用于控制激光束的波前的激光系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及用于控制激光束的波前的激光系統(tǒng)和相關(guān)的方法，并且更具體地，涉及用于引入用于控制初級(jí)激光束的波前的次級(jí)激光束的激光系統(tǒng)和相關(guān)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光系統(tǒng)優(yōu)先地生成預(yù)定形狀的波前，使得得到的激光束具有期望的波束質(zhì)量。在一些情況下，光學(xué)像差可通過包含由激光介質(zhì)、激光放大器或其他光學(xué)部件引入的光學(xué)像差的激光系統(tǒng)的光學(xué)元件而被引入到波前中。光學(xué)像差可以通過光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)和材料組分和/或通過光學(xué)元件中的產(chǎn)生光路差異的熱梯度而被引入。例如，光學(xué)元件可能被均勻地加熱，但通過激光器加熱可具有與其他部分相比被加熱的更熱的一些部分，從而產(chǎn)生熱梯度。由于光學(xué)元件上的熱梯度，光學(xué)元件將會(huì)將由于與熱梯度相關(guān)的光路差異而導(dǎo)致的光學(xué)像差引入激光束中。光學(xué)像差進(jìn)而將通過引入波前誤差并且降低通過激光系統(tǒng)產(chǎn)生的波束質(zhì)量來降低激光系統(tǒng)的效率和效力。
[0003]為了努力取消或抵消光學(xué)像差，已經(jīng)開發(fā)了各種復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。例如，已經(jīng)結(jié)合激光系統(tǒng)采用熱傳遞和/或冷卻系統(tǒng)來努力降低熱梯度并且相應(yīng)地降低得到的光學(xué)像差。例如，可以徑向冷卻徑向?qū)ΨQ的增益桿從而努力降低熱梯度。此外，利用固定的校正器板或復(fù)雜的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)從而努力取消由熱梯度引進(jìn)的光學(xué)像差。雖然上述技術(shù)可以降低光學(xué)梯度，但是得到的激光系統(tǒng)是更復(fù)雜的并且因此總體上更昂貴。
[0004]可經(jīng)歷熱梯度的一類光學(xué)元件是光熱折射(PTR)玻璃光學(xué)元件。例如，可以利用PTR玻璃光學(xué)元件在激光系統(tǒng)中結(jié)合光譜波束。通過PTR光學(xué)元件傳播的激光束通常增加PTR光學(xué)元件的溫度。當(dāng)PTR玻璃光學(xué)元件的溫度增加時(shí)，PTR玻璃光學(xué)元件的折射率改變，這進(jìn)而改變由PTR玻璃光學(xué)元件輸出的光的波長(zhǎng)。例如，PTR光學(xué)元件可以操作為光柵(grating)，使得PTR光學(xué)元件的增加的溫度改變PTR光學(xué)元件的折射率，這進(jìn)而改變由光柵發(fā)射的光的波長(zhǎng)，這會(huì)不利地影響光柵的效率。
[0005]在致力于降低PTR光學(xué)元件經(jīng)歷的溫度增加的過程中，可以利用熱控制系統(tǒng)從其外部邊緣加熱或冷卻PTR光學(xué)元件。這種技術(shù)可遍及PTR光學(xué)元件的體積引入溫度梯度，其進(jìn)而可引起PTR光學(xué)元件的不同部分與PTR光學(xué)元件的其他部分相比基于熱梯度而不同地執(zhí)行，從而也不利地影響PTR光學(xué)元件的總效率。此外，在努力控制PTR光學(xué)元件的溫度中利用的熱系統(tǒng)可能是相對(duì)龐大的，并且因此可能不能用于小激光腔體中。例如，為了熱穩(wěn)定的目的結(jié)合PTR光學(xué)元件利用的熱系統(tǒng)可以包括需要容納相對(duì)大的熱電冷卻器(TEC)、需要冷卻水的相對(duì)大的冷卻板和用于供電的對(duì)應(yīng)電線的安裝。