一种单促动器焦距可控变形镜组件及热透镜补偿的方法

本申请涉及激光器，具体而言涉及一种单促动器焦距可控变形镜组件及热透镜补偿的方法。

背景技术：

1、激光器在工作过程中，激光介质吸收泵浦光能量后，除部分能量以激光形式输出外，其余大部分能量转化为热量并沉积在激光工作物质内部，导致工作物质产生温升。在持续泵浦和热传导作用下，工作物质内部形成显著的温度梯度，使原本折射率均匀的工作物质变为类透镜介质——光束通过时发生聚焦，即所谓的热自聚焦或热透镜效应。热透镜效应不仅使激光束发散角迅速增大、光束质量劣化，严重时还会在工作物质内部产生实焦点，造成材料内部的激光损伤。随着激光器向高功率、高重复频率方向发展，热透镜效应已成为限制激光器输出功率提升和光束质量改善的关键瓶颈因素。

2、为抑制或补偿热透镜效应，业界已提出多种技术方案。一种常见做法是将激光工作物质的端面加工成凹面以作补偿，但该方法仅能针对特定泵浦功率下的热透镜效应进行补偿，且凹面晶体的精密加工显著增加了工艺成本。另一种常用方法是基于基模热稳腔思想设计谐振腔，使基模参数在一定泵浦功率范围内保持不变或变化甚缓。然而，该方法通常要求激光介质尽量靠近输出耦合镜端且腔长远大于晶体长度，因此仅适用于泵浦功率变化范围较小的工况，一旦泵浦功率大幅变化，热稳腔结构将被打破，输出光的远场发散角和束宽均会发生较大变化。

3、为实现更宽功率范围内的热透镜补偿，研究者尝试引入外加补偿装置。例如，在固体激光介质与输出镜之间设置由步进电机驱动的可移动补偿透镜，通过调节补偿透镜的位置使热透镜与补偿透镜形成开普勒望远镜，从而补偿热透镜效应。但该方法存在明显局限：当热透镜焦距较大（如数米）时，热透镜焦距与补偿透镜焦距之和相当大，难以在实际激光器件中布置；此外，在谐振腔内插入额外光学元件会增加激光损耗，降低输出效率。还有方案采用电调谐液体透镜作为补偿透镜，通过调节电压改变液体透镜的屈光度来适应热透镜的变化，但液体透镜的响应速度、长期稳定性和承受高功率激光的能力仍有待验证。

4、由此可见，现有热透镜补偿技术普遍存在补偿范围有限、动态响应不足、结构复杂等问题，难以同时满足高功率激光器对大范围、高效率、低损耗热透镜补偿的需求。

技术实现思路

1、为解决以上问题，本申请提出了一种单促动器焦距可控变形镜组件及热透镜补偿的方法。具体方案如下：

2、根据本申请的具体实施方式，本申请提供一种单促动器焦距可控变形镜组件，应用于激光器热透镜补偿，包括：

3、镜面支架，具有基座；

4、变形镜，具有中间厚边缘薄的渐变结构，所述变形镜固定于所述镜面支架；

5、单个压电促动器，设置于所述变形镜的圆心位置与所述镜面支架之间，通过外加电信号改变所述压电促动器伸缩长度，以使所述变形镜发生形变，从而调控所述变形镜的曲率半径r，所述变形镜的曲率半径r满足如下关系：

6、；

7、其中，是与所述压电促动器结构相关的常数，为外加电信号的控制电压，为变形镜材料杨氏模量；为变形镜材料泊松比，为变形镜厚度缩放因子；

8、高压放大器，与所述压电促动器电连接，用于给所述压电促动器施加电压；

9、控制器，用于向所述高压放大器输出控制指令，由所述高压放大器将解算得到的驱动器控制电压施加于所述压电促动器，使所述变形镜的曲率半径r达到目标值。

10、在一些实施例中，还包括：

11、促动器驱动板，设置于所述基座和压电促动器之间，用于将控制信号转化为所述压电促动器的驱动信号，以实现所述压电促动器精确控制。

12、在一些实施例中，还包括：

13、镜面环形夹具，设置于所述镜面支架的与所述基座相对的端部，用于固定所述变形镜边缘，当所述压电促动器伸缩时，使所述变形镜边缘受到均匀反作用力。

14、在一些实施例中，所述变形镜的材料包括以下至少之一：玻璃、铜、硅、石英、钼。

15、在一些实施例中，所述压电促动器由压电陶瓷材料形成。

16、在一些实施例中，所述变形镜厚度t随半径r变化满足如下关系：

17、；

18、其中，d(r)为变形镜刚度。

19、本申请还提供一种根据如上任意一项所述的单促动器焦距可控变形镜组件进行热透镜补偿的方法，包括：

20、通过波前传感器周期性探测由泵浦光在碟片晶体中不均匀加热所产生的球面波前畸变；

21、根据所述球面波前畸变，计算与所述球面波前畸变曲率相等但符号相反的目标面型；

22、根据所述目标面型计算控制所述变形镜曲率半径的控制电压；

23、通过所述控制器输出控制指令，对所述单个压电促动器施加所述控制电压，以改变所述变形镜的曲率，使其变形为与所述球面波前畸变共轭面型以行热透镜补偿。

24、在一些实施例中，通过所述控制器输出控制指令，包括：

25、通过所述控制器周期性地输出控制指令。

26、在一些实施例中，通过所述控制器输出控制指令，包括：

27、当所述控制电压在预设范围之内时，通过所述控制器输出控制指令。

28、在一些实施例中，通过所述控制器输出控制指令，包括：

29、当前时刻与上次输出控制指令时刻间隔大于预设阈值时，通过所述控制器输出控制指令。

30、本申请实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

31、本申请基于弹性理论设计渐变厚度变形镜镜面，采用单促动器垂直驱动方式，使变形镜产生中心对称球面形变，通过精确控制压电促动器能够在变形镜动态范围内生成合适的球面面形，以满足碟片激光器热透镜补偿的需要。同时在变形镜镜面镀制相应波长的高反射膜以满足碟片激光器对工作波长的高反射需求，降低光学损耗并保证激光器稳定运行。本申请使用单促动器就可以实现球面变形镜焦距的精准调控，不仅简化变形镜系统的整体设计，同时能够有效降低系统研制与应用成本。

32、本申请通过控制器向高压放大器输出控制指令，由高压放大器将解算得到的驱动器控制电压施加于变形镜对应促动器，由于促动器与渐变厚度变形镜通过光学胶固定连接，通过促动器电压的精确控制，使变形镜焦距达到设计值，最终实现变形镜球面焦距可控的目的。通过单促动器焦距可控变形镜组件实现激光器热透镜补偿。

1.一种单促动器焦距可控变形镜组件，应用于激光器热透镜补偿，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的单促动器焦距可控变形镜组件，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1所述的单促动器焦距可控变形镜组件，其特征在于，还包括：

4.根据权利要求1所述的单促动器焦距可控变形镜组件，其特征在于，所述变形镜（2）的材料包括以下至少之一：玻璃、铜、硅、石英、钼。

5.根据权利要求1所述的单促动器焦距可控变形镜组件，其特征在于，所述压电促动器（3）由压电陶瓷材料形成。

6.根据权利要求1所述的单促动器焦距可控变形镜组件，其特征在于，所述变形镜（2）厚度t随半径r变化满足如下关系：

7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的单促动器焦距可控变形镜组件进行热透镜补偿的方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过所述控制器输出控制指令，包括：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过所述控制器输出控制指令，包括：

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过所述控制器输出控制指令，包括：