СПОСОБ АДАПТИВНОЙ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ ФАЗОВОЙ КОРРЕКЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR ADAPTIVE INTRACAVITY PHASE CORRECTION OF LASER EMISSION

Изобретение относится к области лазерной техники и может найти применение при внутрирезонаторной фазовой коррекции многомодового лазерного излучения.
В настоящее время адаптивная оптическая система (АОС) является неотъемлемой частью импульсных и непрерывных лазерных установок. Цель использования АОС - компенсация статических и (или) динамических искажений волнового фронта лазерного пучка, возникающих при его распространении через оптические неоднородности активной лазерной среды и оптического тракта. Основными составными частями традиционной АОС являются датчик волнового фронта (ДВФ), гибкое адаптивное зеркало (АЗ), спецвычислитель (например, персональный компьютер (ПК)), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и высоковольтный усилитель. Измерение локальных градиентов фазовой поверхности пучка проводится с помощью ДВФ. Восстановление фазовой поверхности и расчет требуемых напряжений, подаваемых на исполнительные механизмы АЗ, проводится в спецвычислителе. Вычисленные напряжения преобразуются с помощью ЦАП в аналоговый сигнал, усиливаются с помощью высоковольтного усилителя и подаются на исполнительные механизмы АЗ, в результате чего производится требуемая деформация поверхности АЗ.
На практике возможны ситуации, когда падающий на ДВФ пучок пространственно некогерентный, то есть в нем присутствует одновременно множество независимых волновых фронтов. В этом случае ДВФ будет измерять некий средний волновой фронт излучения, и коррекция такого пучка с помощью АОС с ДВФ будет неэффективна. Например, указанная ситуация реализуется в плоскопараллельном лазерном резонаторе. Внутри резонатора одновременно распространяется несколько независимых лазерных мод, при этом каждая мода имеет свой волновой фронт. В условиях нестационарной оптически неоднородной активной лазерной среды структура волновых фронтов непрерывно изменяется, и задача фазовой коррекции многомодового излучения усложняется.
В настоящее время внутрирезонаторная коррекция лазерного излучения с помощью A3 уже осуществлялась. Для управления АЗ применяют различные итеративные алгоритмы: последовательное «восхождение на холмы, двухэтапное «восхождение на холм», имитация «отжигам, случайный поиск, адаптивный случайный поиск [М.А. Воронцов, А.В. Корябин. В.И. Полежаев, В.И. Шмальгаузен, "Адаптивное внутрирезонаторное управление модовым составом излучения твердотельного лазера", Квантовая электроника, 18, №8, (1991), 904-905. 1], [Waiter Lubeigt, Gareth Valentine, John Girkin, Erwin Bente, David Bums, "Active transverse mode control and optimization of an all-solid-state laser using an intracavity adaptive-optic mirror", Optics Express, Vol. 10, No. 13. (2002), 550-553. 2], [Walter Lubeigt, Gareth Valentine and David Bums, "Enhancement of laser performance using an intracavity deformable membrane mirror", Optics Express, Vol. 16, No. 15, (2008), 10943-10955. 3], [P. Yang, Y. Liu, W. Yang et al., "Adaptive mode optimization of a continuous-wave solid-state laser using an intracavity piezoelectric deformable mirror", Optics Communications, 278, (2007), 377-381. 4], [Ping Yang, MingWu Ao, Yuan Liu, Bing Xu, WenHan Jiang, "Intracavity transverse modes controlled by a genetic algorithm based on Zemike mode coefficients". Optics Express, Vol. 15, No. 25, (2007) 17051-17062. 5]. В качестве наиболее близкого аналога, реализующего заявляемый способ внутрирезонаторной фазовой коррекции лазерного излучения, был выбран способ [P. Yang, X. Lei, R. Yang, M. Ao, L. Dong, B. Xu "Fast and stable enhancement of the far-field peak power by use of an intracavity deformable mirror", Appl. Phys. B (2010) 100, 591-595. 6]. В этом способе рассмотрен вариант внутрирезонаторной фазовой коррекции одномодового лазерного излучения путем управления модой на базе определенного алгоритма.
