高功率激光器光束質(zhì)量測(cè)量的衰減縮束實(shí)驗(yàn)

單小琴，李天昊，朱日宏

（1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.天津津航技術(shù)物理研究所，天津 300308；3.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

引言

高功率激光器是激光核聚變、激光武器、激光制造等國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域的核心部件[1-3]。近年來(lái)，高功率激光技術(shù)發(fā)展迅猛，輸出功率不斷增加，配合高功率激光器的光學(xué)系統(tǒng)口徑也隨著激光功率增加[4]。高功率激光的光束質(zhì)量評(píng)估需求日益增加，商用光束質(zhì)量?jī)x已無(wú)法滿足高功率大尺寸激光的光束質(zhì)量評(píng)價(jià)需求[5-6]。因此，有必要研制高功率光束質(zhì)量測(cè)量中的衰減縮束組件，以滿足激光領(lǐng)域不斷增加的測(cè)量口徑及功率需求[7-8]。

傳統(tǒng)激光功率衰減通常使用以下三種方法，分別為中性密度衰減片衰減法、偏振衰減法、鍍膜光學(xué)鏡片衰減法。中性密度衰減片衰減法主要通過(guò)使用中性密度衰減片達(dá)到功率衰減的目的[9]。中性密度衰減片對(duì)不同波長(zhǎng)、不同偏振的激光衰減能力相同，應(yīng)用范圍廣泛。但當(dāng)激光功率較高時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，使其表面破壞、內(nèi)部損傷而失去效能。偏振衰減法利用偏振器件選擇其中某一方向線偏振光分量的方法對(duì)激光進(jìn)行衰減[10]，同時(shí)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振器對(duì)衰減系數(shù)進(jìn)行任意調(diào)整，因此在具有偏振特性的激光領(lǐng)域被廣泛使用[11]。但對(duì)于隨機(jī)偏振的激光無(wú)效，而且因?yàn)樵谑褂弥型ǔ２捎冒氩ㄆM(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)，激光的波長(zhǎng)受到嚴(yán)格限制。鍍膜光學(xué)鏡片衰減法通過(guò)使用鍍膜的光學(xué)鏡片或光學(xué)鏡片組，讓激光在透射或反射中進(jìn)行衰減，形成反射式衰減和透射式衰減。但因所鍍多層介質(zhì)膜對(duì)不同波長(zhǎng)下的激光有不同的反射率，所以在不同波長(zhǎng)激光下具有不同的衰減系數(shù)，限制了其工作范圍。

為了將大尺寸光斑縮小為可滿足測(cè)量要求的小尺寸光斑，縮束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分必要。目前，激光的縮束系統(tǒng)可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由透鏡組構(gòu)成的透射式激光縮束系統(tǒng)，如開(kāi)普勒系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)；另一類(lèi)是由反射鏡組成的反射式縮束系統(tǒng)，如卡塞格林系統(tǒng)和格里高利系統(tǒng)等[12-13]。透射式激光縮束系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多由球面透鏡構(gòu)成，可以通過(guò)改變透鏡組之間的間距實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束的變倍縮束；但隨著系統(tǒng)輸出的激光光束口徑的增大，系統(tǒng)的像差會(huì)增大，因此這類(lèi)系統(tǒng)適用于縮束倍率不大的激光縮束系統(tǒng)。反射式激光縮束系統(tǒng)的特點(diǎn)是在系統(tǒng)中運(yùn)用了大口徑、非球面的反射鏡組，不但提高了擴(kuò)束比，而且極大地減小了系統(tǒng)的各種像差。由于使用了非球面鏡帶來(lái)了一定的加工和裝調(diào)困難，造價(jià)較高。因其擴(kuò)束比不能調(diào)節(jié)，使用范圍受到了局限。

本文開(kāi)展高功率激光器光束質(zhì)量測(cè)量的衰減縮束技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)并搭建了一套高功率激光的衰減及縮束組件，開(kāi)展衰減組件的退偏特性研究和不同視場(chǎng)下縮束組件的波像差特性研究，并配合商用光束質(zhì)量?jī)x實(shí)現(xiàn)了大口徑高功率激光的光束質(zhì)量評(píng)估。

1 縮束激光的光束質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1.1 縮束激光光束質(zhì)量測(cè)量原理圖

