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，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)，通過測(cè)量入射光的波前相位信息，經(jīng)過簡(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^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共軛校正，只不過產(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各增益模塊后，通過共軛補(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。