一种多级固体激光放大器波前预补偿系统及方法

本发明涉及固体激光，尤其是涉及一种多级固体激光放大器波前预补偿系统及方法。

背景技术：

1、高功率激光器在工业加工、空间通信及前沿科学研究等领域具有广泛而迫切的应用需求。光纤激光器与固体激光器是当前实现高功率激光输出的两条主要技术路线。光纤激光器凭借其优异的热管理能力和良好的光束质量，已成为高功率激光领域的重要发展方向。然而，受限于光纤波导中极小的模场面积和较长的相互作用长度，光纤激光器的功率提升面临着受激布里渊散射（sbs）、受激拉曼散射（srs）等非线性效应的根本性制约。这些非线性效应不仅限制了输出功率的进一步提升，还严重劣化了激光的线宽特性和光束质量，使得光纤激光器在追求更高功率的同时难以兼顾优异的时频域特性。

2、与光纤激光器相比，固体激光器比如棒状或板条构型的固体激光放大器具有远大于光纤的模场体积，能够显著降低增益介质内的光强密度，从而有效抑制非线性效应的产生，为突破光纤激光器的功率瓶颈提供了可行途径。基于主振荡功率放大器（mopa）结构的多级固体激光放大系统，通过将低功率种子源经多级功率级联放大，已成为实现百瓦级乃至千瓦级高功率激光输出的主流技术方案，在需要高功率、高光束质量激光光源的应用场景中展现出不可替代的优势。然而，固体棒状放大器的大模场面积优势伴随着对热效应的高度敏感。在高功率泵浦条件下，棒状增益介质相对较低的表面面积与体积比导致显著的温度梯度，产生热致波前畸变。这是制约固体放大器在保持光束质量的同时进一步提升功率的主要障碍。传统热管理方法主要集中于优化入射光束的空间参数，通过调整光束尺寸和发散角来实现与泵浦分布的高效空间重叠。然而，这些方法的有效性从根本上受限于几何约束以及在可变热负载条件下的适应性不足。

3、自适应光学技术通过空间光调制器（slm）或变形镜（dm）等波前校正器件对畸变波前进行动态校正，是改善固体激光器光束质量的有效手段。其中，slm具有远多于dm的调制单元数，能够实现更高空间分辨率的波前精细调控，因而展现出更大的补偿潜力。然而，现有补偿方案通常将校正器件置于放大器链的输出端或单个放大级内部，面临两方面突出困难：其一，多级放大器中各增益介质产生的像差在空间中相互分离且呈累积特性，难以通过单个校正平面进行精确表征与统一补偿，常规的局部校正方法无法有效处理这种非定域的累积畸变；其二，受限于校正器件的光学损伤阈值，即使采用水冷结构，其可承受的功率水平通常也仅限于数十瓦量级，无法直接应用于高功率激光光路，严重制约了自适应光学技术在高功率固体激光系统中的实用化进程。

4、针对上述校正器件功率承受能力不足的问题，已有研究提出了波前预补偿架构，然而，已有预补偿方案大多仅应用于单级放大结构中，受限于单级增益介质有限的储能和提取效率，其对整体输出功率的提升幅度十分有限。要将预补偿架构拓展至多级放大系统，必须解决各级增益介质产生的空间分离像差的统一表征与集中补偿问题——不同放大级的热致像差在物理位置上相互分离，且在逐级传输过程中不断累积耦合，如何在单一等效平面上完整表征这些非定域分布的累积像差并通过迭代算法施加有效预补偿，是实现多级预补偿所面临的核心技术难题。

技术实现思路

1、为解决现有多级固体激光放大器波前补偿方法中热致像差来源分散、累积畸变难以用单一校正平面表征、以及波前调制器件功率承受能力有限等技术问题，本发明提供了一种多级固体激光放大器波前预补偿系统及方法，可以实现多级固体激光放大器输出光束的高质量波前预补偿。

2、一种多级固体激光放大器波前预补偿系统，包括种子激光源、空间光调制器、4f中继成像系统、波前传感器以及n级激光放大级，n≥2；

3、在第一级激光放大级之前、相邻两级激光放大级之间以及第n级放大级之后均布置有一个4f中继成像系统；

4、所述种子激光源出射的信号光束经空间光调制器进行相位调制后，依次经过对应的4f中继成像系统入射至各级激光放大级进行放大；第n级放大级输出的信号光束经过一个4f中继成像系统后被波前传感器接收；

5、所述波前传感器用于测量经多级放大后的信号光束的残余波前畸变信息；所述空间光调制器根据波前传感器测量的残余波前畸变信息，在低功率条件（功率密度阈值低于200w/cm2）下对信号光束施加共轭相位补偿，实现输出光束的波前预补偿。

6、本发明通过将波前调制器件置于低功率种子光路中规避其功率承受能力的限制，结合4f中继成像系统将各级增益介质前端面成像至同一等效相位平面，实现空间分离像差的统一映射，并采用逐级序贯优化策略抑制像差沿放大链的累积，从而在高功率输出条件下有效保持固体激光器的光束质量。