利用動(dòng)態(tài)干涉儀作為系統(tǒng)光源，搭建了縮束組件波像差測(cè)量裝置及激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置，對(duì)激光通過(guò)縮束組件后其裝調(diào)誤差對(duì)光束質(zhì)量的影響進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量原理如圖1 所示。動(dòng)態(tài)干涉儀既作為系統(tǒng)光源，又作為波前檢測(cè)儀器。動(dòng)態(tài)干涉儀發(fā)出中心波長(zhǎng)為1 064 nm 的準(zhǔn)單模測(cè)試光，測(cè)試光通過(guò)縮束組件后經(jīng)圓楔棱鏡反射回動(dòng)態(tài)干涉儀，與參考光形成干涉得到透射波前信息。在波前測(cè)量結(jié)束后，將圓楔棱鏡移開(kāi)，測(cè)試光通過(guò)縮束組件后經(jīng)楔板反射，調(diào)整光路后入射光束質(zhì)量分析儀中以測(cè)量光束質(zhì)量信息。在縮束組件下安裝帶刻度的轉(zhuǎn)盤(pán)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)可精確控制縮束組件入射視場(chǎng)角度，由此可以重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同視場(chǎng)下的波前信息和光束質(zhì)量因子M2。

圖1 縮束激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of beam quality measurement device of compressed beam laser

1.2 縮束組件裝調(diào)誤差對(duì)光束質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)搭建了縮束組件波像差測(cè)量裝置，測(cè)量縮束組件裝調(diào)誤差對(duì)光束質(zhì)量的影響，如圖2 所示。測(cè)量系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)干涉儀、縮束組件、圓楔棱鏡三者組成。動(dòng)態(tài)干涉儀采用南京英特飛公司生產(chǎn)的Dyna MZ-Ⅳ動(dòng)態(tài)干涉儀；圓楔棱鏡采用7980F作為基底材料，角度偏差為2°；光束質(zhì)量分析儀采用以色列Ophir公司生產(chǎn)的BeamSquared-SP920 光束質(zhì)量分析儀。圖3 為縮束組件隨視場(chǎng)角度變化產(chǎn)生的波像差峰谷（peak-valley,PV）值。仿真結(jié)果為Zemax 軟件對(duì)縮束組件分析得到的不同視場(chǎng)下波像差變化，即從0°視場(chǎng)到2.5°視場(chǎng)波像差變化。PV 值從0.000 7 λ增加到0.093 2 λ，實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量中PV 值從0.029 λ增加到0.106 λ，PV 值隨視場(chǎng)角度變化的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致。

圖2 縮束組件波像差測(cè)量裝置實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of wave aberration measurement device of compressed beam components

圖3 縮束組件隨視場(chǎng)角度變化的PV值Fig.3 PV values of compressed beam components vary with filed of view

在得到縮束組件隨視場(chǎng)角度變化的波前信息后，將圓楔棱鏡移開(kāi)，讓光束通過(guò)后面的2 個(gè)楔形棱鏡進(jìn)入BeamSquared-SP920 光束質(zhì)量分析儀進(jìn)行光束質(zhì)量因子M2測(cè)量。圖4 為光束質(zhì)量因子M2隨視場(chǎng)變化情況，實(shí)驗(yàn)從0°視場(chǎng)開(kāi)始對(duì)光束質(zhì)量因子進(jìn)行測(cè)量，每改變0.1°就測(cè)量一次。從數(shù)據(jù)中可以看到，在0°視場(chǎng)時(shí)測(cè)得光束質(zhì)量因子=1.163、=1.196；隨著視場(chǎng)角度的增加，光束質(zhì)量因子M2開(kāi)始保持基本不變，在視場(chǎng)角度改變?yōu)?°之后，光束質(zhì)量因子M2開(kāi)始逐漸惡化；在視場(chǎng)角度到達(dá)2.5°時(shí)，測(cè)得光束質(zhì)量因子=1.583、=1.522。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的精確性，需將光束質(zhì)量的影響控制在5%之內(nèi)。根據(jù)在1.2°視場(chǎng)處測(cè)得數(shù)據(jù)，可得峰谷值為49 nm，光束質(zhì)量因子=1.220、=1.226，剛好小于5%。所以在對(duì)縮束組件進(jìn)行裝調(diào)時(shí)，應(yīng)控制其光線入射視場(chǎng)角度小于等于1.2°。

圖4 光束質(zhì)量因子 M2隨視場(chǎng)的變化情況Fig.4 Variation conditions of beam quality factor M2 with field of view

2 高功率衰減縮束激光的光束質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)

