[发明专利]基于光波可逆传输的自适应光学波前校正环路

说明书

技术领域

本发明涉及自适应光学领域和强场激光技术领域。是一种根据光波传输的可逆性原理，由人为设置的近理想焦点获得目标参考波前，并以此为基准校正高功率激光系统输出波前，以此有效提升高功率激光系统可聚焦焦点功率密度。特别适用于校正有复杂光路的高功率激光系统输出波前以达到优化会聚焦点的波前校正技术。

背景技术 

超短超强激光科学以超短超强激光技术的发展，超短超强激光与物质的相互作用，以及在交叉学科和相关高技术领域中的前沿基础研究为研究对象，是重要的科学前沿领域，是实现极端物理条件，进而揭示物质本质的基础。

超短超强激光以超高功率密度而著称，因而其可聚焦的功率密度是超短超强激光系统中人们最主要的关注指标。为提升聚焦功率密度，在系统确定峰值功率的情况下，通过提高光束波前质量以达到减小焦斑尺度，从而提高聚焦功率密度，是一种有效而经济的手段。但实际的高功率激光系统中，由于在实际的放大过程中放大介质所存在的温度梯度效应及众多光学元件的像差、像散、球差等因素，使得放大后的激光光束通常不再是理想的衍射极限光束。在聚焦时，焦斑尺度大、斯特利尔比值（Strehl ratio）低，从而导致激光能量不能有效地聚焦在焦点上，特别随着激光能量的不断增大、放大级次的不断增多，装置规模的不断升级，这种效应会越来越严重，最终使激光的高能量不能在实验研究中得到有效应用。由此，无论从那方面考虑，改善超短超强激光系统的输出波前质量都显得尤为重要。利用自适应光学原理改善波前质量是当前这一领域的最主要手段。

自适应光学改善波前的主要原理可概述如下：利用波前测量装置，如波前剪切干涉仪或S-H波前测量仪，探测激光系统的输出波前，所得波前与理想波前做比较，二者差值就是畸变量。控制系统根据畸变量的大小，将所需的电压加到变形镜压电陶瓷的电极上，通过不同电极电压的正副和大小以改变变形镜的面形，从而使得变形镜反射激光波前发生相应的变化，变化后的波前再一次被探测，作为下一次控制变形镜的依据。这样，以理想平面波前为目标实现对输出实际波前的逐步改善，以此循环逼近，最终实现波前校正。校正后，变形镜表面的反射波前一般为近理想的平面波，然后经会聚光学元件会聚后，形成接近艾里衍射极限的会聚光斑，结果可有效提高可聚焦的功率密度。

经典自适应光学环路系统为改善光束波前质量作出了很大贡献。但将经典校正技术用于光路复杂的高功率激光系统的波前校正，却有很大局限。主要表现在，经常会出现虽然校正后变形镜表面的反射波前接近理想平面，但近理想的平面波前在靶室会聚后，焦斑质量却不能像波前一样做相应的改善。主要原因是波前校正后近理想的平面波前在传输和会聚过程中会引入“二次污染”。为克服经典方法校正高功率激光系统的局限，最终有效提升焦斑质量，本发明采用了逆向光路校准高功率激光系统输出波前。

发明内容

本发明的目的在于解决，将经典波前校正技术用于校正高功率激光系统输出光束波前以提升可聚焦功率密度时，经常出项输出光束波前改善但会聚焦点不能相应改善的问题。本发明抓住了自适应光学环路用于高功率激光系统主要是为优化焦点以提升可聚焦功率密度这一目的，利用一种逆向光路获得近理想焦点在变形镜表面波前，来作为校正环路的目标参考波前，以实现提升高功率激光系统可聚焦功率密度的方法。

本发明的最大好处，是根本避免了常规波前校正方法用于高功率激光系统波前校正中，光路中的光学元件所引入的二次污染，因此特别适合于高功率激光系统可聚焦功率密度的改善。

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。 

附图说明

图1为传统自适应光学环路波前校正超短超强激光系统的结构示意图。

图2为本发明基于逆向法的自适应光学环路波前校正超短超强激光系统的结构示意图。

具体实施方式

为校正高功率激光系统输出波前，考虑到本发明的校正方法是对经典校正方法的扬弃，因此，为对照本发明的校正思想，先对图1所示的传统校正方法略做说明。

根据D. Strickland和G. Mourou提出的啁啾脉冲放大技术（Optics  Communication Vol.56,219-221,1985），图1为典型的利用经典校正环路校正高功率激光系统示意图。

图1校正系统包括激光源1、全反镜2、变形镜3、全反镜4、扩束透镜5、扩束透镜6、压缩箱7（四块压缩光栅8、9、10、11构成）、离轴抛物面镜12（离轴抛物面镜的焦点13）、缩束准直透镜系统14、波前测量仪15、计算机控制系统16。