Способ адаптивной внутрирезонаторной фазовой коррекции (способ-прототип), реализуемый в [6], состоит в том, что обеспечивают внутрирезонаторное управление модой лазерного излучения, сгенерированного в активной среде лазерного резонатора, причем фазовую коррекцию одномодового лазерного излучения осуществляют с помощью АЗ, установленного внутри лазерного резонатора на месте полностью отражающего (глухого) зеркала резонатора. Внутри резонатора между АЗ и активной лазерной средой размещен телескоп, расширяющий лазерный пучок так, чтобы задействовать наибольшее количество исполнительных механизмов АЗ. Выходное лазерное излучение, сгенерированное в резонаторе, выводится из резонатора, и направляется на пластину, которая делит общий поток излучения на две части. Одна часть излучения отводится для использования потребителем. Другая часть излучения фокусируется на фоторегистраторе, где измеряется интегральное значение интенсивности в области заданного размера в лазерном пятне. Смысл фокусировки состоит в следующем. Размер фокального пятна характеризует расходимость пучка. И чем больше приосевая интенсивность, тем меньше размер фокального пятна и меньше расходимость. Значение приосевой интенсивности, характеризующее качество лазерного излучения, принимается за значение целевой функции алгоритма управления АЗ.
На основе измерений значения целевой функции с помощью ПК вычисляются значения управляющих напряжений, которые требуется подать на исполнительные механизмы АЗ. Расчет управляющих напряжений для АЗ проводится на основе алгоритма стохастического параллельного градиентного спуска (СПГС) [М.А. Vorontsov, V.P. Sivokon. "Stochastic parallel-gradient-descent technique for hight-resolution wave-front phase-distortion correction", J. Opt. Soc. Amer. A, V. 15, №10, (1998), 2745-2758, 7]. Вычисленные значения напряжений из ПК передаются в ЦАП и затем усиливаются высоковольтным усилителем. Далее напряжения подаются на исполнительные механизмы АЗ, в результате чего поверхность АЗ деформируется, что в свою очередь приводит к фазовой коррекции лазерного излучения генерируемого внутри резонатора. Управление АЗ осуществляют в итерационном режиме в три этапа. Результатом внутрирезонаторной фазовой коррекции является сужение диаграммы направленности выходного лазерного излучения, характеризующей расходимость пучка. О достижении требуемого качества коррекции судят по значению целевой функции итерационного стохастического (СПГС) алгоритма.
К недостаткам вышеупомянутых аналогов и способа-прототипа (в случае одномодового лазерного излучения) можно отнести использование алгоритмов управления АЗ с неоптимальным быстродействием. Так, в прототипе [6] и аналоге [5] под управлением АЗ генетическим алгоритмом отдельные лазерные моды преобразуются в основную моду в течение достаточно длительного времени. Это обстоятельство делает непригодным использование АОС под управлением генетического алгоритма для коррекции излучения в резонаторах с быстро изменяющимися (в течение нескольких секунд или доли секунды) параметрами неоднородной активной среды, где требуется высокое быстродействие АОС. В способе-прототипе [6] под управлением АЗ алгоритмом СПГС отдельные лазерные моды преобразуются в основную моду в течение примерно десяти секунд. В работах [Huizhen Yang, Xinyang Li, "Comparison of several stochastic parallel optimization algorithms for adaptive optics system without a wavefront sensor", Optics & Laser Technology, 43, (2011), 630-635. 8], [R. Yazdani, M. Hajimahmoodzadeh, and H.R. Fallah, "Adaptive phase aberration correction based on imperialist competitive algorithm", Applied Optics, Vol. 53, No. 1, (2014), 132-140. 9] показано, что в идентичных условиях алгоритм стохастического параллельного градиентного спуска (СПГС) в 10-15 раз быстрее генетического алгоритма. Кроме того, в вышеупомянутых аналогах и способе-прототипе было рассмотрено преобразование одной лазерной моды высокого порядка в моду близкую к основной гауссовой моде.
Для случая с многомодовым лазерным излучением проблема заключается в отсутствии информации о возможности его внутрирезонаторной фазовой коррекции.
При этом формально, с многомодовым пучком в прототипе не работали, и что даст применение СПГС (в прототипе) в этом случае - неясно.
То есть для случая с многомодовым лазерным излучением техническая проблема заключается в необходимости получения информации о возможности его внутрирезонаторной фазовой коррекции при условии обеспечения быстродействия процедуры, более высокого по сравнению с аналогом.