2.1 不同模式激光的衰減特性研究

利用偏振分光光路對(duì)光束進(jìn)行分光研究，研究衰減組件對(duì)光束偏振特性的影響。圖5(a)為偏振分光光路示意圖，光束從輸出端出射，通過(guò)偏振分光鏡將光分為兩束。當(dāng)光束以55.4°入射時(shí)，S 光的反射系數(shù)Rs=1，P 光的反射系數(shù)Rp=0，將衰減組件（高反鏡）加入光路，分別用功率計(jì)1 和2 測(cè)量?jī)墒獾膶?shí)時(shí)功率，可計(jì)算出通過(guò)衰減組件后的P 光與S 光的比例及其偏振特性。實(shí)驗(yàn)中使用的偏振分光鏡片為國(guó)產(chǎn)定制偏振分光鏡，其以熔石英材料作為基板，在55.4°時(shí)的消光比Tp∶Ts大于10 000∶1，此偏振分光鏡的設(shè)計(jì)使得以55.4°入射的S 偏振光完全反射，而P 偏振光被完全透射。搭建了偏振分光實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖，如圖5(b)所示。使用最高輸出功率為1 kW 的準(zhǔn)單模高功率光纖激光器，研究衰減組件對(duì)光束偏振特性的影響。

圖5 偏振分光實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置Fig.5 Polarization-splitting experimental device

當(dāng)激光器出光功率為110 W，調(diào)整衰減組件角度使光束以45°入射，分別測(cè)量經(jīng)偏振分光鏡分光后的透射光（P 光）與反射光（S 光）4 min 的功率變化，測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。P 光的峰值功率為0.057 5 W，最低功率為0.054 9 W，功率穩(wěn)定性為95.4%；S 光的峰值功率為0.053 1 W，最低功率為0.052 1 W，功率穩(wěn)定性為98.1%。

圖6 準(zhǔn)單模激光器經(jīng)衰減組件后的功率變化Fig.6 Power variation of quasi-single mode laser after passing through attenuation

從圖6 中可以看出P 光功率、S 光功率呈此起彼伏狀態(tài)，這與準(zhǔn)單模光纖激光器中只傳輸一種模式時(shí)發(fā)出的激光為隨機(jī)偏振的結(jié)論相吻合[14-15]，但S 光功率相對(duì)于P 光功率明顯下降。實(shí)驗(yàn)中衰減組件高反鏡以熔石英為基底，經(jīng)查閱熔石英材料的光學(xué)特性曲線[16]，當(dāng)激光以45°角入射時(shí)，S 光的反射率Rs約為0.080 1，P 光的反射率Rp約為0.006 4，S 光的反射率明顯高于P光，所以在激光通過(guò)高反鏡后，其損失的S 光將大于P光，造成激光光束偏振特性的改變，導(dǎo)致光束質(zhì)量因子M2的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

將最高輸出功率1 kW 的準(zhǔn)單模高功率光纖激光器，替換為最高輸出功率3 kW 的多模高功率光纖激光器。當(dāng)激光器出光功率為110 W時(shí)，調(diào)整衰減組件角度使光束以45°入射，分別測(cè)量經(jīng)偏振分光鏡分光后的P 光與S 光的4 min 功率變化，測(cè)量結(jié)果如圖7 所示。P 光的峰值功率為0.044 8 W，最低功率為0.043 8 W，功率穩(wěn)定性為97.7%；S 光的峰值功率為0.069 5 W，最低功率為0.068 5 W，功率穩(wěn)定性為98.6%?？梢钥闯鯬 光功率、S 光功率呈同升同降狀態(tài)，兩者功率穩(wěn)定性高且同增同減，這與光纖激光器隨著內(nèi)部模式增多其偏振特性趨于兩級(jí)的結(jié)論相吻合。通過(guò)對(duì)比，可以看出多模光纖激光器功率穩(wěn)定性高于準(zhǔn)單模光纖激光器，且隨著模式數(shù)量的增加，偏振更趨于兩極化（激光器產(chǎn)生P 光、S 光比例更加固定）。因此，隨機(jī)偏振的準(zhǔn)單模激光器的功率穩(wěn)定性比多模激光更易受到衰減組件退偏問(wèn)題的影響。

圖7 多模激光器經(jīng)衰減組件后的功率變化Fig.7 Power variation of multi-mode laser after passing through attenuation

2.2 高功率衰減縮束激光的光束質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

搭建了高反式與楔板式高功率光纖激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置，對(duì)1 kW 準(zhǔn)單模激光進(jìn)行了光束質(zhì)量測(cè)量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

