腔镜失调与面型误差对光束质量影响研究

1、腔镜失调与面型误差对光束质量影响研究作者：张增宝指导教师：桑凤亭，金玉奇中国科学院大连化学物理研究所701组摘 要：通过光学模拟软件实现了氧碘化学激光器折叠虚共焦非稳腔的光腔建模，在此基础上进行了腔镜面形误差对光束质量影响的研究以及腔镜失调对光束波前影响的分析，并结合实测结果验证了该方法的可行性。关键词：氧碘化学激光器(COIL)；光腔建模；光束质量；面形误差；腔镜失调1.引言自1978年诞生以来，氧碘化学激光器(COIL)以其短波长、高能、高效、大气与光纤传输性能好、及能源具有可机动性等优点而备受关注，在工业、军事及科研等领域显示着潜在的应用价值。随着激光应用领域的扩展，对于光束质量指标的要

2、求也越来越高，实验研究表明对于高功率氧碘化学激光器，影响光束质量的因素主要包括：增益介质的非均匀性分布引起的介质折射率变化从而导致光束相位发生变化；光学组件加工的面形误差；光学系统的失调误差；出光过程中的机械振动及镜面热变形等引起的象差。如何提高氧碘化学激光器的光束质量是这一领域研究的重点和难点。实验研究发现，影响光束质量的多种因素互相关联，单纯从实验结果很难深入分析各种因素的独立影响程度。而通过建模仿真研究，可以将问题简化，通过模型的分析可以找到某种因素对光束质量的影响关系，并给出提高光束质量的改进方法；另一方面，随着氧碘化学激光器的发展，输出功率的提高和激光器规模的加大，实验成本将急剧上升

3、，为了降低成本，缩短研制周期，氧碘化学激光器的谐振腔光学建模研究也是十分必要的，国外在这方面的研究已经开展。因此结合国内高功率氧碘化学激光器的研究现状，开展谐振腔光学建模研究具有重要意义。腔镜面形加工误差和腔镜失调是直接影响光腔系统性能的两个因素，因此研究腔镜面形误差影响和腔镜的失调对光束波前的影响，无论从提高光束质量还是改进调腔方法上都是十分有益的，而以往的实验研究，因其它因素的关联影响而不能深入，谐振腔光学建模研究的开展为其提供了新的研究途径。本文主要介绍了利用光学建模软件ZEMAX实现模拟激光光束质量及输出光束波阵面的光学谐振腔模型，并且实现了腔镜测量数据与建模数据的完全一致。在此基础上

4、进行了腔镜面形加工误差对光束质量的影响研究，以及腔镜失调对光束波前影响的分析。利用软件分析了光腔模型的衍射能量分布以及由此得到的光束质量的数据，利用软件的Physical Optical Propagation模块实现了远场的光强分布模拟。给出了全部腔镜针对于倾斜失调的腔镜失调曲线，并对曲线作出了解释分析，对比了不同腔镜的失调灵敏度。最后在空腔的情况下利用调腔He-Ne激光进行了光束质量的测量实验，通过实验结果对光腔模型分析得到的结论进行了验证。2.谐振腔光学建模氧碘化学激光器的谐振腔采用折叠虚共焦非稳腔，凸面反射镜、凹面反射镜和刮刀镜放置在氧碘混合喷管一侧的光腔盒内，两块45平面反射镜放置在

5、喷管另一侧的光腔盒内。利用ZEMAX软件建模的光腔结构如图1。本文主要针对光学面形的加工误差进行分析，因此忽略衍射效应，采用顺序追迹光线的几何光学方法，以平行光垂直照射到凸面反射镜，被其反射，依次经过两块45反射镜、凹面反射镜、再次经过两块45反射镜、最后经刮刀镜反射输出。Fig.1 Schematic of COIL resonator图1 软件模拟的COIL光腔结构空腔情况下的光束质量的下降主要是由于腔镜的面形加工误差、装调误差等因素导致的各种像差影响产生的。其中腔镜的加工面形误差由于加工水平的限制是难以避免的，特别是大曲率半径的反射镜的加工与检测技术都还没有成熟，因此利用光学建模评价加工

