СПОСОБ ВНУТРИРЕЗОНАТОРНОЙ КОРРЕКЦИИ НАКЛОНОВ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR INTRACAVITY CORRECTION OF LASER WAVEFRONT TILTS

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для проведения эффективной процедуры внутрирезонаторной коррекции наклонов волнового фронта лазерного излучения (ЛИ).
В настоящее время лазерные системы с высокой выходной мощностью применяются во многих областях науки и техники, таких как лазерная обработка материалов, нелинейная оптика, медицина и другие. Качество пучка излучения мощных лазеров сильно зависит от величины оптических неоднородностей активной среды, вызванных нагревом активной среды. Тепловые аберрации существенно снижают эффективность применения мощных лазеров.
Одними из основных аберраций, вносимых в волновой фронт излучения мощных лазеров в режиме генерации, являются наклоны, особенно в случае нагревающейся проточной активной среды. Поэтому коррекция наклонов волнового фронта излучения составляет отдельную важную задачу в вопросе получения мощного пучка излучения высокого качества. Ключевым способом улучшения качества пучка является коррекция его волнового фронта методами линейной адаптивной оптики [J.Н. Hardy "Adaptive Optics for Astronomical Telescoped", N.Y.: Oxford University Press, 1998. 1]. Адаптивная оптическая система (АОС) является неотъемлемой частью современных мощных непрерывных и импульсных лазерных систем.
На практике коррекция наклонов волнового фронта лазерных пучков реализуется с помощью корректора наклонов (КН) в виде отражающего плоского зеркала, имеющего возможность поворота по двум взаимно перпендикулярным осям. Задача контура коррекции наклонов АОС - обеспечить требуемую точность центрирования фокального пятна в тех или иных условиях, в том числе и нестационарных, например, при расположении КН внутри резонатора лазера или в качестве одного из зеркал резонатора. При построении контура наклонов, представляющего собой замкнутую АОС с обратной связью, проблема заключается в выборе способа регистрации и обработки параметров излучения в компьютере/контроллере, а также последующего алгоритма управления КН в блоке управления, который определяет необходимые для подачи на приводы КН напряжения.
В рассматриваемом способе внутрирезонаторной коррекции волнового фронта ЛИ для управления АОС применяется итеративный стохастический параллельный градиентный (СНГ) алгоритм, направленный на оптимизацию выбранной целевой функции.
На данный момент внутрирезонаторная коррекция излучения посредством адаптивного зеркала (АЗ) с изменяющейся формой поверхности уже осуществлена и хорошо известна. При этом для вычисления управляющих напряжений, подаваемых на толкатели АЗ, применяют различные алгоритмы, в том числе и недетерминированные итеративные атторитмы поиска экстремума целевой функции, такие как последовательное «восхождение на холм», модельная «закалкам, адаптивный случайный поиск, генетический алгоритм [Walter l.ubeigt. Gareth Valentine and David Burns. "Enhancement of laser performance using an intracavity deformable membrane mirror". Optics Express, Vol.16. No. 15, (2008). 10943-10455. 2]. [R.H. Freeman. R.J. Freibery. and H.R. Garcia, "Adaptive laser resonator". Oprics Loiters, Vol. 2. No. 3. (1978). 61-63. 3]. [M.A. Воронцов. A.B. Корябин, В.П. Полежаев. В.П. Шмальгаузен. "Адаптивное внутрирезонаторное управление модовым составом излучения твердотельного лазера". Квантовая электроника, 18, №8, (1991). 904-905. 4]. Часто для решения этой задачи используется генетический алгоритм [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. 5]. который обладает высокой эффективностью коррекции аберраций волнового фронта ЛИ. Следует отметить, что указанные алгоритмы для управления АЗ также можно использовать для управления КН, который является частным случаем АЗ с двумя степенями свободы. Поэтому в качестве прообраза, реализующего заявляемый способ внутрирезонаторной фазовой коррекции ЛИ. была выбрана АОС, управляемая генетическим алгоритмом [5].
