基于H-S波前傳感器的高能激光材料熱效應(yīng)參量測(cè)試**

樊紅英， 張 浩， 趙 琦， 蔣澤偉， 賈 靜， 陳 好

(西南技術(shù)物理研究所， 成都 610041)

引 言

固體激光器憑借其眾多優(yōu)點(diǎn)成為激光研究領(lǐng)域中一個(gè)重要研究方向，其中分支高能固體激光技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，已應(yīng)用于軍事、工業(yè)等領(lǐng)域。隨著激光武器系統(tǒng)及工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)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(zhì)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(yīng)。固體激光器熱效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因是抽運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的廢熱[1-2]，廢熱不能及時(shí)被帶走，在激光介質(zhì)中形成不均勻溫度分布和熱應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)、熱致雙折射效應(yīng)等，嚴(yán)重影響激光器的性能[3-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)固體激光器激光材料熱效應(yīng)的理論研究已做了較多的工作[5-11]，相對(duì)較成熟，而對(duì)激光材料熱效應(yīng)的準(zhǔn)確測(cè)量一直以來(lái)都是個(gè)工程難題。常用測(cè)量方法包括通過(guò)測(cè)量探測(cè)光經(jīng)過(guò)抽運(yùn)介質(zhì)后焦點(diǎn)位置的移動(dòng)來(lái)計(jì)算等效熱焦距法[12-13]、利用諧振腔本征模特性測(cè)量熱焦距法[14-15]及通過(guò)波前測(cè)量獲得熱焦距法[16-17]等，其中波前測(cè)量法能同時(shí)測(cè)量出熱效應(yīng)產(chǎn)生的等效焦距及波像差，可以更全面地了解熱效應(yīng)，是采用較多的方法。目前，工程人員較多地是將測(cè)量結(jié)果與理論進(jìn)行比較或利用測(cè)量裝置實(shí)測(cè)激光參量[18]來(lái)間接驗(yàn)證熱效應(yīng)參量結(jié)果的正確性，但對(duì)測(cè)量方法本身的測(cè)量不確定度的評(píng)估和驗(yàn)證還鮮有報(bào)道。

本文中針對(duì)高能燈抽運(yùn)釹玻璃固體激光器激光材料熱效應(yīng)參量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了一套測(cè)量口徑達(dá)?50mm，熱焦距測(cè)量范圍達(dá)30m～120m，對(duì)環(huán)境振動(dòng)不敏感、可用于在線測(cè)試的熱效應(yīng)參量測(cè)量裝置，并對(duì)裝置系統(tǒng)參量進(jìn)行標(biāo)定、對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)估及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)組成及原理

設(shè)計(jì)的激光材料熱效應(yīng)參量測(cè)量裝置如圖1所示。主要由準(zhǔn)直波前發(fā)生器、分光鏡、中繼匹配系統(tǒng)、Hartmann-Shack(H-S)波前傳感器等組成。準(zhǔn)直波前發(fā)生器出射的準(zhǔn)直平行光垂直通過(guò)待測(cè)激光材料，激光材料熱效應(yīng)將導(dǎo)致平行光產(chǎn)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(cè)試光分離開(kāi)來(lái)。用H-S波前傳感器測(cè)量探測(cè)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(cè)量口徑有限，需設(shè)計(jì)相應(yīng)倍率的中繼匹配系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全口徑測(cè)量，則經(jīng)過(guò)中繼匹配系統(tǒng)前后的曲率量將按系統(tǒng)倍率平方關(guān)系變換。由于裝置探測(cè)波像差的核心裝置H-S波前傳感器具有計(jì)算速度快、對(duì)環(huán)境振動(dòng)不敏感等優(yōu)點(diǎn)，裝置可較好地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試。利用H-S波前傳感器連續(xù)測(cè)量不同時(shí)間內(nèi)波前，可得到從抽運(yùn)開(kāi)始至結(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)激光材料熱效應(yīng)參量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