6、面形误差对光束质量的影响是十分必要的。要得到真实的建模结果，必须提供腔镜面形精确的测量结果，实验中通过ZYGO干涉仪对腔镜进行了精确测量，不但获得腔镜加工水平的参数，如加工面形的PV值和RMS值，而且通过干涉仪的软件分析还获得了面形归一化的Zernike多项式系数。图2是实验中一块45反射镜的干涉测量结果。表1给出了归一化的45反射镜面形的36阶Zernike多项式系数。Fig.2 Surface-shape precision of a 45 reflective mirror measured by a ZYGO interferometer图2 45平面反射镜面形精度的ZYGO干涉仪检测

7、结果Tab.1 36-order Zernike polynomial coefficients for the surface-shape of a reflective mirror表1 反射镜面形的36阶Zernike系多项式系数测量得到的面形Zernike多项式系数代表了反射镜的实际面形，ZEMAX软件提供了多种面形特性，利用其中的Zernike fringe phase面形特性可将测得的归一化Zernike多项式系数通过设定相应的口径值直接建模到软件中，结合对其他腔镜的测量结果，最终实现所有腔镜都是以其实际面形建模到光腔模型，完成谐振腔的光学建模。利用这一模型即可开展光束质量和腔镜失

8、调灵敏度的研究。3.光学模型分析3.1 光束质量分析光腔模型建立后，为评价光束质量，在刮刀镜输出光束后面加上了一个焦距为1000mm的理想透镜，通过软件的分析功能，其衍射能量分布如图3。图中虚线代表衍射极限情况下的能量分布，实线代表实际光腔系统的能量分布。由于输出光束近场是中空的环形，因此对应远场第一级衍射环的能量选取为总能量的57.5% (针对于光腔放大倍率M=2.42)。对应这一能量，数据分析结果显示：实际光腔系统集中在半径15.2微米的圆环内，对应相同条件下的衍射极限是4.6微米的圆环。因此系统的光束质量是3.3倍衍射极限。检测数据及模拟时的波长均采用调腔He-Ne激光0.6328微米。

9、Fig.3 Encircled energy distribution of FFT diffraction for far-field output beam图3 输出光束远场衍射能量分布图由以上对建模的光腔分析得到的系统的光束质量是3.3倍衍射极限，而对于出光时的COIL波长1.315微米，实际系统的光束质量最高能达到1.6倍衍射极限。需要强调的是，以上分析是单纯考虑腔镜面形误差对光束质量的影响，而忽略其他如腔镜失调、增益介质不均匀性，出光过程中的镜面受热变形等因素的影响。利用软件的Physical Optical Propagation模块可以实现更加真实的物理光学模拟。图4是利用这一模

10、块实现的远场光强分布模拟图。数据分析显示，按照总能量的57.5%计算，得到系统的光束质量结果与衍射能量分布计算方法基本相同，大致3.5倍衍射极限。Fig.4 Far-field intensity distribution of output beam by physical-optical modeling图4 软件模拟的输出光束远场强度分布3.2 腔镜失调灵敏度分析通过光腔模型还进行了腔镜失调对光束波前影响的研究。腔镜失调主要包括腔镜位置的倾斜、离轴以及失共焦，由于腔长较长，其中失共焦对光束质量的影响很小，可以忽略。而轴对称球面系统，离轴量也可以以倾斜量的形式表示，因此本文主要对倾斜失调进

11、行分析，具体过程是，在模型中对腔镜施加不同的倾斜量，然后找出输出波阵面rms值的变化规律，这样也相当于找到了腔镜的失调灵敏度与光束质量关系的变化规律。图5给出了各个腔镜的失调灵敏度曲线。由于两个45反射镜的位置对称，失调曲线基本相同，因此在图中只给出了其中一个的曲线。Fig.5 The curve of beam wavefront error vs. mirrors misalignment图5 腔镜失调对光束波前影响曲线凸面反射镜和凹面反射镜相对于光轴旋转对称放置，因此X轴和Y轴方向的失调曲线在图5中是完全重合的。刮刀镜虽然相对于光轴45放置并不旋转对称，但因为它的作用只是将光束导出，不影