在包含熱控制系統(tǒng)的激光系統(tǒng)必須放置在真空室中的激光系統(tǒng)的某些應(yīng)用中，支撐熱系統(tǒng)的安裝的基礎(chǔ)設(shè)施可能具有一定的挑戰(zhàn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)用于控制初級(jí)激光束的波前的示例性實(shí)施方式提供了激光系統(tǒng)和相關(guān)的方法。在這方面，示例性實(shí)施方式的激光系統(tǒng)和方法可以選擇性地使得激光介質(zhì)或另一光學(xué)元件的部分熱收縮或熱膨脹以相應(yīng)地改變初級(jí)激光束的波前。例如，激光介質(zhì)或另一光學(xué)元件可以被選擇性地?zé)崾湛s或熱膨脹以抵消由激光系統(tǒng)另外引入的光學(xué)像差，使得得到的初級(jí)激光束的波前具有期望的形狀和波束質(zhì)量。在示例性實(shí)施方式中，PTR玻璃光學(xué)元件可以包括對(duì)次級(jí)激光束做出響應(yīng)的摻雜劑，從而使得可以利用PTR玻璃光學(xué)元件對(duì)次級(jí)激光束的曝光從而修改摻雜的PTR玻璃光學(xué)元件的溫度，從而改善包含PTR玻璃光學(xué)元件的激光系統(tǒng)的性能。
[0007]在示例性實(shí)施方式中，提供了一種激光系統(tǒng)，包括被配置為產(chǎn)生初級(jí)激光束的激光介質(zhì)和被配置為接收初級(jí)激光束的至少一個(gè)光學(xué)元件。激光系統(tǒng)也包括被配置為產(chǎn)生次級(jí)激光束的次級(jí)激光源。激光系統(tǒng)進(jìn)一步包括空間光調(diào)制器，被配置為接收次級(jí)激光束并且空間調(diào)制次級(jí)激光束來產(chǎn)生具有空間強(qiáng)度模式的空間調(diào)制的次級(jí)激光束。該示例性實(shí)施方式的激光系統(tǒng)被配置為使得空間調(diào)制的次級(jí)激光束入射在激光介質(zhì)或至少一個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)上，從而引起空間調(diào)制的次級(jí)激光束入射在其上的激光介質(zhì)或至少一個(gè)光學(xué)元件的相應(yīng)部分熱收縮或熱膨脹。因此，可控地改變初級(jí)激光束的波前。
[0008]次級(jí)激光束可具有與初級(jí)激光束不同的波長(zhǎng)?？臻g調(diào)制的次級(jí)激光束入射在其上的激光介質(zhì)或至少一個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)可以包括響應(yīng)于次級(jí)激光束的波長(zhǎng)而被激勵(lì)的至少一種摻雜劑。示例性實(shí)施方式的激光系統(tǒng)也可以包括:波前傳感器，被配置為測(cè)量初級(jí)激光束的波前；和控制器，被配置為基于如通過波前傳感器測(cè)量的初級(jí)激光束的波前來控制通過空間光調(diào)制器提供的次級(jí)激光束的空間調(diào)制。示例性實(shí)施方式的波前傳感器被配置為隨著時(shí)間的推移重復(fù)地測(cè)量初級(jí)激光束的波前。在這個(gè)實(shí)施方式中，控制器進(jìn)一步被配置為修改空間光調(diào)制器從而修改次級(jí)激光束的空間強(qiáng)度模式，使得次級(jí)激光束基于在通過波前傳感器隨著時(shí)間的推移所測(cè)量的初級(jí)激光束的波前的變化來可控制地調(diào)節(jié)光學(xué)元件的體積中的熱能從而控制光學(xué)元件中的熱膨脹和熱收縮，從而最小化在初級(jí)激光束的波前中的像差或光路差異。空間調(diào)制的次級(jí)激光束可以與初級(jí)激光束共同傳播。
[0009]在另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，提供了一種控制初級(jí)激光束的波前的方法，包括利用激光介質(zhì)生成初級(jí)激光束。這個(gè)示例性實(shí)施方式的方法將初級(jí)激光束引導(dǎo)至至少一個(gè)光學(xué)元件。這個(gè)示例性實(shí)施方式的方法還生成次級(jí)激光束并且空間調(diào)制次級(jí)激光束來產(chǎn)生具有空間強(qiáng)度模式的空間調(diào)制的次級(jí)激光束。在這個(gè)示例性實(shí)施方式中，該方法還將空間調(diào)制的次級(jí)激光束引導(dǎo)至入射在激光介質(zhì)或至少一個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)上，從而引起空間調(diào)制的次級(jí)激光束入射在其上的激光介質(zhì)或至少一個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)的相應(yīng)部分熱收縮或熱膨脹。因此，可控地改變初級(jí)激光束的波前。