高反式高功率光纖激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置如圖8 所示，其中圖8(a)為裝置示意圖，圖8(b)為裝置實(shí)物圖。為了避免光學(xué)元件像差對(duì)光束質(zhì)量因子測(cè)量結(jié)果的影響，系統(tǒng)中所有光學(xué)元件面形的PV 值小于 λ/10（λ=633 nm）。高反鏡采用了具有高抗激光損傷閾值的HfO2作為高折射率膜層，采用SiO2作為低折射率膜層。待測(cè)激光通過(guò)高反鏡后經(jīng)過(guò)楔形棱鏡調(diào)整光路位置與傾斜，然后經(jīng)過(guò)可調(diào)衰減裝置，最后射入光束質(zhì)量分析儀進(jìn)行光束質(zhì)量測(cè)量。該高反鏡式衰減組件使用了鍍高反射率膜層（99.9%）的反射鏡作為主鏡，2 個(gè)楔形棱鏡作為輔助衰減，最后加入不同衰減度的中性密度濾波片組合，實(shí)現(xiàn)衰減組件衰減倍率的可調(diào)。激光經(jīng)過(guò)高反鏡與,2 個(gè)楔形棱鏡之后，可以將激光的功率衰減為初始功率的0.1%×4%×4%=1.6×10-6。5 個(gè)中性密度濾光片的透射率均為1%，則整體裝置衰減系統(tǒng)的衰減區(qū)間為1.6×10-6～1.6×10-16。

圖8 高反式高功率光纖激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置Fig.8 Beam quality measurement device of high reflection type for high power fiber laser

楔板式高功率光纖激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置如圖9 所示，其中圖9(a)為裝置示意圖，圖9(b)為裝置實(shí)物圖。楔形棱鏡采用熔石英材料作為基底。熔石英材料的光學(xué)特性曲線在10°時(shí)P 光與S 光的反射系數(shù)近似相同[17]。為保持激光偏振特性不發(fā)生改變，裝置中需保持激光以10° 入射楔形棱鏡，并將楔形棱鏡前表面反射的激光以10° 入射下一塊楔形棱鏡，多次反射后入射到縮束組件中，最后入射光束質(zhì)量分析儀進(jìn)行光束質(zhì)量測(cè)量。該楔板式衰減組件使用了4 塊不鍍膜（反射率為4%）的楔形棱鏡，通過(guò)4 次透射實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光的衰減。激光經(jīng)過(guò)4 塊楔形棱鏡反射之后，可以將激光的功率衰減為初始功率的4%×4%×4%×4%=2.56×10-6。如裝置中增加5 個(gè)透射率均為1%的中性密度濾光片，則整體裝置衰減系統(tǒng)的衰減區(qū)間為2.56×10-6～2.56×10-16。

圖9 楔板式高功率光纖激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置Fig.9 Beam quality measurement device of wedge-plate type for high power fiber laser

2.3 高功率縮束激光的光束質(zhì)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先使用高反式高功率光纖激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置，對(duì)1 kW 準(zhǔn)單模高功率光纖激光器進(jìn)行光束質(zhì)量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖10 所示。可見(jiàn)，利用高反式測(cè)量裝置對(duì)1 kW 準(zhǔn)單模高功率光纖激光器進(jìn)行光束質(zhì)量測(cè)量，出光功率為1 kW 時(shí)5 次測(cè)量結(jié)果基本沒(méi)有變化（取平均值后x方向?yàn)?.43，y方向?yàn)?.41）。實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境溫度控制在（21±2）℃，該高反式高功率光纖激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置內(nèi)部的光學(xué)元件達(dá)到熱平衡，無(wú)明顯溫升，高反鏡最高溫度為25.3 ℃，通過(guò)熱像儀采集的高反鏡溫度如圖11所示。因此，在光束質(zhì)量測(cè)量時(shí)不考慮光源元件因升溫導(dǎo)致熱形變產(chǎn)生的影響。不同測(cè)量次數(shù)下，光束質(zhì)量因子M2有0.01 或者0.02 的誤差，來(lái)源于光束質(zhì)量分析儀自身的測(cè)量誤差。

圖10 高反式光束質(zhì)量測(cè)量結(jié)果Fig.10 Beam quality measurement results of high reflection type

