图 １静态相位校正工作原理示意图 Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｓｔａｔｉｃｐｈａｓｅｃｏｒｒｅｃｔｏｒ
摘要：随着激光二极管技术的发展，以及一些先进热管理方案和新型加工工艺的涌现，固体激光器的输出功率已达到百 千瓦量级，而光束质量的控制问题却日益凸显。本文归纳了板条激光器的光束质量控制技术，对当前已经实现了的几种 技术路线进行了深入细致的分析，包括静态相位校正技术、非线性光学校正技术、自适应光学校正技术、几何光学校正技 术等，并分别介绍了其工作原理、研究进展以及优缺点。 关键词：板条激光器；热效应；波前畸变；像差校正；光束质量 中图分类号：ＴＮ２４８．１文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＯ．２０１９１２０４．０７６７
光束质量控制的实质就是如何消除或校正 激光光束中 的 像 差，目 前，板 条 激 光 器 光 束 质 量 控制技术主要可大致分为被动式校正技术和主动 式校正技 术［１５］。 被 动 式 校 正 技 术 又 可 以 大 致 分为两类：第 一 类 是 通 过 优 化 激 光 器 结 构 实 现
进行校 正，可 以 提 高 转 换 效 率，从 而 抑 制 热 效 应［２５］。（ｂ）改变泵浦光的抽运方式，来提升转 换效率，减小“热效应”的影响。经过不断的优化 与创新，目前泵浦光的抽运方式大概能分为侧 面抽运［２６］、角抽运［２７］、面抽运［２８］和端面抽运［２９］４ 种。与端面抽运方式相比，侧面抽运能够保证较 好的均匀性，有利于功率放大。端面抽运有利于 获得较高的转换效率，且冷却方式较为便捷。角 泵浦则结合了以上两种抽运方式的优点 。 ［３０］ 在 采用主震 荡功 率 放 大 （ＭＯＰＡ）结 构 的 功 率 放 大 器中，通过调整模块间的像传递系统（４Ｆ）以 达到像差校正的效果［３１］。
（３）泵浦光的优化：（ａ）从灯泵到 ＬＤ阵列泵 浦的转变，极大地提升了泵浦光的耦合效率，减小 了“热效应”的影响，使输出功率和光束质量都得 到了较大的提高。与二极管泵浦源相比，灯泵浦 的谱线较宽，大部分波段不在增益介质的吸收带 宽范围内，热沉积比较严重，严重制约了其功率和 光束质量的提升［１０］。此外，通过优化半导体激光 器二极管阵列泵浦中二极管的排布方式以及采用 柱面镜、透镜导管等器件对其输出光束中的像差
Ｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｌａｂｌａｓｅｒｓ
ＹＡＮＹｕｆｅｎｇ，ＹＵＹａｎｇ，ＢＡＩＳｕｐｉｎｇ，ＮＩＸｉａｏｌｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＨｕｉ，ＹＵＸｉｎ （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ） Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：４１２１３１００＠ｑｑ．ｃｏｍ
“热效 应 ”严 重 限 制 了 传 统 固 体 棒 状 激 光 器 的输出功率和光束质量的提升［１２］。为了更好地 解决这一问题，获得高功率、高光束质量的激光输 出，Ｗｉｌｌｉａｍ Ｓ．Ｍａｒｔｉｎ和 Ｊｏｓｅｐｈ Ｐ．Ｃｈｅｒｎｏｃｈ于 １９６９年首次 提 出 板 条 激 光 器 的 概 念 ［３］。 板 条 状 的增益介质具有更大的冷却端面，且温度梯度分 布可以简化为一维对称式分布。因此，配合“之” 字形的传播路径，能够对“热效应”起到一定的补 偿作用，使光束质量有所提升［４７］。这也使板条状 的增益介质成为获得高功率、高光束质量激光输 出的有效技术途径之一［８９］。虽然，板条激光器具 有抑制“热 效 应 ”的 优 点，但 是 早 期 的 研 究 表 明， 这种板条状的增益介质对加工精度的要求过为严 格，并且受到加工工艺、泵浦均匀性和冷却方案等 诸多因素的限制，板条状激光器并未得到广泛应 用 ［１０］。近年来 随 着 二 极 管 泵 浦 技 术 及 加 工 工 艺 等工程技术的迅猛发展，板条激光器的优越性逐 渐展现出来，并且获得了几百瓦近衍射极限（ＤＬ） 的激光输出［１１１２］。然而，当激光器的功率提升到 千瓦量级时，其输出光束质量也将达到几倍甚至 几十倍衍射极限，严重限制了其应用。并且随着 功率持续提升，其输出光束受“热效应”的影响越 发严重，使其光束质量随着功率的提升迅速恶化， 难以满足研究人员对高功率、高光束质量激光输 出的需求［１３１４］。因此，研究人员不得不追寻新的 技术路线，在保障高输出功率的同时，满足高光束 质量的需求。至此，光束质量的控制技术应运而 生，并且已经逐渐发展成为板条激光器的关键技 术之一。