Технический результат изобретения по сравнению с прототипом [6], где отражен способ внутрирезонаторной фазовой коррекции одномодового лазерного излучения, заключается в обеспечении возможности внутрирезонаторной фазовой коррекции в многомодовом режиме лазерной генерации, когда в лазерном резонаторе одновременно присутствует множество мод, при условии быстродействия работы АЗ, с целью повышения мощности узконаправленной компоненты выходного лазерного излучения.
Технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного способа адаптивной внутрирезонаторной фазовой коррекции лазерного излучения заключающегося в том, что обеспечивают внутрирезонаторное управление модой лазерного излучения, сгенерированного в активной среде лазерного резонатора, с помощью установленного в нем адаптивного зеркала (АЗ), для чего часть мощности лазерного излучения отводят после лазерного резонатора от общего потока излучения и фокусируют на фоторегистраторе, измеряют значение интенсивности лазерного излучения в центральной области заданного размера в лазерном пятне на фоторегистраторе, на основе полученных данных вычисляют значения управляющих напряжений, которые требуется подать на исполнительные механизмы АЗ, причем при вычислении управляющих напряжений используют итерационный стохастический алгоритм, позволяющий найти экстремум заданной целевой функции, характеризующий качество лазерного излучения, управление АЗ осуществляют в итерационном режиме, при котором управление модой лазерного излучения производят путем подачи управляющих напряжений на исполнительные механизмы АЗ, обеспечиваемая при этом деформация поверхности АЗ приводит к фазовой коррекции лазерного излучения внутри лазерного резонатора, результатом внутрирезонаторной фазовой коррекции является сужение диаграммы направленности выходного лазерного излучения, причем о достижении требуемого качества коррекции судят по значению целевой функции итерационного стохастического алгоритма, в предложенном способе обеспечивают внутрирезонаторное управление многомодовым составом сгенерированного лазерного излучения, для обеспечения управления исполнительными механизмами АЗ при вычислении управляющих напряжений, подаваемых на исполнительные механизмы АЗ, используют стохастический параллельный градиентный (СПГ) алгоритм, управление АЗ осуществляют в итерационном режиме в два этапа, при котором производят измерение целевой функции СПГ алгоритма при вычислении значений управляющих напряжений по результатам фоторегистрации до подачи пробных малых напряжений на исполнительные механизмы АЗ, на первом этапе СПГ алгоритма на исполнительные механизмы АЗ подают малые пробные напряжения со случайным знаком «+» или «-». после установления напряжений на АЗ вновь производят измерение целевой функции СПГ алгоритма и вычисляют изменение целевой функции относительно ее значения до подачи пробных малых напряжений на исполнительные механизмы АЗ, в соответствии с СПГ алгоритмом вычисляют поправки к управляющим напряжениям, подаваемым на исполнительные механизмы АЗ, и корректируют напряжения, подаваемые на исполнительные механизмы АЗ, на втором этапе СПГ алгоритма подают скорректированные напряжения на исполнительные механизмы АЗ, причем корректирующие поправки к напряжениям пропорциональны параметру, контролирующему скорость сходимости СПГ алгоритма, изменению целевой функции после первого этапа и малым пробным напряжениям, подаваемым на исполнительные механизмы АЗ на первом этапе, и обратно пропорциональны значению целевой функции до подачи пробных малых напряжений и квадрату амплитуды пробных напряжений.
Авторами сделано теоретическое предположение о возможности использования численной модели на основе СПГ алгоритма для обеспечения адаптивной внутрирезонаторной фазовой коррекции многомодового излучения с учетом быстродействия процесса при применении СПГ алгоритма, и это предположение технически подтверждено при реализации заявляемого способа.
