氣體冷卻的方式。與傳統(tǒng)的傳導(dǎo)冷卻方式相比，浸入式液體冷卻和氣體冷卻的方式，冷卻效率更高、效果更好。雖然在冷卻效果方面，液體冷卻方式和氣體冷卻方式?jīng)]有太大的區(qū)別，但是在對(duì)像差限制方面浸入式液體冷卻方式更加穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單[23-24]。

(3)泵浦光的優(yōu)化：(a)從燈泵到LD陣列泵浦的轉(zhuǎn)變，極大地提升了泵浦光的耦合效率，減小了“熱效應(yīng)”的影響，使輸出功率和光束質(zhì)量都得到了較大的提高。與二極管泵浦源相比，燈泵浦的譜線較寬，大部分波段不在增益介質(zhì)的吸收帶寬范圍內(nèi)，熱沉積比較嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了其功率和光束質(zhì)量的提升[10]。此外，通過(guò)優(yōu)化半導(dǎo)體激光器二極管陣列泵浦中二極管的排布方式以及采用柱面鏡、透鏡導(dǎo)管等器件對(duì)其輸出光束中的像差進(jìn)行校正，可以提高轉(zhuǎn)換效率，從而抑制熱效應(yīng)[25]。(b)改變泵浦光的抽運(yùn)方式，從而提高轉(zhuǎn)換效率，減小“熱效應(yīng)”的影響。經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化與創(chuàng)新，目前泵浦光的抽運(yùn)方式大致可以分為側(cè)面抽運(yùn)[26]、角抽運(yùn)[27]、面抽運(yùn)[28]和端面抽運(yùn)[29]4種。與端面抽運(yùn)方式相比，側(cè)面抽運(yùn)能夠保證較好的均勻性，有利于功率放大。端面抽運(yùn)有利于獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，且冷卻方式較為便捷。角泵浦則結(jié)合了以上兩種抽運(yùn)方式的優(yōu)點(diǎn)[30]。在采用主震蕩-功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)的功率放大器中，通過(guò)調(diào)整模塊間的像傳遞系統(tǒng)(4F)也可以達(dá)到像差校正的效果[31]。

雖然研究人員針對(duì)板條激光器從多個(gè)方面對(duì)“熱效應(yīng)”產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析與抑制。但是，針對(duì)其產(chǎn)生機(jī)理和抑制的研究工作只能減小“熱效應(yīng)”的影響，對(duì)光束質(zhì)量的改善效果有限。隨著激光器輸出功率的不斷提升，由“熱效應(yīng)”引起的波前畸變依然是限制高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的主要因素。針對(duì)這一問題，有學(xué)者提出應(yīng)采用額外的校正器件對(duì)激光器的殘余像差進(jìn)行校正。

2.1.2 靜態(tài)相位板校正技術(shù)

靜態(tài)相位板校正技術(shù)原理如圖1所示，當(dāng)入射波前不是平面波時(shí)，通過(guò)測(cè)量入射光的波前相位信息，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的變換，即可得到入射波前的共軛波，之后采用微光學(xué)加工技術(shù)，加工出與共軛波面面型一致的相位板，將其加入到光路中，即可消除靜態(tài)波前畸變的影響[32]。

圖1 靜態(tài)相位校正工作原理示意圖 Fig.1 Principle schematic of static phase corrector

靜態(tài)相位板校正技術(shù)在固體激光器中也得到了一定的應(yīng)用。國(guó)外方面，1999年勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Wade Williams對(duì)靜態(tài)相位板校正技術(shù)應(yīng)用于美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)中的像差校正效果進(jìn)行了相關(guān)的仿真工作。仿真過(guò)程中僅考慮由光學(xué)元件的加工誤差和泵浦光引起的像差成分對(duì)光束質(zhì)量的影響，對(duì)比分析了在90 ?/cm和75 ?/cm均方根(RMS)梯度值的加工誤差條件下，采用靜態(tài)相位板校正技術(shù)輔助自適應(yīng)光學(xué)(AO)校正技術(shù)對(duì)某一鏈路的光束，進(jìn)行像差校正所取得的不同效果。此外，在NIF系統(tǒng)中偶爾會(huì)出現(xiàn)更換增益介質(zhì)(板條)的情況，如果更換增益介質(zhì)，則會(huì)引入不同的加工誤差，引起像差成分的改變，在一定程度上降低校正效果，文中對(duì)更換增益介質(zhì)對(duì)像差校正效果的影響進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明：在加工誤差的RMS梯度值為90 ?/cm、80%焦斑環(huán)圍能量的條件下，三倍頻(3W)光束的初始發(fā)散角為58 μrad，只經(jīng)AO系統(tǒng)校正后，其光束發(fā)散角僅提升到42 μrad。在加入特定面型的靜態(tài)相位板后，其光束發(fā)散角能夠提升到16 μrad。然而在更換增益介質(zhì)后，其校正效果從16 μrad下降到30 μrad；在加工誤差的RMS梯度值為75 ?/cm的條件下，三倍頻(3W)光束的初始發(fā)散角為48 μrad左右，在僅經(jīng)過(guò)AO系統(tǒng)校正后，其光束發(fā)散角為42 μrad，在加入特定面型的靜態(tài)相位板后，其光束的發(fā)散角度能夠提升到14 μrad。在更換增益介質(zhì)后，其校正效果從14 μrad下降到24 μrad。通過(guò)加入特定像差成分的靜態(tài)相位板，能夠緩解AO系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器行程受限的問題，有效提升了AO系統(tǒng)的校正效果，從而提升了輸出光束的光束質(zhì)量[33]。2001年，T.H.Bett等人采用徑向剪切干涉儀對(duì)激光器輸出光束的波前像差進(jìn)行多次測(cè)量，取每一項(xiàng)澤尼克系數(shù)的平均值對(duì)波前信息進(jìn)行復(fù)原，根據(jù)所復(fù)原的面型，加工含有特定像差信息的相位板。通過(guò)所采集的同一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)入射激光光束的斯特列爾比為0.024時(shí)，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算其斯特列爾比能夠提升到0.17，提升近7.1倍。然而，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其斯特列爾比僅能夠達(dá)到0.1左右，僅提升了4.1倍。造成這種誤差的主要原因是相位板的加工誤差，如刻蝕深度誤差、面型誤差等加工誤差[34]。