像差校正；第二类是采用静态相位板进行像差校 正。主动式校正技术主要可大致分为以下 ３类：第 一类是非线性光学像差校正技术；第二类是自适 应光学校正技术；第三类是几何光学像差校正技 术。 ２．１被动式像差校正技术 ２．１．１激光器优化校正技术
激光器的优化校正技术主要有增益介质的优 化、冷却方法的优化、泵浦光的优化［１６］３种方式。
（２）在对冷却办法来进行的优化主要是在传统 的传导式冷却方法的基础上进行了一定的创新， 提出了浸入式液体冷却和气体冷却的方式。与传 统的传导冷却方式相比，浸入式液体冷却和气体 冷却的方式，冷却效率更加高、效果更好。虽然在冷 却效果方面，液体冷却方式和气体冷却方式没有 太大的区别，但是在对像差限制方面浸入式液体 冷却方式更稳定且结构相对简单［２３２４］。
虽然研究人员针对板条激光器从多个角度对 “热效应”产生机理做多元化的分析与抑制。但是，针对 其产生 机 理 和 抑 制 的 研 究 工 作 只 能 减 小 “热 效 应”的影 响，对 光 束 质 量 的 改 善 效 果 有 限。 随 着 激光器输出功率的不断的提高，由“热效应”引起的 波前畸变依然是限制高功率、高光束质量激光输 出的重要的因素。针对这一问题，有学者提出应采 用额外的校正器件对激光器的残余像差进行校 正。 ２．１．２静态相位板校正技术
收稿日期：２０１９０３０５；修订日期：２０１９０４１１ 基金项目：吉林省科技厅重点科学技术研发项目（Ｎｏ．ＧＸ）
ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＫｅｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲ＆ＤＰｒｏｊｅｃｔｏｆＪｉｌｉｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ （Ｎｏ．ＧＸ）
（１）对增益介质的优化：（ａ）几何形状。通过 改变增益介质的几何形状，优化光束在其中的传 输路径，从而对由“热效应”引起的像差进行自动 补偿，如将板条状［１７］改善为“之”字形的结构 ， ［１８］ 可以有明显效果地的抑制 “热效应”对 光 束 质 量 的 影 响； （ｂ）对增益介质的外观尺寸来优化。此种方法 是通过优化增益介质的三维尺寸，寻找最优的尺 寸组合，在满足应力断裂的前提下，尽量削弱温度 梯度分布的 影 响 ［１９２０］；（ｃ）对 增 益 介 质 材 料 的 优 化。不同的掺杂浓度以及不同的掺杂成分将直接 影响增益介质对泵浦光的吸收效率和转换效率， 间接决定着增益介质中残余热量的大小。因此， 合理 化 设 计 掺 杂 浓 度、选 择 合 适 的 掺 杂 成 分 对 “热效应”也会起到一定的抑制作用［２１２２］。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｓａｎｄｔｈｅｅｍｅｒｇｅｎｃｅｏｆａｄｖａｎｃｅｄｔｈｅｒｍａｌｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｎｅｗｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｐｏｗｅｒｏｆｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｌａｓｅｒｓｈａｓａｌｒｅａｄｙａｃｈｉｅｖｅｄｌｅｖｅｌｓ ｏｆ１００ｋＷ ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｗｈｉｌｅｐｒｏｂｌｅｍｓｗｉｔｈｂｅａｍｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｂｅｃｏｍｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｐｒｏｍｉｎｅｎｔ．Ｔｈｉｓｐａ ｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｌａｂｌａｓｅｒｓ．Ｓｅｖｅｒａｌｔｅｃｈｎｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎｄｅｔａｉｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｉｃｐｈａｓｅｃｏｒｒｅｃｔｏｒ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｃｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｄａｐｔｉｖｅｏｐｔｉｃｓｃｏｒｒｅｃ ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｏｐｔｉｃｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｅｔｃ．Ｔｈｅｉｒｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ，ａｄ ｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌａｂｌａｓｅｒｓ；ｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｅｃｔｓ；ｗａｖｅｆｒｏｎｔａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ；ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ
静态相位板校正技术在固体激光器中也得到 了一定的应用。国外方面，１９９９年劳伦斯·利弗 莫尔国家实验室的 ＷａｄｅＷｉｌｌｉａｍｓ对静态相位板 校正技术应用于美国国家点火装置（ＮＩＦ）中的像
差校正效果进行了相关的仿真工作。仿真过程中 仅考虑由光学元件的加工误差和泵浦光引起的像 差成 分 对 光 束 质 量 的 影 响，对 比 分 析 了 在 ９０?／ｃｍ和 ７５?／ｃｍ均方根（ＲＭＳ）梯度值的加工 误差条件下，采用静态相位板校正技术辅助自适 应光学（ＡＯ）校正技术对某一链路的光束，进行像 差校正所取得的不同效果。此外，在 ＮＩＦ系统中 偶尔会出现更换增益介质（板条）的情况，如果更 换增益介质，则会引入不同的加工误差，引起像差 成分的改变，在某些特定的程度上降低校正效果，文中对 更换增益介质对像差校正效果的影响进行了分 析。仿真根据结果得出：在加工误差的 ＲＭＳ梯度值为 ９０?／ｃｍ、８０％ 焦 斑 环 围 能 量 的 条 件 下，三 倍 频 （３Ｗ）光束的初始发散角为 ５８μｒａｄ，只经 ＡＯ系 统校正后，其光束发散角仅提升到 ４２μｒａｄ。在加 入特定面型的静态相位板后，其光束发散角能够 提升到 １６μｒａｄ。然而在更换增益介质后，其校正 效果从 １６μｒａｄ下 降 到 ３０μｒａｄ；在 加 工 误 差 的 ＲＭＳ梯度值为 ７５?／ｃｍ的条件下，三倍频（３Ｗ） 光束的初始发散角为 ４８μｒａｄ左右，在仅经过 ＡＯ 系统校正后，其光束发散角为 ４２μｒａｄ，在加入特 定面型的静态相位板后，其光束的发散角度能够 提升到 １４μｒａｄ。在更换增益介质后，其校正效果 从 １４μｒａｄ下降到 ２４μｒａｄ。通过加入特定像差 成分的静态相位板，能够缓解 ＡＯ系统驱动器行 程受限的问题，有效提升了 ＡＯ系统的校正效果， 从而提升 了 输 出 光 束 的 光 束 质 量［３３］。２００１年， Ｔ．Ｈ．Ｂｅｔｔ等 人 采 用 径 向 剪 切 干 涉 仪 对 激 光 器 输 出光束的波前像差进行多次测量，取每一项泽尼 克系数的平均值对波前信息进行复原，根据所复 原的面型，加工含有特定像差信息的相位板。通 过所采集的同一帧数据来进行对比分析发现：当入 射激光光束的斯特列尔比为 ００２４时，经过仿真 计算其斯特列尔比能够提升到 ０１７，提升近 ７１ 倍。然而，实际的实验根据结果得出其斯特列尔比仅 能达到 ０１左右，仅提升了 ４１倍。造成这种 误差的根本原因是相位板的加工误差，如刻蚀深 度误差、面型误差等加工误差 。 ［３４］
