基于H-S波前傳感器的高能激光材料熱效應參量測試**

樊紅英， 張 浩， 趙 琦， 蔣澤偉， 賈 靜， 陳 好

(西南技術物理研究所， 成都 610041)

引 言

固體激光器憑借其眾多優點成為激光研究領域中一個重要研究方向，其中分支高能固體激光技術近年來發展迅速，已應用于軍事、工業等領域。隨著激光武器系統及工業技術的快速發展，對高能激光器提出了更高的要求，包括提高平均功率、改善出射光束質量以及提高整體效率等，其中最大障礙是固體激光材料的熱效應。固體激光器熱效應產生的根本原因是抽運過程中產生大量的廢熱[1-2]，廢熱不能及時被帶走，在激光介質中形成不均勻溫度分布和熱應力，進而產生熱透鏡效應、熱致雙折射效應等，嚴重影響激光器的性能[3-4]。

目前，國內外對固體激光器激光材料熱效應的理論研究已做了較多的工作[5-11]，相對較成熟，而對激光材料熱效應的準確測量一直以來都是個工程難題。常用測量方法包括通過測量探測光經過抽運介質后焦點位置的移動來計算等效熱焦距法[12-13]、利用諧振腔本征模特性測量熱焦距法[14-15]及通過波前測量獲得熱焦距法[16-17]等，其中波前測量法能同時測量出熱效應產生的等效焦距及波像差，可以更全面地了解熱效應，是采用較多的方法。目前，工程人員較多地是將測量結果與理論進行比較或利用測量裝置實測激光參量[18]來間接驗證熱效應參量結果的正確性，但對測量方法本身的測量不確定度的評估和驗證還鮮有報道。

本文中針對高能燈抽運釹玻璃固體激光器激光材料熱效應參量的現場測試需求，設計了一套測量口徑達?50mm，熱焦距測量范圍達30m～120m，對環境振動不敏感、可用于在線測試的熱效應參量測量裝置，并對裝置系統參量進行標定、對測量不確定度進行評估及實驗驗證。

1 系統組成及原理

設計的激光材料熱效應參量測量裝置如圖1所示。主要由準直波前發生器、分光鏡、中繼匹配系統、Hartmann-Shack(H-S)波前傳感器等組成。準直波前發生器出射的準直平行光垂直通過待測激光材料，激光材料熱效應將導致平行光產生波像差，利用鍍有高損傷閾值分光膜的分光鏡將激光與測試光分離開來。用H-S波前傳感器測量探測光波前，由像差波前解算出曲率量，曲率量將代表激光材料等效焦距參量。由于波前傳感器測量口徑有限，需設計相應倍率的中繼匹配系統來實現全口徑測量，則經過中繼匹配系統前后的曲率量將按系統倍率平方關系變換。由于裝置探測波像差的核心裝置H-S波前傳感器具有計算速度快、對環境振動不敏感等優點，裝置可較好地應用于現場在線測試。利用H-S波前傳感器連續測量不同時間內波前，可得到從抽運開始至結束后一段時間內激光材料熱效應參量的動態變化過程。

Fig.1 System configuration of measurement system of thermal effect in a solid-state laser rod

2 系統的設計及實現

2.1 準直波前發生器

要求準直波前發生器產生大于?50mm的準直平行光，課題設計的準直波前發生器主要通過將單模He-Ne激光準直放大來獲得準直波前，理論上放大倍率越大，出射波前就越接近標準平面波，但是過大的放大倍率會造成系統比較復雜，精度難以保證，因此選擇采用二級放大的方式，每級放大10倍，并且要求擴束系統波前質量均方根值(root mean square,RMS)小于λ/30，λ為He-Ne激光波長。這樣，經過二級擴束準直系統后的He-Ne激光光束被放大100倍，可以看成標準平面波面。

2.2 分光鏡

分光鏡的作用是將激光器輸出高能量1055nm激光與633nm測試光分開，要求分光鏡具有低膨脹系數，膜層激光損傷閾值高且透射波前較小。根據課題指標及現場測試要求，設計分光鏡參量為：口徑為?100mm；材料為光學熔石英；膜層鍍1055nm波長高反膜，膜層抗損傷閾值不小于300J/cm2；鍍膜后透射波前峰谷值(peak-to-valley,PV)小于λ/10@633nm。

2.3 中繼匹配系統

中繼匹配系統的作用是將大尺寸待測波前高保真的轉換至小口徑波前傳感器測量面上，整個系統類似于開普勒望遠系統，如圖2所示。物面為透鏡L1的前焦面，透鏡L1的焦距為f1，像面為透鏡L2的后焦面，透鏡L2的焦距為f2，從物面到像面的光線變換矩陣為:

(1)

式中，M為系統放大率;ri，θi分別代表物面第i條光線與光軸的距離和角度;Ri，Θi分別代表第i條光線在像面位置與光軸的距離和角度。從變換矩陣可知，經過系統前后光線滿足關系，Ri=Mri和Θi=θi/M，由此可知,處在像面的波前只是物面波前按系統放大率放大的結果，只要控制系統的像差，便可實現主鏡前焦面的波前將無畸變的變換至次鏡后焦面上。

Fig.2 Keplarian resizing telescope

課題組使用的H-S波前傳感器參量為:微透鏡陣列數44×33；測量口徑6.19mm×4.75mm。要實現測量口徑達到?50mm的技術指標，設計中繼匹配系統參量為：入瞳口徑?58mm；倍率11×；波像差λ/30(RMS)。具體設計結果如表1所示。