2010年，Lumer等人采用靜態(tài)相位板校正技術(shù)對(duì)徑向偏振振蕩器中的球差實(shí)現(xiàn)了腔內(nèi)校正[35]。成功解決了由球差引起的在近光軸區(qū)域近乎為π的相位臺(tái)階突變和光斑中明顯的雙圓環(huán)結(jié)構(gòu)。通過(guò)在激光器腔內(nèi)加入對(duì)球差進(jìn)行校正的靜態(tài)相位板以及相應(yīng)的腔外校正技術(shù)，使得激光器的輸出功率從480 W提升到600 W，功率提升接近25%。光束質(zhì)量M2因子從5.4減小到3.5左右，降低了接近35%。其輸出功率和光束質(zhì)量明顯提升。這主要因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)像差的校正，抑制了原本輸出的TM11模，使其輸出模式變?yōu)門M01模。

圖2 像差補(bǔ)償前(a)和像差補(bǔ)償后(b)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖 Fig.2 Profiles at the Fourier plane without(a) and with(b) phase correction

國(guó)內(nèi)方面，2006年，張銳[36]等人對(duì)靜態(tài)像差校正技術(shù)在激光慣性約束聚變驅(qū)動(dòng)裝置中的應(yīng)用進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明校正后，波前的波峰波谷值(PV)和RMS均有了顯著降低，在95%焦斑環(huán)圍能量下，光束質(zhì)量β值能夠從6.21×DL提升到3.95×DL，主放大器的光束質(zhì)量得到了良好的改善。

將靜態(tài)相位板校正技術(shù)應(yīng)用于激光像差校正領(lǐng)域，雖然能夠起到一定的校正效果，但還不能實(shí)現(xiàn)近衍射極限的光束質(zhì)量[36]。限制因素主要有以下幾個(gè)方面：

(1)相位板的加工誤差。主要是刻蝕深度誤差以及由局部缺陷導(dǎo)致的面型誤差；

(2)像差的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)。在激光器中，像差不是恒定不變的。在受到溫度變化、震動(dòng)、氣流等因素的影響時(shí)，其將在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。而靜態(tài)相位板僅能夠?qū)μ囟ǖ南癫罱M合具有較好的校正效果，不能解決動(dòng)態(tài)校正問題，這也是限制其校正效果的主要因素。

因此，只能尋求新的校正方法來(lái)解決動(dòng)態(tài)校正問題，以進(jìn)一步提升激光器的光束質(zhì)量。但是，這種技術(shù)方案更適合于復(fù)雜龐大的激光系統(tǒng)中，校正由光學(xué)元件加工誤差引入的靜態(tài)像差。

2.2 主動(dòng)式校正技術(shù)

主動(dòng)式校正技術(shù)可以根據(jù)采用基礎(chǔ)理論的不同，大致分為非線性光學(xué)校正技術(shù)、自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)以及幾何光學(xué)校正技術(shù)3大類。 雖然采用的理論基礎(chǔ)不同，但校正原理均是通過(guò)共軛校正，只不過(guò)產(chǎn)生共軛波前的機(jī)理不同。

2.2.1 非線性光學(xué)校正技術(shù)