Способ внутрирезонаторной фазовой коррекции (способ-прототип), реализуемый в [5]. заключается в кик что часть сгенерированного в активной среде резонатора ЛИ отводят от потока излучения после резонатора и обеспечивают его фоторегистрацию; измеряют значение выбранного критерия качества ЛИ, зарегистрированного фотоприемником: для коррекции наклонов волнового фронта ЛИ обеспечивают управление расположенным в резонаторе оптическим элементом, обладающим функцией корректора наклонов, (в частности АЗ с изменяющейся формой поверхности, реализующим помимо функции КН, еще и функцию коррекции высших аберраций ЛИ, что определяет его конструктивную сложность, невысокое быстродействие и ограниченность динамическою диапазона при реализации вышеназванной функции КН), путем подачи на его исполнительные механизмы управляющих сигналов; причем вычисляют управляющие сигналы, подаваемые на исполнительные механизмы оптического элемента, обладающего функцией корректора наклонов, с использованием генетического алгоритма, основанного на нахождении экстремума целевой функции, в качестве которой выбрано измеренное значение критерия качества ЛИ, зарегистрированного фотоприемником. Критерием качества ЛИ могут быть, например, мощность ЛИ или размер пучка в дальней зоне.
К недостаткам перечисленных выше алгоритмов и способа-прототипа можно отнести их сложность, и, как следствие, низкое быстродействие. Это обстоятельство делает непригодным использование АОС под управлением указанных алгоритмов для коррекции излучения в резонаторах с быстро изменяющимися параметрами неоднородной активной среды, где требуется высокое быстродействие АОС. Экспериментально было установлено, что при внутрирезонаторном использовании АЗ для коррекции лазерного излучения, распространяющегося через проточную неоднородную активную среду газового лазера, эффективно выполнить максимизацию мощности или минимизацию расходимости излучения не удается из-за недостаточного быстродействия АОС. Использование КН под управлением СПГ алгоритма внутри резонатора вместо одного из зеркал позволило как стабилизировать направление распространения излучения, так и повысить выходную мощность излучения, уменьшив его расходимость.
Технический результат изобретения по сравнению с прототипом [5] заключается в повышении быстродействия работы АОС за счет выбора конструктивно более простого оптического элемента, обладающего функцией КН, и применения более простого по сравнению с генетическим алгоритмом СПГ алгоритма, использующегося для вычисления сигналов, управляющих исполнительными механизмами АОС и, как следствие, в увеличении эффективности максимизации мощности, минимизации расходимости лазерного излучения, распространяющегося через проточную неоднородную активную среду и в стабилизации направления распространения лазерного пучка.
Технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного способа внутрирезонаторной коррекции наклонов волнового фронта лазерного излучения (внутрирезонаторной фазовой коррекции ЛИ), заключающегося в том, что часть сгенерированного в активной среде резонатора ЛИ отводят от потока излучения после резонатора и обеспечивают его фоторегистрацию; измеряют значение выбранного критерия качества ЛИ, зарегистрированного фотоприемником; для коррекции наклонов волнового фронта ЛИ обеспечивают управление расположенным в резонаторе оптическим элементом, обладающим функцией корректора наклонов, путем подачи на его исполнительные механизмы управляющих сигналов; причем вычисляют управляющие сигналы, подаваемые на исполнительные механизмы оптического элемента, обладающего функцией корректора наклонов, с использованием алгоритма, основанного на нахождении экстремума целевой функции, в качестве которой выбрано измеренное значение критерия качества ЛИ. зарегистрированного фотоприемником, в предложенном способе в качестве оптического элемента, обладающего функцией корректора наклонов, выбирают оптический элемент, являющийся собственно корректором наклонов - плоское зеркало с возможностью поворот по двум взаимно перпендикулярным осям; осуществляют подачу случайных управляющих сигналов на корректор наклонов, причем для вычисления управляющих сигналов используют стохастический параллельный градиентный алгоритм; контролируют изменение значений выбранного критерия качества, являющегося целевой функцией стохастического параллельного градиентного алгоритма; вычисляют поправки для управляющих сигналов в соответствии со стохастическим параллельным градиентным алгоритмом с учетом изменений значений выбранного критерия качества; корректируют ориентацию корректора, наклонов посредством подачи этих управляющих сигналов на исполнительные механизмы, что приводит к коррекции наклонов волнового фронта ЛИ.
Особенность и преимущества заявляемою решения по сравнению с решением, принятым в прототипе заключаются в том, что:
• для внутрирезонаторной коррекции наклонов волнового фронта ЛИ вместо АЗ используется простейший КН:
• при вычислении управляющих сигналов для исполнительных механизмов КН исключен сложный генетический алгоритм;
• управление исполнительными механизмами КН посредством управляющих сигналов организовано с помощью модернизированного СНГ алгоритма [Гаранин С.Г., Маначинский А.Н.. Стариков Ф.А.. Хохлов С. В. Фазовая коррекция ЛИ с помощью адаптивных оптических спаем в РФЯЦ-ВНИИЭФ // Автометрия. 2012. Том 48. №2. С. 30-37], который построен на основе трехэтапного метода стохастического градиентного спуска [М.А. Vorontsov, Y.P. Sivokon. "Stochastic parallel-gradient-descent technique for hight-resolution wave-front phase-distortion correction", J. Opt. Soc. Amer., V.15, №10, (1998), 2745-2758]. СПГ алгоритм представляет собой дальнейшую модернизацию алгоритма стохастического параллельного градиентного спуска. Модернизация заключается в сокращении этапов работы алгоритма с трех до двух и направлена на увеличение скорости сходимости алгоритма.