Особенность и преимущества заявляемого решения по сравнению с решением, принятым в прототипе, заключаются в том, что:
- предоставляется возможность управления многомодовым составом лазерного излучения в режиме лазерной генерации;
- управление АЗ путем подачи на него управляющих напряжений, значения которых вычислены в рамках заявленной последовательности действий, организовано с помощью итеративного СПГ алгоритма [Гаранин С.Г., Маначинский А.Н., Стариков Ф.А., Хохлов С.В. "Фазовая коррекция лазерного излучения с помощью адаптивных оптических систем в РФЯЦ-ВНИИЭФ", Автометрия, Том 48, №2, (2012), С. 30-37. 10], который построен на основе трехэтапного метода СПГС [7];
- в СПГ алгоритме число этапов в рамках проведения одной итерации сокращено с трех до двух и введен параметр, регулирующий скорость сходимости СПГ алгоритма к заданному значению целевой функции. То есть обеспечено повышение быстродействия работы АОС за счет применения алгоритма управления АЗ, имеющего преимущество в скорости сходимости по сравнению с СПГС алгоритмом. О том, что фазовая коррекция произошла, судят по сужению диаграммы направленности, а о качестве коррекции судят по значению целевой функции СПГ алгоритма.
Таким образом, использующий вышеназванные преимущества способ внутрирезонаторной фазовой коррекции многомодового лазерного излучения на основе СПГ алгоритма позволит по сравнению с прототипом осуществить в режиме многомодовой лазерной генерации компенсацию статических и (или) динамических искажений волнового фронта лазерного пучка, возникающих при его распространении через оптические неоднородности активной лазерной среды и оптического тракта, и обеспечить более быструю процедуру улучшения качества лазерного пучка на выходе из резонатора.
На фиг. 1 показаны распределения фазы (в λ) для шести различных «мод» (№1-№6 номера мод).
На фиг. 2 показаны поперечные распределения интенсивности (в отн. ед.) лазерного пучка в дальней зоне до и после СПГ коррекции.
На фиг. 3 показано характерное поведение целевой функции (δР/Р и нормированной на максимальное значение осевой интенсивности лазерного излучения (числа Штреля St) в итеративном процессе.
d
Покажем, каким образом возможно достижение указанного выше технического результата. Численно смоделирована реализация заявленной последовательности операций. В численном моделировании на 19-элементное АЗ направлялось одновременно несколько пучков с однородным распределением интенсивности и фазой в виде двумерных полиномов Лежандра. Эти пучки рассматривались в качестве отдельных мод лазерного резонатора. Длина волны лазерного излучения λ=1 мкм. На фиг. 1 показаны распределения фазы (в λ) для шести различных «мод». Выходное излучение лазера на фотоприемнике представляется суммой интенсивностей различных «мод» в дальней зоне. Целевой функцией СПГ алгоритма в данном случае выступает доля мощности излучения δР/Р в приосевой диафрагме с угловым размером θ, где δP - мощность излучения в диафрагме, P - полная мощность излучения. Поперечные распределения интенсивности (в относительных единицах) лазерного пучка в дальней зоне до и после СПГ коррекции показаны на фиг. 2. Кружком обозначена граница диафрагмы. В расчетах продемонстрировано, что после СПГ коррекции происходит перераспределение интенсивности излучения в дальней зоне: формируется яркий приосевой керн и крыло, которое может даже несколько выходить за пределы области локализации исходного пучка. На фиг. 3 показано характерное поведение целевой функции δР/Р и нормированной на максимальное значение осевой интенсивности лазерного излучения (число Штреля St) в итеративном процессе. Видно, что значение целевой функции δP/P в результате коррекции за N≈100 итераций СПГ алгоритма возрастает в 2 раза от исходного значения, число Штреля возрастает в 3,3 раза от исходного значения. При этом важно, что организация режима управления АЗ с помощью вычисленных на основе СПГ алгоритма управляющих напряжений, осуществлена в соответствии с заявленной последовательностью действий. Очевидно, что любое АЗ не может подстроиться под коррекцию разных мод одновременно, но, тем не менее, возможность трансформировать модовый состав так, чтобы увеличить мощность узконаправленной компоненты излучения лазера-генератора, имеет большое значение для практики, в том числе при построении систем «задающий генератор и усилитель».
Таким образом, может быть реализовано техническое решение по адаптивной внутрирезонаторной фазовой коррекции лазерного излучения с достижением технического результата, состоящего в сужении диаграммы направленности многомодового лазерного излучения и применении, для достижения этой цели, более быстродействующего, по сравнению с СПГС, СПГ алгоритма, используемого для управления АЗ внутри лазерного резонатора.
Изобретение найдет применение в создании адаптивной оптической системы для внутрирезонаторной фазовой коррекции многомодового лазерного излучения, в том числе и при создании непрерывных лазерных систем, построенных по схеме «задающий генератор и усилитель».