非線性光學(xué)校正技術(shù)是利用相位共軛鏡(PCM)實(shí)時(shí)產(chǎn)生入射波的相位共軛波，當(dāng)其再次通過(guò)增益介質(zhì)后，由“熱效應(yīng)”引起的原有像差信息與共軛波相互抵消，使像差得到校正[37]。由于PCM具有較高的反射率及保真度，使其在脈沖激光器中得到了比較廣泛的應(yīng)用。按照產(chǎn)生共軛波方式的不同，目前主要有受激布里淵散射(SBS)PCM、四波混頻(FWM)PCM、布里淵增強(qiáng)四波混頻PCM和光折變PCM等4種[15]。而應(yīng)用在固體激光器領(lǐng)域的主要是SBS-PCM和FWM-PCM兩種，其中前者較為普遍，技術(shù)相對(duì)比較成熟[38]。目前能夠產(chǎn)生SBS現(xiàn)象的介質(zhì)主要有氣體、液體和固體3類。由于氣體介質(zhì)的密度小，所以增益系數(shù)較低，雖然通過(guò)增壓方式可以提高介質(zhì)的密度，從而改善增益系數(shù)，但研究表明，增壓會(huì)影響光子的壽命，限制其校正效果。因此，目前常采用液體和固體介質(zhì)作為SBS-PCM的工作介質(zhì)[39]。

國(guó)外方面，2008年，日本的Ryo Yasuhara[40]等人，將SBS-PCM應(yīng)用于脈沖板條激光器中進(jìn)行像差校正，其系統(tǒng)示意圖如圖3所示。SBS-PCM被放置于第二放大鏈路的末端，采用FC-77的液體介質(zhì)，反射率能夠達(dá)到96%左右。其產(chǎn)生的共軛光波再次通過(guò)各增益模塊后，通過(guò)共軛補(bǔ)償原理，實(shí)現(xiàn)熱像差的校正。最終實(shí)現(xiàn)了平均功率為213 W、峰值功率達(dá)到2 GW、光束質(zhì)量接近衍射極限的激光輸出。

圖3 “之”字形板條激光器原理示意圖 Fig.3 Schematic diagram of the zigzag-type slab laser

國(guó)內(nèi)方面，2013年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)許平等人將SBS-PCM應(yīng)用于板條激光器中進(jìn)行腔內(nèi)熱像差校正，對(duì)光束質(zhì)量有一定的提升效果。其中SBS-PCM采用的介質(zhì)為C2CL4液體介質(zhì)，反射率能夠達(dá)到97%。但是由于液體介質(zhì)和閾值條件帶來(lái)的損耗會(huì)增加激光器的閾值電壓，并且使輸出光束的能量有所下降。

液體介質(zhì)不僅受到“熱效應(yīng)”和光學(xué)擊穿效應(yīng)的影響，而且還存在化學(xué)污染等問題[41]。因此，研究人員開展了全固化激光器的相關(guān)研究工作，即將固體介質(zhì)做成SBS-PCM應(yīng)用到固體激光器中進(jìn)行像差校正。

國(guó)外方面，2005年，Valeri I. Kovalev等人[42]報(bào)道了關(guān)于固體介質(zhì)SBS-PCM的研究進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。由主震蕩放大器產(chǎn)生的信號(hào)光在進(jìn)行6次功率提取后，進(jìn)入SBS-PCM，產(chǎn)生的共軛光波再次進(jìn)入多級(jí)放大器后，即可實(shí)現(xiàn)像差校正，最終進(jìn)行了12次的功率放大。文中還指出，當(dāng)入射光為線偏振光時(shí)，由SBS-PCM產(chǎn)生的共軛光波不在是偏振光，因?yàn)樵趯?duì)其反射率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在不考慮偏振問題時(shí)，其反射率為75%，而對(duì)線偏振光的反射率僅為35%，共軛波的偏振狀態(tài)發(fā)生了改變；另一方面，脈沖的形狀基本不變，但脈寬從140 μs壓縮到了100 μs。最終獲得了平均功率為300 W，光束質(zhì)量接近衍射極限的準(zhǔn)連續(xù)激光輸出(重復(fù)頻率為100 Hz)。

圖4 MOPA結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.4 Structural schematic of the MOPA

由于SBS-PCM的裝置相對(duì)比較簡(jiǎn)單，并且對(duì)泵浦光的均勻性要求較低，使得SBS-PCM能夠應(yīng)用于固體脈沖激光器中進(jìn)行像差校正。但其在高功率板條激光器中并沒有得到廣泛應(yīng)用。首先，將液體作為工作介質(zhì)反射率較高，但其反射率和共軛保真度均會(huì)受到入射光光束質(zhì)量的影響，當(dāng)入射光的聚焦光斑大于2.5倍艾里光斑的大小時(shí)[40]，其產(chǎn)生共軛光波的閾值條件將增加，補(bǔ)償效果將下降，難以解決大幅值像差的校正問題。雖然固體介質(zhì)SBS-PCM的閾值條件不會(huì)隨著入射光的光束質(zhì)量降低而下降，但是其共軛保真度會(huì)隨著入射光的光束質(zhì)量的下降而下降。其次，其損傷閾值低，受熱效應(yīng)影響比較嚴(yán)重，不僅使反射率、保真度等性能指標(biāo)急速下降，還將引起固體介質(zhì)的融化或氣化，并造成不可逆的損傷[44]。