[0010]示例性實(shí)施方式的方法生成次級(jí)激光束從而具有與初級(jí)激光束不同的波長(zhǎng)。在這個(gè)示例性實(shí)施方式中，空間調(diào)制的次級(jí)激光束入射在其上的激光介質(zhì)或至少一個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)包括響應(yīng)于次級(jí)激光束的波長(zhǎng)而被激勵(lì)的至少一種摻雜劑。示例性實(shí)施方式的方法還包括測(cè)量初級(jí)激光束的波前并且基于已經(jīng)測(cè)量的初級(jí)激光束的波前來控制次級(jí)激光束的空間調(diào)制。這個(gè)示例性實(shí)施方式的方法還可以包括隨著時(shí)間的推移重復(fù)地測(cè)量初級(jí)激光束的波前；以及修改次級(jí)激光束的空間強(qiáng)度模式，使得次級(jí)激光束基于在隨著時(shí)間的推移所測(cè)量的初級(jí)激光束的波前的變化來可控制地調(diào)節(jié)光學(xué)元件的體積中的熱能從而控制在光學(xué)元件中的熱膨脹和熱收縮，從而最小化初級(jí)激光束的波前中的像差或光路差異。在示例性實(shí)施方式中，空間調(diào)制的次級(jí)激光束與初級(jí)激光束共同傳播。
[0011]在又一個(gè)示例性實(shí)施方式中，提供了一種激光系統(tǒng)，包括被配置為產(chǎn)生初級(jí)激光束的激光介質(zhì)和被配置為接收初級(jí)激光束的摻雜的光熱折射(PTR)玻璃光學(xué)元件。這個(gè)示例性實(shí)施方式的激光系統(tǒng)還包括次級(jí)激光源，被配置為產(chǎn)生與初級(jí)激光束不同的波長(zhǎng)的次級(jí)激光束。配置激光系統(tǒng)使得次級(jí)激光束入射在摻雜的PTR玻璃光學(xué)元件上從而修改摻雜的PTR玻璃光學(xué)元件的溫度。
[0012]摻雜的PTR玻璃光學(xué)元件包括通過次級(jí)激光束激勵(lì)的包含但不限于釹(Nd)、銩(Tm)或鐿(Yb)的一種或多種摻雜劑。示例性實(shí)施方式的摻雜劑均勻地遍及摻雜的PTR玻璃光學(xué)元件。在示例性實(shí)施方式中，相對(duì)于初級(jí)激光束的波長(zhǎng)摻雜劑優(yōu)先吸收次級(jí)激光束的波長(zhǎng)的光。激光介質(zhì)可以包括多個(gè)激光源，并且摻雜的PTR玻璃光學(xué)元件可以被配置為結(jié)合通過多個(gè)激光源生成的初級(jí)激光束。摻雜的PTR玻璃光學(xué)元件可以用作光柵。示例性實(shí)施方式的PTR玻璃光學(xué)元件包括反射涂層，被配置為相對(duì)于初級(jí)激光束的波長(zhǎng)的光優(yōu)先反射次級(jí)激光束的波長(zhǎng)的光
【附圖說明】
[0013]已經(jīng)概括地描述了本公開內(nèi)容的多個(gè)方面，現(xiàn)在將參考附圖，這些附圖并不一定按比例繪制，并且其中:
[0014]圖1是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的激光系統(tǒng)的框圖，激光系統(tǒng)包括空間光調(diào)制器來產(chǎn)生空間調(diào)制的次級(jí)激光束以提供光學(xué)元件的選擇性的熱收縮或熱膨脹從而改變初級(jí)激光束的波前；
[0015]圖2是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的諸如通過圖1的激光系統(tǒng)執(zhí)行的操作的流程圖；
[0016]圖3是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施方式的