Table 1 Structure data of Keplerian resizing telescope

2.4 系統參量校準

2.4.1 H-S波前傳感器參量校準 課題組使用如圖3所示校準裝置對H-S波前傳感器進行校準。校準方法為：準直光經反射鏡后，用被校波前傳感器測量。精密調節波前傳感器使波前傳感器在不去傾斜條件下，測量結果最小。控制電動旋轉臺使平面反射鏡轉動，經平面反射鏡反射的準直光相對被校波前傳感器為一傾斜波前，傾斜波前PV值、RMS值由光斑尺寸和傾斜角確定。由自準直儀測量出傾斜波前傾斜角，計算出傾斜波前PV值、RMS值標準值，將被校波前傳感器測量值與標準值進行比對來完成校準。校準結果為，H-S波前傳感器波前畸變RMS值擴展測量不確定度為30nm(k=2，k為包含因子)。

Fig.3 Calibration system of H-S wavefront sensor

2.4.2 中繼系統放大率標定 倍率標定實驗裝置如圖4所示。具有固定尺寸的物被準直光照明，用CCD相機接收物經中繼匹配系統后的像，對接收像進行數字圖像處理，獲得精確的像尺寸，根據物像尺寸獲得整個系統的倍率。實驗時用游標卡尺作為物，調節游標卡尺讀數為40mm，用CCD相機接收到的像如圖5所示。中繼匹配系統倍率標定結果為10.99倍。

Fig.4 Experimental layout of magnification calibration of Keplerian resizing telescope

Fig.5 CCD camera image

3 測量不確定度評定

3.1 波前畸變測量不確定度

測量裝置波前畸變測量不確定度主要來源包括準直光源波前畸變、中繼匹配系統波前畸變及H-S波前傳感器測量不確定度。H-S波前傳感器已通過校準裝置校準，則利用波前傳感器直接測量準直光經中繼匹配系統后波前畸變，結果將代表整個裝置的波前畸變測量不確定度。由表2所示的測量數據可知，測量裝置波前畸變RMS值擴展測量不確定度為0.06λ(k=2)。

Table 2 Structure data of Keplerian resizing telescope

3.2 等效焦距測量不確定度

由裝置測量原理可知，裝置等效焦距測量不確定度來源主要包括以下三部分:波前傳感器曲率測量誤差引入測量不確定度，此項由裝置波前畸變測量誤差引起；中繼匹配系統倍率標定引入的測量不確定度；測量重復性引入的測量不確定度。

3.2.1 裝置波前畸變測量誤差引入的測量不確定度分量u1由3.1節中的分析可知，裝置波前畸變測量不確定度為0.06λ，將其全部作為波前曲率項誤差。當待測焦距為120m時，經中繼匹配系統、波前傳感器上對應曲率半徑約為1m，波前RMS值變化0.06λ對應曲率半徑變化85mm，由此引入的測量不確定度分量可評估為:

u1=4.0%(2)

3.2.2 中繼匹配系統倍率標定引入的測量不確定度分量u2游標卡尺分辨率為0.02mm，CCD采集圖像邊緣標定誤差評估為3個像素，由此引入的測量不確定度分量可評估為:

u2=0.5%(3)

3.2.3 測量重復性引入的測量不確定度分量u3根據實際測量結果(120m焦距)，由A類不確定度評定方法評定，測量重復性引入的測量不確定度評估為:

u3=1%(4)

3.2.4 標準測量不確定度 各不確定度分量彼此無關，故合成標準測量不確定度為:

(5)

3.2.5 擴展測量不確定度 擴展不確定度按下式計算：

U=kuc=8.4%(6)

式中，U為擴展測量不確定度；k為包含因子，取k=2；uc為合成標準測量不確定度。

4 系統測試結果

4.1 測量裝置焦距測量不確定度驗證

測量裝置研制完成后，需完成測量不確定度比對驗證實驗，課題設計了兩套實驗比對裝置。用測量裝置分別測量40m和60m標準長焦單透鏡焦距，將測量結果與標準值比對，如圖6所示。利用長焦發生器產生120m長焦距，分別用泰伯-莫爾法長焦測焦儀和激光材料熱效應測量裝置測量同一焦距值，比對測量結果，如圖7所示。測量結果需滿足比對公式:

(7)

式中，En為歸一化偏差；F1和F2分別為參與比對兩個裝置的測量結果；U1和U2分別代表兩個裝置的擴展測量不確定度。

Fig.6 Measurement of long focal-length lens

Fig.7 Measurement of the same long focal-length by the designed system and Talbot-Moiré effect

Table 3 Results of comparative tests

比對實驗結果如表3所示。所有比對因子En都小于1，從而驗證了測量不確定度評定的合理性。

4.2 500J燈抽運釹玻璃固體激光器熱效應在線測量

利用研制的測量裝置對500J燈抽運釹玻璃固體激光器激光材料熱效應進行了測試，抽運開始時刻記錄為0時刻，連續記錄抽運后一段時間內激光材料熱焦距的變化情況。測試結果如圖8所示。橫坐標t為時間，縱坐標f3為所測得激光材料的熱焦距，由測量結果可知，被測激光器在觸發50s后，熱效應最嚴重，等效焦距最短，約為110m，8min后激光材料散熱完成,熱焦距消失。

Fig.8 Measurement results of thermal focus length of 500J solid-state laser

5 結 論

所設計的測量口徑達50mm的激光材料熱效應參量測試裝置，具有測試速度快、測量范圍寬、可測量特長熱焦距、對環境不敏感等優點，通過實驗驗證，裝置測量30m～120m焦距的擴展測量不確定度最大為8.4%。該系統為實現高能固體激光器激光材料熱效應參量的在線、快速測試提供了有效的測量手段。

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