另一方面，只有當(dāng)激光能量達(dá)到SBS效應(yīng)的閾值條件時(shí)，才能產(chǎn)生共軛光波，然而當(dāng)入射光的光強(qiáng)持續(xù)增加時(shí)，由于其他非線性效應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)作用，其反射率呈下降趨勢(shì)。而當(dāng)光強(qiáng)超出閾值許多倍時(shí)，還會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。此外，當(dāng)SBS-PCM作為腔鏡使用時(shí)，由于介質(zhì)閾值條件帶來(lái)的損耗會(huì)增加激光器的閾值電壓，并且使輸出光束的功率有所下降。SBS-PCM的上述缺陷，限制了其在高重復(fù)頻率、高平均功率、窄脈寬激光器中的應(yīng)用，此外SBS-PCM校正技術(shù)也難以應(yīng)用于連續(xù)型激光器中[45]。進(jìn)而，為了能夠更好地解決板條激光器像差校正的問題，研究人員對(duì)FWM-PCM校正技術(shù)開展了相關(guān)的研究工作。

圖5 互易式自校正諧振腔原理示意圖 Fig.5 Schematic diagram of reciprocal self-correcting resonator

2016年，M.KASKOW等人報(bào)道了關(guān)于FWM-PCM在板條激光器熱像差校正中新的進(jìn)展，圖6所示為非互易自校正式諧振腔的原理示意圖，與互易式諧振腔的區(qū)別主要是加入了由偏振片、半波片和法拉第旋轉(zhuǎn)器組成的非互異性透射元件(NRTE)來(lái)管理腔內(nèi)光束傳播方向。加入NRTE可以控制對(duì)向傳播光束的振幅，從而能夠有效提高衍射效率和抑制放大器的飽和效應(yīng)。引入第二個(gè)增益模塊主要是為了滿足激光產(chǎn)生閾值的要求。文中分析了不同θ角對(duì)光-光轉(zhuǎn)換效率的影響。得知，當(dāng)θ角減小時(shí)，光-光轉(zhuǎn)換效率會(huì)有所提升。然而，當(dāng)θ角過(guò)小時(shí)，會(huì)引起寄生震蕩。在θ=2.5 mrad時(shí)，獲得了單脈沖能量為228 mJ、光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到17.2%的激光輸出。由于NRTE沒能對(duì)單縱模光束起到增強(qiáng)作用，導(dǎo)致每個(gè)模式均產(chǎn)生增益光柵，形成一個(gè)非常復(fù)雜的周期結(jié)構(gòu)。另一方面，起到相位延遲作用的波片，只是對(duì)轉(zhuǎn)換效率和激光產(chǎn)生的閾值有影響，對(duì)腔內(nèi)模式選擇沒有影響，最終導(dǎo)致了高階橫模的輸出，并且在空間增益分布高度不均勻的情況下，使得光束質(zhì)量M2因子達(dá)到2.5左右[48]。

圖6 非互異性自校正諧振腔示意圖 Fig.6 Schematic of nonreciprocal resonator with self-correcting

國(guó)內(nèi)對(duì)FW-PCM在板條激光器像差校正方面的研究工作主要集中在北京工業(yè)大學(xué)，2014年，孫哲等人報(bào)道了開環(huán)互易式板條激光器的相關(guān)研究工作。該系統(tǒng)采用全息光柵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了波前像差的自校正。根據(jù)之前國(guó)外研究人員報(bào)道的相關(guān)文獻(xiàn)將這種全息光柵校正技術(shù)稱為FWM-PCM校正技術(shù)，這主要是因?yàn)槠洚a(chǎn)生共軛波的機(jī)理是FWM現(xiàn)象，從原理上與實(shí)現(xiàn)途徑上并沒有區(qū)別。該系統(tǒng)采用略入射的結(jié)構(gòu)，當(dāng)腔內(nèi)相交光束夾角為3°，略入射角為6°，泵浦光功率為38 W時(shí)，獲得了平均功率達(dá)到18.25 W，光-光轉(zhuǎn)換效率為48%，光束質(zhì)量M2因子小于1.2，消光比大于1 000∶1的線偏振激光輸出。實(shí)驗(yàn)中在相同的條件下，對(duì)傳統(tǒng)的自由振蕩激光器與互易式激光器的輸出光束的模式進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種互易式激光器的結(jié)構(gòu)能夠明顯減小縱模寬度和縱模數(shù)量，并且能夠起到像差校正的作用[49]。

與SBS-PCM校正技術(shù)相比，F(xiàn)WM-PCM校正技術(shù)雖然具有無(wú)閾值要求、能夠提供遠(yuǎn)大于1的反射率和能夠?qū)B續(xù)輸出的激光器進(jìn)行像差校正等優(yōu)點(diǎn)，但是其在高平均功率輸出的激光器中的應(yīng)用存在諸多問題。例如：FWM-PCM對(duì)信號(hào)光的光束質(zhì)量要求比SBS-PCM的要求還要嚴(yán)格。另外，雖然不存在反射損失的問題，但是存在衍射損耗的問題，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，并且還未見報(bào)道能夠?qū)崿F(xiàn)單縱模激光輸出[49]，很大程度上限制了其在高平均功率固體激光器中的應(yīng)用。由于SBS-PCM和FWM-PCM存在諸多限制，它們?cè)诟吖β始す忸I(lǐng)域并沒有得到廣泛應(yīng)用。