圖11 1 kW 功率下高反鏡的溫度Fig.11 Temperature of high reflection mirror at 1 kW power

將縮束組件取下，測(cè)量5 組無(wú)縮束組件下的1 kW 準(zhǔn)單模高功率光纖激光器在出光功率為1 kW 時(shí)的光束質(zhì)量因子，其測(cè)量結(jié)果如圖12 所示?？梢?jiàn)，無(wú)縮束組件時(shí)對(duì)1 kW 準(zhǔn)單模高功率光纖激光器在出光功率為1 kW 時(shí)的5 次光束質(zhì)量測(cè)量結(jié)果基本沒(méi)有變化（取平均值后x方向?yàn)?.39，y方向?yàn)?.37），與有縮束組件的5 次結(jié)果相比（取平均值后x方向?yàn)?.43，y方向?yàn)?.41），光束質(zhì)量因子x方向平均減小0.04，相對(duì)無(wú)縮束組件時(shí)的光束質(zhì)量因子變化了2.8%；y方向平均減小0.04，相對(duì)無(wú)縮束時(shí)光束質(zhì)量因子變化了2.9%。結(jié)合縮束組件裝調(diào)對(duì)光束質(zhì)量的影響仿真可知[18]，實(shí)驗(yàn)中縮束組件的裝調(diào)方式可靠，且測(cè)量結(jié)果誤差小于3%。通過(guò)BeamSquared 軟件，記錄了光斑縮束前后的大小，如圖13 所示?？芍?，光斑在無(wú)縮束時(shí)直徑約為8 mm，經(jīng)過(guò)縮束后直徑約為2.7 mm，實(shí)驗(yàn)通過(guò)縮束組件能將光束直徑縮小為原來(lái)的三分之一。說(shuō)明所設(shè)計(jì)的組件可以完成縮束任務(wù)，并可配合光束質(zhì)量分析儀完成高功率激光的光束質(zhì)量測(cè)量任務(wù)。

圖12 無(wú)縮束組件時(shí)光束質(zhì)量結(jié)果Fig.12 Beam quality results without compressed beam components

圖13 光斑縮束前后的直徑Fig.13 Diameters of light spot before and after beam compression

使用楔板式高功率光纖激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置對(duì)1 kW 準(zhǔn)單模高功率光纖激光器進(jìn)行光束質(zhì)量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖14 所示。當(dāng)出光功率為1 kW時(shí)，5 次測(cè)量結(jié)果基本沒(méi)有變化（取平均值后x方向?yàn)?.57，y方向?yàn)?.55）。將楔板式與高反式測(cè)量裝置得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖15所示。

圖14 楔板式光束質(zhì)量測(cè)量結(jié)果Fig.14 Beam quality results of wedge-plate type

圖15 高反式與楔板式光束質(zhì)量結(jié)果對(duì)比Fig.15 Comparison of beam quality results between high reflection type and wedge-plate type

由圖15 可見(jiàn)，高反式測(cè)量裝置得到光束質(zhì)量測(cè)量平均結(jié)果為=1.43，=1.41；楔板式測(cè)量裝置得到光束質(zhì)量測(cè)量平均結(jié)果為=1.57，1.55，楔說(shuō)明板式測(cè)量裝置得到的光束質(zhì)量平均值，高于高反式測(cè)量裝置得到的光束質(zhì)量結(jié)果。通過(guò)圖6 衰減組件偏振特性對(duì)激光功率穩(wěn)定性影響可知，激光通過(guò)衰減組件時(shí)發(fā)生退偏現(xiàn)象，使得某個(gè)偏振方向上光功率弱化。在高反式測(cè)量裝置中，待測(cè)光束通過(guò)高反鏡時(shí)產(chǎn)生了退偏，光束質(zhì)量測(cè)量結(jié)果相對(duì)于楔板式測(cè)量方案的結(jié)果更小。

3 結(jié)論

商用光束質(zhì)量分析儀已無(wú)法滿足高功率大口徑激光器的光束質(zhì)量評(píng)估需求，本文開(kāi)展了高功率激光器光束質(zhì)量測(cè)量的衰減縮束技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究。搭建了高反式與楔板式高功率激光光束質(zhì)量測(cè)量裝置，測(cè)量了1 kW 準(zhǔn)單模高功率激光器的光束質(zhì)量。在高反式測(cè)量裝置中，待測(cè)激光通過(guò)高反鏡時(shí)發(fā)生了退偏，光束質(zhì)量測(cè)量結(jié)果偏小，而楔板式衰減組件利用了4 塊楔形棱鏡使待測(cè)激光以10 °入射的方式減少了衰減組件退偏的影響，更能準(zhǔn)確反映待測(cè)光的光束質(zhì)量。