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

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 準(zhǔn)直波前發(fā)生器

要求準(zhǔn)直波前發(fā)生器產(chǎn)生大于?50mm的準(zhǔn)直平行光，課題設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直波前發(fā)生器主要通過(guò)將單模He-Ne激光準(zhǔn)直放大來(lái)獲得準(zhǔn)直波前，理論上放大倍率越大，出射波前就越接近標(biāo)準(zhǔn)平面波，但是過(guò)大的放大倍率會(huì)造成系統(tǒng)比較復(fù)雜，精度難以保證，因此選擇采用二級(jí)放大的方式，每級(jí)放大10倍，并且要求擴(kuò)束系統(tǒng)波前質(zhì)量均方根值(root mean square,RMS)小于λ/30，λ為He-Ne激光波長(zhǎng)。這樣，經(jīng)過(guò)二級(jí)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)后的He-Ne激光光束被放大100倍，可以看成標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試光分開(kāi)，要求分光鏡具有低膨脹系數(shù)，膜層激光損傷閾值高且透射波前較小。根據(jù)課題指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求，設(shè)計(jì)分光鏡參量為：口徑為?100mm；材料為光學(xué)熔石英；膜層鍍1055nm波長(zhǎng)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(tǒng)

中繼匹配系統(tǒng)的作用是將大尺寸待測(cè)波前高保真的轉(zhuǎn)換至小口徑波前傳感器測(cè)量面上，整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似于開(kāi)普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)，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(tǒng)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(jīng)過(guò)系統(tǒng)前后光線滿(mǎn)足關(guān)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(tǒng)放大率放大的結(jié)果，只要控制系統(tǒng)的像差，便可實(shí)現(xiàn)主鏡前焦面的波前將無(wú)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(shù)44×33；測(cè)量口徑6.19mm×4.75mm。要實(shí)現(xiàn)測(cè)量口徑達(dá)到?50mm的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)中繼匹配系統(tǒng)參量為：入瞳口徑?58mm；倍率11×；波像差λ/30(RMS)。具體設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。

Table 1 Structure data of Keplerian resizing telescope

2.4 系統(tǒng)參量校準(zhǔn)

2.4.1 H-S波前傳感器參量校準(zhǔn) 課題組使用如圖3所示校準(zhǔn)裝置對(duì)H-S波前傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法為：準(zhǔn)直光經(jīng)反射鏡后，用被校波前傳感器測(cè)量。精密調(diào)節(jié)波前傳感器使波前傳感器在不去傾斜條件下，測(cè)量結(jié)果最小。控制電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)使平面反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)平面反射鏡反射的準(zhǔn)直光相對(duì)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(zhǔn)直儀測(cè)量出傾斜波前傾斜角，計(jì)算出傾斜波前PV值、RMS值標(biāo)準(zhǔn)值，將被校波前傳感器測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)來(lái)完成校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)果為，H-S波前傳感器波前畸變RMS值擴(kuò)展測(cè)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(tǒng)放大率標(biāo)定 倍率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。具有固定尺寸的物被準(zhǔn)直光照明，用CCD相機(jī)接收物經(jīng)中繼匹配系統(tǒng)后的像，對(duì)接收像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，獲得精確的像尺寸，根據(jù)物像尺寸獲得整個(gè)系統(tǒng)的倍率。實(shí)驗(yàn)時(shí)用游標(biāo)卡尺作為物，調(diào)節(jié)游標(biāo)卡尺讀數(shù)為40mm，用CCD相機(jī)接收到的像如圖5所示。中繼匹配系統(tǒng)倍率標(biāo)定結(jié)果為10.99倍。

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

Fig.5 CCD camera image

3 測(cè)量不確定度評(píng)定

3.1 波前畸變測(cè)量不確定度

測(cè)量裝置波前畸變測(cè)量不確定度主要來(lái)源包括準(zhǔn)直光源波前畸變、中繼匹配系統(tǒng)波前畸變及H-S波前傳感器測(cè)量不確定度。H-S波前傳感器已通過(guò)校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)，則利用波前傳感器直接測(cè)量準(zhǔn)直光經(jīng)中繼匹配系統(tǒng)后波前畸變，結(jié)果將代表整個(gè)裝置的波前畸變測(cè)量不確定度。由表2所示的測(cè)量數(shù)據(jù)可知，測(cè)量裝置波前畸變RMS值擴(kuò)展測(cè)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(cè)量不確定度