В задаче коррекции фазовых аберраций 61 элементных; АЗ было показано, что при одинаковом конечном качестве коррекции алгоритм стохастическою параллельного градиентного спуска работает в 10 раз быстрее генетического алгоритма [R. Yazdani, М. Hajimahmoodzadeh, and H.R. Fallah. "Adaptive phase aberration correction based on imperialist competitive algorithm". Applied Optics, Vol. 53. No. 1, (2014), 132-140].
Таким образом. использующий вышеназванные преимущества способ внутрирезонаторной коррекции наклонов волнового фронта ЛИ на основе СИГ алгоритма позволит по сравнению с прототипом повысить быстродействие работы АОС, и как следствие увеличить эффективность максимизации мощности, минимизации расходимости лазерного излучения. распространяющегося через проточную неоднородную активную среду, и стабилизации направления распространения лазерного пучка.
Техническое решение реализовано в численной модели работы КН внутри лазерного резонатора. Функциональная схема резонатора с интегрированным в него КН приведена на фиг. 1, где 1 - корректор наклонов, 2 - активная среда, 3 - делитель пучка, 4 - выходное зеркало резонатора, 5 - линза, 6 - фотоприемник, 7 - компьютер, 8 - блок управления корректором наклонов.
На фиг. 2 представлен результат численного моделирования работы КН. расположенного внутри резонатора.
Покажем, каким образом достигается указанный выше технический результат. В численном моделировании учитывалась нестационарность мощности излучения задающего генератора, и временной профиль интенсивности задавался согласно экспериментально измеренной мощности. При отсутствии коррекции отклонение пучка от оптической оси во времени принималось в соответствии с экспериментальными данными.
КН 1 ставится вместо глухого зеркала резонатора лазера, и коррекция наклонов волнового фронта излучения происходит внутри резонатора, фотоприемник 6 при этом расположен вне резонатора. Часть получения, сгенерированного в неоднородной активной среде 2, отводится из резонатора через выходное зеркало 4 на фотоприемник с помощью делителя пучка 3 через линзу 5. Целевой функцией в данном случае выступает мощность излучения в приосевой диафрагме, расположенной перед фотоприемником. В эксперименте информация с фотоприемника передается в компьютер 7. СПГ алгоритм вычисляет управляющие сигналы, а блок управления 8 КН генерирует эти сигналы и отправляет их на исполнительные механизмы КН 1.
Расчеты проводились как с включенной обратной связью контура коррекции, так и без нее. На фиг. 2 показана расчетная мощность излучения Р на фотоприемнике во времени без коррекции и при включения СНГ управления. Включение корректора наклонов позволяет стабилизировать положение пучка на фотоприемнике за малое количество итераций N алгоритма, обеспечивая на датчике постоянный уровень энергии излучения относительно энергии задающего генератора на протяжении всего цикла его работы. Установлено, что, несмотря на нестационарность энергии излучения задающего генератора и линейный рост отклонения пучка неоднородной активной средой, корректор наклонов под управлением СПГ алгоритма работает с высокой эффективностью.
Таким образом, может быть реализовано техническое решение по внутрирезонаторной коррекции наклонов волнового фронта ЛИ с достижением техническою результата состоящего в повышении быстродействия работы АОС за счет выбора конструктивно простого оптического элемента, обладающего функцией КН, и применения более простого по сравнению с генетическим алгоритмом СНГ алгоритма, использующегося для вычисления сигналов. управляющих исполнительными механизмами АОС и, как следствие, в увеличении эффективности максимизации мощности, минимизации расходимости лазерного излучения, распространяющегося через проточную неоднородную активную среду, и в стабилизации направления распространения лазерного пучка.
Изобретение найдет применение в реализации АОС для внутрирезонаторной коррекции наклонов волнового фронта ЛИ, обеспечивая при этом увеличение мощности излучения лазера-генератора, что имеет важное практическое значение, в том числе и при построении систем - “задающий генератор + усилитель”.