2.2.2 自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)

自適應(yīng)光學(xué)(AO)校正技術(shù)一開始被應(yīng)用于實(shí)時(shí)校正大氣擾動(dòng)，到20世紀(jì)90年代才被用于高能激光領(lǐng)域進(jìn)行像差校正[15]。AO系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖7所示，控制系統(tǒng)根據(jù)探測(cè)系統(tǒng)反饋的相關(guān)信息，控制變形鏡(DM)產(chǎn)生共軛面型，經(jīng)其反射后即可實(shí)現(xiàn)像差校正。該技術(shù)不僅能夠應(yīng)用于脈沖激光器，也能夠應(yīng)用于CW型激光器進(jìn)行像差校正[45]，且對(duì)入射光束的光束質(zhì)量要求也相對(duì)比較寬松。

根據(jù)探測(cè)系統(tǒng)所反饋信息的不同，可將AO系統(tǒng)分為兩類：第一類為反饋波前信息的AO系統(tǒng)，其采用波前傳感器探測(cè)光波的信息，驅(qū)動(dòng)DM產(chǎn)生共軛面型，校正速度較快[15]；第二類為無(wú)波前探測(cè)的AO系統(tǒng)，其采用聚焦光斑的相關(guān)參數(shù)作為反饋信息，通過(guò)尋優(yōu)算法驅(qū)動(dòng)DM找尋入射波前的共軛波前面型，不受閃爍等畸變的條件限制，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單[50]。

圖7 Schematic of AO system Fig.7 自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)原理示意圖

國(guó)外方面，2007年，美國(guó)諾·格公司的S.Redmond等人[51]將自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)應(yīng)用于輸出功率達(dá)到15 kW的單頻板條激光器中進(jìn)行像差校正。該系統(tǒng)采用哈特曼波前傳感器作為反饋信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)像差校正，并且能夠連續(xù)工作22 min，最終獲得了光束質(zhì)量達(dá)到1.28倍衍射極限的激光輸出。2008 年，英國(guó)斯特拉斯克萊德大學(xué)的W.Lubeigt等人[52]采用無(wú)波前AO校正技術(shù)進(jìn)行腔內(nèi)像差校正。其中，DM作為腔鏡，遺傳(GA)算法作為DM的控制算法，光斑遠(yuǎn)場(chǎng)亮度信息作為反饋，實(shí)現(xiàn)了在不同結(jié)構(gòu)板條激光器的腔內(nèi)像差校正。第一組實(shí)驗(yàn)，針對(duì)側(cè)面泵浦的Nd∶YAlO板條激光器，采用傳統(tǒng)的CMOS相機(jī)探測(cè)出射光束的遠(yuǎn)場(chǎng)亮度信息，并作為反饋信息，通過(guò)GA算法控制DM產(chǎn)生相應(yīng)的面型，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)像差的校正。最終將初始的6 W多模激光輸出，改善到M2因子小于1.3的單模激光輸出，且功率損失小于5%。由此可見，腔內(nèi)像差校正不僅能夠提升光束質(zhì)量，還能夠改變輸出激光的模式。第二組實(shí)驗(yàn)針對(duì)略入射式的Nd∶GdVO4板條激光器，采用基于二次諧波的探測(cè)方式，主要是采用光電探測(cè)器件，將探測(cè)所產(chǎn)生的二次諧波亮度信息作為反饋信息，同樣通過(guò)GA算法控制DM產(chǎn)生相應(yīng)的面型，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)像差的校正。最終將初始的功率為15 W，兩方向上的M2因子分別27和10.5的激光輸出，改善為14 W，兩方向上的M2因子分別9和3的激光輸出，有效提升了出射光束的光束質(zhì)量。2009年，諾﹒格公司的Stuart J.McNaught等人[53]報(bào)道了7臺(tái)15 kW板條激光器的相干合成實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其實(shí)驗(yàn)原理圖如圖8所示。每一路功率放大器均由4個(gè)4 kW傳導(dǎo)冷卻端面泵浦的板條放大器(CCEPS)組成，經(jīng)雙程放大后，最終獲得15 kW的激光輸出。采用7套AO系統(tǒng)分別對(duì)7臺(tái)放大器輸出的激光進(jìn)行像差校正，最終獲得了功率達(dá)到100 kW，平均光束質(zhì)量因子達(dá)到2.9×DL的激光輸出。

圖8 諾·格公司百千瓦相干合成實(shí)驗(yàn)原理圖 Fig.8 Schematic of the 100kW coherently combined laser system

國(guó)內(nèi)方面，2012年中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所(簡(jiǎn)稱中科院光電所)楊平[54]等人以光束聚焦光斑為反饋信息采用隨機(jī)并行梯度下降控制算法(SPGD)，對(duì)輸出平均功率達(dá)到265 W的板條激光器進(jìn)行像差校正，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖9所示。

圖9 無(wú)波前探測(cè)AO像差校正的實(shí)驗(yàn)原理圖 Fig.9 Schematic of the wave-front sensor-less AO system