12、响输出光束的波阵面，因此其在X轴和Y轴方向的失调曲线是也完全重合的，而且不随倾斜量变化，在图5中表现为一条水平线。而45反射镜相对于光轴不是旋转对称放置，其倾斜必然影响光轴进而影响到输出光束的波阵面，因此在图5中表现为X轴和Y轴方向不重合的两条曲线。图5中失调曲线的斜率表示了不同腔镜的失调灵敏度不同，其中凸面反射镜因为曲率半径较小而且口径较小，失调灵敏度最高。45反射镜X轴方向失调灵敏度大于Y轴方向。凹面反射镜失调灵敏度与45反射镜的Y方向失调灵敏度相当。刮刀镜对倾斜失调不灵敏。4.光束质量的测量在实验中光束质量指的是光束的远场特性，理论上远场光束图样是近场图样的Fourier积分变换，它取决

13、于近场的强度分布和相位分布。特别是相位分布更为关键。实验中测量光束质量采用的仪器是美国Spiricon公司的LBA-100型光束分析仪。为了单独分析腔镜面形误差和失调误差的影响，我们的光束质量测量是在空腔的情况下利用调腔He-Ne激光进行的，实验中的腔镜即是建模时测量的那组腔镜，用LBA-100型光束质量分析仪测定的远场光强分布如图6。Fig.6Far-field beam intensity distribution measured by a beam-analyzer LAB-100图6 LBA-100型光束质量分析仪测定的远场光强分布数据分析得到实验中光腔系统的光束质量是4.1倍衍射极

14、限。考虑到失调误差因素，以及He-Ne调腔光在空腔内的传输衍射模式与真实工作的COIL非稳腔振荡模式之间略有所差别，可以认为该实测结果与光腔模型计算得到的3.3倍衍射极限基本上是符合的，而且LBA-100型光束质量分析仪得到的远场光强三维分布图与图4模拟得到的图形基本相同。验证了通过光腔模型分析得到的结论，即腔镜的镜面面形误差直接影响光腔系统的光束质量，要保证一定的光束质量，腔镜面形的加工误差就必须严格控制。5.结论在实现光腔建模的基础上，针对折叠虚共焦非稳腔的光学面形误差对光束质量的影响关系以及腔镜的失调灵敏度进行了研究。测量了空腔情况下的远场光强分布，与光学建模仿真的结果进行了比对，达到了

15、预期的效果，证明了光腔的建模仿真研究的可行性，为今后开展COIL出光过程的光学仿真奠定了基础，同时腔镜失调灵敏性的分析对指导调腔以及今后开展自准直调腔研究具有较大的参考价值。参考文献：1 Edward A. Sziklas and A. E. Siegman, Mode calculations in unstable resonators with flowing Saturable gain. 2: fast Fourier transform methodJ. 1975, 8 Vol 14; 1874-1882.2 金玉奇, 孙以珠等, 化学氧碘激光器非稳腔研究. 强激光与粒子束J. 1

16、997，9（2）; 227-232.3 周大正, 金玉奇等, 千瓦级COIL UR90试验研究. 强激光与粒子束J. 1997，9（2）; 215-220.4 于得利，桑凤亭，金玉奇等. 氧碘化学激光输出光斑漂移和变形研究J. 强激光与粒子束，1997，9（2）；215-2205 Yang T T, Copeland D A and Bauer A H, et al. Chemical Oxygen-Iodine laser performance modelingA. AIAA 97-2384, 28th Plasmadynamics and lasers conferenceC. Atla

17、nta，1997.6 A.Bhowmik, T. T. Yang and K. Jones Optical Phase Distribution and Beam Quality in a High-Power Chemical Oxygen-Iodine LaserJ.7 Charles E Greninger, Auto-alignment of a high energy laser. United States Patent 6,606,339. 2003,12.Beam Quality Investigation on misalignment and surface-shape error of cavity mirror ABSTRACT: A simulation model has been built by software for COIL with a folded virtual confocal unstable resonator. The influences of surface-shape errors of cavity mirrors on beam quality, and the effects of misalignment of cavity mirrors o