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

3.2.1 裝置波前畸變測(cè)量誤差引入的測(cè)量不確定度分量u1由3.1節(jié)中的分析可知，裝置波前畸變測(cè)量不確定度為0.06λ，將其全部作為波前曲率項(xiàng)誤差。當(dāng)待測(cè)焦距為120m時(shí)，經(jīng)中繼匹配系統(tǒng)、波前傳感器上對(duì)應(yīng)曲率半徑約為1m，波前RMS值變化0.06λ對(duì)應(yīng)曲率半徑變化85mm，由此引入的測(cè)量不確定度分量可評(píng)估為:

u1=4.0%(2)

3.2.2 中繼匹配系統(tǒng)倍率標(biāo)定引入的測(cè)量不確定度分量u2游標(biāo)卡尺分辨率為0.02mm，CCD采集圖像邊緣標(biāo)定誤差評(píng)估為3個(gè)像素，由此引入的測(cè)量不確定度分量可評(píng)估為:

u2=0.5%(3)

3.2.3 測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量u3根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果(120m焦距)，由A類(lèi)不確定度評(píng)定方法評(píng)定，測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度評(píng)估為:

u3=1%(4)

3.2.4 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度 各不確定度分量彼此無(wú)關(guān)，故合成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為:

(5)

3.2.5 擴(kuò)展測(cè)量不確定度 擴(kuò)展不確定度按下式計(jì)算：

U=kuc=8.4%(6)

式中，U為擴(kuò)展測(cè)量不確定度；k為包含因子，取k=2；uc為合成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)量裝置焦距測(cè)量不確定度驗(yàn)證

測(cè)量裝置研制完成后，需完成測(cè)量不確定度比對(duì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，課題設(shè)計(jì)了兩套實(shí)驗(yàn)比對(duì)裝置。用測(cè)量裝置分別測(cè)量40m和60m標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)焦單透鏡焦距，將測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)，如圖6所示。利用長(zhǎng)焦發(fā)生器產(chǎn)生120m長(zhǎng)焦距，分別用泰伯-莫爾法長(zhǎng)焦測(cè)焦儀和激光材料熱效應(yīng)測(cè)量裝置測(cè)量同一焦距值，比對(duì)測(cè)量結(jié)果，如圖7所示。測(cè)量結(jié)果需滿(mǎn)足比對(duì)公式:

(7)

式中，En為歸一化偏差；F1和F2分別為參與比對(duì)兩個(gè)裝置的測(cè)量結(jié)果；U1和U2分別代表兩個(gè)裝置的擴(kuò)展測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。所有比對(duì)因子En都小于1，從而驗(yàn)證了測(cè)量不確定度評(píng)定的合理性。

4.2 500J燈抽運(yùn)釹玻璃固體激光器熱效應(yīng)在線測(cè)量

利用研制的測(cè)量裝置對(duì)500J燈抽運(yùn)釹玻璃固體激光器激光材料熱效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，抽運(yùn)開(kāi)始時(shí)刻記錄為0時(shí)刻，連續(xù)記錄抽運(yùn)后一段時(shí)間內(nèi)激光材料熱焦距的變化情況。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。橫坐標(biāo)t為時(shí)間，縱坐標(biāo)f3為所測(cè)得激光材料的熱焦距，由測(cè)量結(jié)果可知，被測(cè)激光器在觸發(fā)50s后，熱效應(yīng)最嚴(yán)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(jié) 論

所設(shè)計(jì)的測(cè)量口徑達(dá)50mm的激光材料熱效應(yīng)參量測(cè)試裝置，具有測(cè)試速度快、測(cè)量范圍寬、可測(cè)量特長(zhǎng)熱焦距、對(duì)環(huán)境不敏感等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，裝置測(cè)量30m～120m焦距的擴(kuò)展測(cè)量不確定度最大為8.4%。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)高能固體激光器激光材料熱效應(yīng)參量的在線、快速測(cè)試提供了有效的測(cè)量手段。

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