經(jīng)校正后其光束質(zhì)量β因子從15.5×DL改善到了6.2×DL。2013 年，向汝建等人[55]采用AO系統(tǒng)對(duì)輸出功率達(dá)到11.3 kW的板條激光放大器進(jìn)行像差校正。通過(guò)分析輸出光束的像差特性，研制了主動(dòng)制冷型高空間分辨率的變形鏡，將光束質(zhì)量β因子從7.4×DL(平均值)改善到了4.06×DL(閉環(huán)后平均值)，有效改善了光束質(zhì)量。2014年，中科院光電所楊平[56]等人進(jìn)一步將無(wú)波前探測(cè)AO系統(tǒng)應(yīng)用于輸出功率達(dá)到1.3 kW的板條激光器中，將光束質(zhì)量從13.1×DL改善到了2.3×DL。2015年，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所(簡(jiǎn)稱中科院理化所)陳中正[13]等人報(bào)道了進(jìn)一步的研究成果。在輸出平均功率為8.2 kW時(shí)，利用AO系統(tǒng)進(jìn)行像差校正可將光束質(zhì)量β因子從6.8×DL改善到了3.5×DL。2018年，楊平等人[57]采用AO系統(tǒng)輔以相應(yīng)的低階像差校正技術(shù)，對(duì)輸出峰值功率達(dá)到750 MW的板條激光器進(jìn)行光束凈化，最終光束質(zhì)量β因子為1.64×DL。

將近年來(lái)采用AO系統(tǒng)進(jìn)行像差校正的成果總結(jié)列于表1。諾·格公司采用的光束評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算結(jié)果較光束質(zhì)量β因子的計(jì)算結(jié)果偏小。

表1 AO系統(tǒng)進(jìn)行像差校正的代表性成果Tab.1 Representative results of aberration correction used by AO system

AO系統(tǒng)應(yīng)用于板條激光器領(lǐng)域進(jìn)行像差校正，雖然能起到較好的效果，但隨著激光器功率的提升，僅采用AO系統(tǒng)對(duì)板條激光器進(jìn)行像差校正，已經(jīng)難以得到衍射極限的光束質(zhì)量。主要原因有以下兩個(gè)方面：第一方面，輸出光束寬高比較小(一般1∶10)，這種光斑形狀覆蓋的DM驅(qū)動(dòng)器越少，DM在擬合共軛面型時(shí)處理細(xì)節(jié)的能力就越差，對(duì)波前局部畸變的校正能力將受到限制[58]。第二方面，隨著功率的提升，板條激光器輸出光束中含有像差的波峰波谷值(PV)從幾微米到幾十微米(甚至100微米左右)變動(dòng)[59]，限制了變形鏡的校正能力。這主要是因?yàn)轵?qū)動(dòng)變形鏡產(chǎn)生共軛面型的驅(qū)動(dòng)器均有一定的行程限制，驅(qū)動(dòng)器行程越大，變形鏡能校正的波前畸變的PV值也越大。但是，由于受到現(xiàn)有加工工藝的限制，使得隨著驅(qū)動(dòng)器行程的增加，變形鏡的空間分辨率呈下降趨勢(shì)。這將導(dǎo)致變形鏡對(duì)處理局部波前畸變的擬合能力有所下降，限制了其對(duì)高階像差的校正能力。由于板條激光器的出射光束具有寬高比較小、波前畸變PV值較大的特點(diǎn)，在一定程度上限制了AO系統(tǒng)的校正能力[60]。

2.2.3 幾何光學(xué)校正技術(shù)

幾何光學(xué)校正方法是采用鏡片組合，通過(guò)調(diào)整鏡片的位置關(guān)系，引入特定的像差成分，最終達(dá)到像差校正的效果。這種校正方式適用于由“熱效應(yīng)”引起的低階像差進(jìn)行校正，該方法具有校正量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[61]。

國(guó)外方面，2001年，Gregory D.Goodno等人[62]將柱面透鏡加入到諧振腔內(nèi)進(jìn)行像差校正。針對(duì)不同的泵浦功率，通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡的間隔，校正不同功率下的熱透鏡效應(yīng)。最終實(shí)現(xiàn)了功率為228 W、M2<1.7的基膜線偏振激光輸出。文中并沒有對(duì)透鏡的間隔調(diào)整量進(jìn)行定量分析，也沒有對(duì)校正原理進(jìn)行過(guò)多的闡述。2007年，諾·格公司在文獻(xiàn)[63]中提及在采用AO系統(tǒng)進(jìn)行像差校正時(shí)，采用擴(kuò)束整形系統(tǒng)對(duì)光束進(jìn)行整形，但文中并沒有對(duì)像差校正效果進(jìn)行介紹，僅給出經(jīng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正后，光束質(zhì)量能夠達(dá)到1.28×DL。2007年，Daijun Li等人將柱面透鏡引入到激光器諧振腔內(nèi)，用于熱透鏡效應(yīng)的校正。經(jīng)熱透鏡校正后，實(shí)現(xiàn)了平均功率為110 W，脈寬為12 ns，重復(fù)頻率為10 kHz，光-光轉(zhuǎn)換效率39%的激光輸出[64]。2008年，該團(tuán)隊(duì)采用板條激光器進(jìn)行二次諧波產(chǎn)生的研究工作。其中采用單柱面透鏡對(duì)板條激光器的熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行校正，其實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖10所示，校正透鏡位于激光器諧振腔內(nèi)，經(jīng)校正后獲得了24.2 mJ,7.1 ns，重復(fù)頻率1 kHz，光束質(zhì)量M2<1.4的激光輸出。板條激光器輸出的光束經(jīng)整形系統(tǒng)整形后,入射到LBO(lithium triboast)晶體中用于產(chǎn)生二次諧波，最終獲得了近衍射極限的光束輸出[65]。然而隨著激光器功率的變化，其像差特性也會(huì)隨之改變。因此，可以根據(jù)不同的像差特性，自動(dòng)調(diào)整鏡片組合的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)像差的自動(dòng)校正。