7、进一步地，所述4f中继成像系统将各级激光放大级中激光增益介质的前端面依次成像至同一等效相位平面；其中，第n级激光放大级中激光增益介质的前端面对应的等效相位平面位置由第n级激光放大级之后的4f中继成像系统的透镜焦距以及激光增益介质的长度和折射率共同确定；。

8、进一步地，所述空间光调制器采用相位包裹技术对信号光束施加共轭相位补偿。

9、优选地，采用逐级序贯优化策略进行波前预补偿，包括：在第n级激光放大级开启后，利用波前传感器测量当前输出光束的残余波前畸变信息，迭代更新空间光调制器的补偿相位，使第级放大后的光束质量恢复至目标水平后，再开启第级激光放大级；其中。

10、进一步地，逐级序贯优化策略中，第级激光放大级开启后波前传感器测量的残余波前畸变信息表示为：

11、；

12、其中，表示 空间光调制器slm在开启n-1级时加载的面型分布，为第级激光放大级引入的热致像差；；

13、补偿相位按梯度下降准则迭代更新：

14、；

15、其中，表示空间光调制器slm在开启n级放大器，迭代第k+1次后的面型分布；表示空间光调制器slm在开启n级放大器的第k次迭代结果；表示第k次迭代下，波前传感器测量的波前信息；为迭代次数，，k取0,1…，为学习率，。

16、进一步地，波前传感器测量的波前畸变信息中，仅对像散像差和球差像差进行补偿，将第级激光放大级开启后波前传感器测量的残余波前畸变信息用泽尼克多项式展开的近似表示为：

17、；

18、其中，

z5和

z11分别为泽尼克多项式中的像散项和球差项，

c5和

c11分别为对应的系数。

19、进一步地，每一个4f中继成像系统由两个透镜组成。信号光束在前一激光放大级输出端与后一激光放大级输入端之间通过4f系统进行成像中继传输，抑制光束传播过程中相位畸变向振幅畸变的转换。

20、在傍轴近似下，4f中继成像系统的物面与像面之间的光场变换仅受横向坐标缩放控制，空间场分布保持不变。对于由两个焦距分别为和的透镜组成的4f系统，光场变换可表示为：

21、；

22、其中，为缩放系数。

23、由于激光增益介质的折射率与自由空间不同，等效平面的位置与晶体几何前端面并不完全重合。考虑增益介质内的光程，等效平面位于对应4f系统第一个透镜后方处，其中为晶体长度，为晶体折射率。

24、优选地，各级激光放大级均采用端面泵浦的固体激光增益介质，所述固体激光增益介质为掺杂稀土离子的激光晶体或激光陶瓷，泵浦源为激光二极管。

25、一种多级固体激光放大器波前预补偿方法，使用上述的多级固体激光放大器波前预补偿系统，包括以下步骤：

26、s1、种子激光源出射信号光束；

27、s2、信号光束经空间光调制器施加初始补偿相位后，经过第一个4f中继成像系统后进入第一级激光放大级进行放大；

28、s3、第一级放大后的信号光束经第二个4f中继成像系统传输至第二级激光放大级的前端面，第二个4f中继成像系统将第一级激光放大级中激光增益介质的前端面成像至第二级激光放大级的前端面；

29、s4、信号光束依次经过各级激光放大级进行放大，相邻激光放大级之间通过4f中继成像系统进行光场中继传输；

30、s5、依次开启第一至第n级激光放大级，每一级激光放大级开启时，波前传感器测量当前级激光放大器输出光束的波前畸变信息；并根据波前传感器测量的波前畸变信息，迭代更新空间光调制器的补偿相位。

31、进一步地，步骤s3中，第一级激光放大级中激光增益介质的前端面对应的等效平面位置距离第二个4f中继成像系统的第一个透镜的距离为，其中为4f结构中第一个透镜焦距，为激光增益介质长度，为激光增益介质的折射率。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、1、本发明通过级联的4f中继成像系统将多个空间分离的激光放大级中产生的热致像差映射至同一等效相位平面，使多级放大系统中分散的像差能够通过单个低功率波前调制器件实现统一校正，避免了在每个放大级分别设置波前校正器的复杂结构。

34、2、本发明采用逐级序贯优化策略，在各放大级依次开启的过程中分步完成波前补偿，将全局优化问题分解为一系列低维优化步骤，有效抑制了像差沿放大链的累积，提高了优化收敛速度和补偿鲁棒性。

35、3、本发明将空间光调制器设置于放大级之前的低功率光路中，避免了高功率激光对波前调制器件造成光学损伤，突破了波前调制器件功率承受能力对高功率激光系统波前校正应用的限制。

36、4、本发明仅对导致光束质量退化的主导像差模式（像散和球差）进行补偿，大幅降低了优化变量的维数，在保证补偿效果的同时显著提升了优化效率。