圖10 腔內(nèi)像差補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖 Fig.10 Principle diagram of intracavity aberration compensation system

國(guó)內(nèi)方面，2014年 ，Liu等人[66]提出一種基于反射式光束整形系統(tǒng)來(lái)校正板條激光器的低階像差，其工作原理如圖11所示。該系統(tǒng)采用兩片柱面反射鏡和一片球面反射鏡組成的離軸三反式結(jié)構(gòu)，以澤尼克系數(shù)(Z4，Z5，Z6)為反饋，采用PID(proportional-integral-derivative)算法對(duì)三片反射鏡的間距進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)低階像差的自動(dòng)校正。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)插入不同的相差板模擬板條激光器在不同功率下的低階像差特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：可將初始光斑尺寸為30 mm×5 mm的矩形光斑，整形為7.44 mm×7.73 mm的方形光斑，并且使光束的最大波前PV值由87.7λ(λ=1 064 nm)下降到0.50λ，RMS由19λ下降到0.09λ，顯著提升了板條激光器的光束質(zhì)量[66]。雖然，該系統(tǒng)通過(guò)采用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬光源低階像差的自動(dòng)校正，但由于反射式校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，在調(diào)整反射鏡的間距時(shí)，會(huì)引起輸出光束指向變動(dòng)，在調(diào)整間距的同時(shí)還需要校正光束的指向偏差。此外，該系統(tǒng)采用三片凹面反射鏡，勢(shì)必會(huì)引起光束在空間中聚焦，形成一個(gè)實(shí)焦點(diǎn)，在激光器輸出能量較高時(shí)，實(shí)焦點(diǎn)的存在會(huì)引入一些非線性效應(yīng)[67]，從而降低輸出光束的光束質(zhì)量。為解決指向偏差和實(shí)焦點(diǎn)等問題，2015年，Z.W.Xue等人[68]對(duì)透射式的低階像差校正系統(tǒng)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)采用透射式結(jié)構(gòu)，根據(jù)波前傳感器測(cè)量的入射光波的澤尼克系數(shù)(Z4，Z5)，通計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了低階像差的自動(dòng)校正。實(shí)驗(yàn)中的像差由低階像差產(chǎn)生器產(chǎn)生，主要由四片柱面透鏡組成，通過(guò)調(diào)整透鏡的間隔，將產(chǎn)生不同的像差成分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)低階像差校正后，能夠?qū)⒊跏脊馐叽鐬?.2 mm×32 mm的矩形光斑，整形為32 mm×32 mm的方形光斑，光束初始的波前PV值為66.10λ(λ=1 064 nm)，RMS為16.05λ，校正后分別下降到0.48λ(λ=1 064 nm)，RMS為0.1λ。有效提高了板條激光器的光束質(zhì)量。兩種結(jié)構(gòu)均能夠通過(guò)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)低階像差的自動(dòng)校正，但對(duì)于真實(shí)的板條激光器而言，其像差成分很難用像差板或透鏡組合進(jìn)行模擬。此外，采用優(yōu)化算法將導(dǎo)致輸出光束尺寸的變化不可預(yù)測(cè)。

圖11 離軸三反像差校正系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖 Fig.11 Principle diagram of offaxis tri-inversion aberration correction sytsem

2017年，中科院光電所[69]提出了一種約束條件下的低階像差自動(dòng)校正技術(shù)，以出射光束尺寸為約束條件，通過(guò)建立低階像差與透鏡間隔之間的數(shù)學(xué)解析關(guān)系的方式，根據(jù)波前像差信息直接解算出滿足需求的間隔調(diào)整量，最終實(shí)現(xiàn)了低階像差的自動(dòng)校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：校正后出射光束的尺寸從1.8 mm×11 mm變換為22 mm×22 mm的近似正方形，波前PV值從57.26 μm減小到了1.87 μm，光束質(zhì)量得到了明顯的提升，同時(shí)保證了光束尺寸和光束質(zhì)量的要求。2018年，中科院光電所對(duì)約束條件下的低階像差自動(dòng)校正方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，基于建立數(shù)學(xué)解析關(guān)系的方法，提出了一種調(diào)整校正方法，更好地解決了像差隨功率擾動(dòng)的校正問題[70]。

幾何光學(xué)校正技術(shù)適用于寬高比較小且具有較大波前PV值的板條激光器中的像差校正，因?yàn)槠洳粌H能夠滿足后續(xù)應(yīng)用中尺寸匹配的需求，還能對(duì)大波前PV值的低階像差成分進(jìn)行校正。然而，國(guó)外研究人員并沒有過(guò)多的關(guān)注幾何光學(xué)校正技術(shù)在板條激光器中像差校正的應(yīng)用，僅將這種校正方式作為擴(kuò)束整形的手段，來(lái)滿足AO系統(tǒng)的需求，使用AO系統(tǒng)進(jìn)行像差校正，忽略了其對(duì)低階像差的自動(dòng)校正能力。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)這種校正技術(shù)雖然進(jìn)行了相關(guān)仿真及實(shí)驗(yàn)工作，但僅在低功率下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，缺少進(jìn)一步的研究工作。此外，采用澤尼克系數(shù)來(lái)表征具有小寬高比矩形光斑的波前信息會(huì)引入匹配誤差，使校正結(jié)果變差[71-73]。

2.2.4 混合式像差校正技術(shù)

混合式像差校正技術(shù)是同時(shí)采用了多種上述校正技術(shù)，如2016年中科院光電所賴柏衡[74]等人，提出將幾何光學(xué)校正技術(shù)與自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)方案，首先采用幾何光學(xué)校正技術(shù)解決大幅值低階像差的校正和光束尺寸匹配問題，之后采用自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)進(jìn)行殘余像差校正，系統(tǒng)原理如圖12所示。并將該系統(tǒng)應(yīng)用于輸出功率達(dá)到10 kW的板條激光器中，經(jīng)低階像差校正系統(tǒng)校正后，光束質(zhì)量達(dá)到了7.3倍衍射極限，進(jìn)一步經(jīng)自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)校正后，光束質(zhì)量提升到了1.9倍衍射極限，達(dá)到了近衍射極限的要求。

圖12 MOPA激光器混合式像差校正系統(tǒng)示意圖 Fig.12 Schematic of the hybrid AO syetem for the MOPA laser

圖13 混合式像差校正系統(tǒng). Fig.13 Schematic of the hybrid AO syetem

2017年，中科院光電所楊平、董理治[75]等人，提出將基于幾何光學(xué)校正原理的低階像差校正系統(tǒng)結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)協(xié)同工作的技術(shù)方案，并將其應(yīng)用于國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了5 J/6.6 ns/200 Hs固體板條激光器的光束凈化工作，系統(tǒng)原理圖如圖13所示。在僅經(jīng)低階像差校正后，光束質(zhì)量從18倍衍射極限左右提升到了2.86倍衍射極限，進(jìn)一步經(jīng)自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)校正后，光束質(zhì)量提升到了1.64倍衍射極限，同時(shí)達(dá)到了高功率、高光束質(zhì)量的需求。

混合式校正系統(tǒng)使幾何光學(xué)校正技術(shù)和自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)協(xié)調(diào)工作，彌補(bǔ)各自的不足，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，為同時(shí)獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出提供了技術(shù)支持。

3 總結(jié)與展望

本文對(duì)板條激光器光束質(zhì)量控制技術(shù)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行了歸納和總結(jié)，介紹了多種校正技術(shù)在板條激光器中取得的相關(guān)成果，并對(duì)現(xiàn)有的像差校正技術(shù)在研究中存在的一些問題進(jìn)行了闡述。隨著板條激光器輸出功率的提升，僅采用單一的校正方法已經(jīng)難以實(shí)現(xiàn)近衍射極限光束質(zhì)量的要求。為進(jìn)一步提升板條激光器的光束質(zhì)量，應(yīng)以優(yōu)化校正方式為基礎(chǔ)，開展相關(guān)的研究工作，通過(guò)優(yōu)化激光器自身的相關(guān)參數(shù)，從源頭抑制像差的產(chǎn)生，起到提高光束質(zhì)量的作用。當(dāng)然，非線性光學(xué)校正技術(shù)的全固化以及提升共軛保真度和反射率的研究也是未來(lái)發(fā)展方向之一；大行程、高空間分辨率的AO校正系統(tǒng)也是未來(lái)的重要研究方向。另一方面，對(duì)幾何光學(xué)校正技術(shù)在板條激光器中的校正效果進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)研究以及對(duì)相關(guān)限制因素的探索工作也具有重要的研究意義。根據(jù)板條激光器大波前畸變和寬高比較小的特性，采用混合式校正技術(shù)是目前較為可行的校正策略。例如：采用大行程低空間分辨率的矩形變形鏡，預(yù)校正低階像差成分。然后，采用高空間分辨率的變形鏡進(jìn)行高階像差校正；以及采用幾何光學(xué)校正技術(shù)對(duì)其低階像差進(jìn)行預(yù)校正，之后采用AO系統(tǒng)進(jìn)一步提升光束質(zhì)量。