使用液晶空間光調制器（SLM）提高激光近場光束質量

自適應空間光束整形是利用可編程液晶空間光調制器(SLM)提高激光近場光束質量的有效方法。液晶空間光調制器是一種具有高對比度和高分辨率的有源可編程空間光調制器，在激光光束整形、自適應光學和全息測量等領域具有重要的應用前景。SLM上每個像素的透射率可以調節(jié)，用于補償由激光增益不均勻引起的空間光束不均勻性。本文介紹一種空間光束整形方法，它允許在高功率激光系統(tǒng)中對近場進行極其精細的控制，主要適用于各種高能量密度科學實驗，包括用于光學研究的激光損傷機制，受激Brillouin散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)。

圖1 高功率激光系統(tǒng)空間光束整形系統(tǒng)的示意圖

如圖1所示，SLM具有改變激光束近場空間注量剖面的能力：具有近場空間能量分布IP(x，y)的初始激光束依次通過SLM、高功率激光系統(tǒng)的放大器和測量分析模塊。將衰減后的激光束打入CCD相機。該激光束的空間能量如下：

其中，TA(x，y)是空間透射率分布，G(x，y)是放大器的增益分布，TD(x，y)是診斷單元的空間衰減系數分布，IO(x，y)是CCD測量的激光束空間能量分布。SLM主要由液晶組成，兩個偏振器分別放置在前面和后面。后面偏振器起到強度調制的作用，由8位命令控制SLM的每個像素的相位變化，該變化與最后一個偏振器之后的透射率有關，與SLM灰度級的透射率成線性關系。公式如下：

其中，TSLM(x，y)是SLM的空間透射率分布，S(x，y)是寫入SLM的灰度圖，(x，y)表示像素點的位置。CSLM是比例系數。激光系統(tǒng)的傳遞函數如下：

激光系統(tǒng)的空間不均勻性是輸入灰度S和系統(tǒng)傳遞函數H的乘積，如下：

式中，S(x，y)和IO(x，y)均歸一化，激光系統(tǒng)可視為線性系統(tǒng)。

圖2 空間光束整形過程

空間光束整形的過程如圖2所示：在小信號放大的情況下，激光器的輸出能量和輸入到放大器的能量服從線性關系。在第一階段，在SLM上寫入初始標準模式S0(x，y)，CCD獲得輸出激光近場注量分布IO0(x，y)，計算出傳遞函數H(x，y)?；谀繕藞D像分布IOf(x，y)，H(x，y)和用于調整輸出能量的SLM的系數GSLM，可以計算一階段補償圖案S1(x，y)。公式如下：

當計算得到的補償模式S1(x，y)被寫入SLM時，將實現IO1(x，y)。

圖3 大信號放大條件下局部光束整形的迭代過程。(Sj表示不同灰度圖像，j=0為初始灰度圖，j=1為第一次迭代灰度圖;Sf為最終的灰度圖像。IO0和IOf分別表示初始和目標能量分布)

在泵浦耗盡的大信號放大條件下，由于輸出能量高，激光系統(tǒng)將出現飽和放大，導致輸出能量與輸入能量之間存在非線性關系。將迭代算法引入計算中，使近場注量分布收斂到理想值。迭代過程如圖3所示，是高功率激光器中局部光束的典型輸出強度曲線。SLM上的灰度表示輸入能量。該過程分為三個階段。當輸入灰度相對較低時，當輸入灰度相對較低時，輸出能量隨輸入線性增加。當輸入相對較高時，輸出和輸入之間的關系是非線性的。隨著輸入的增加，輸出注量曲線的斜率變低。當輸入達到一定水平時，輸出將飽和。如圖3所示，初始輸入模式，相應輸出和目標輸出注量分布分別為S0，IO0和IOf。在第一輪迭代中，通過(S0，IO0)和(0,0)的點的線段與由IO=IOf的等式描述的直線相交，并且交點的水平坐標是S1。灰度圖案S1被寫入SLM，并且輸出注量IO1將在激光系統(tǒng)的操作期間由CCD測量。IO1比IO0更接近目標能量IOf。類似地，可以計算第二輸入模式S2和輸出注量IO2，并且如果要繼續(xù)迭代，則理論上輸出注量將收斂到IOf。當近場光束的質量不再提高時，迭代停止。迭代過程可以通過如下等式計算：

圖4 大功率激光系統(tǒng)圖。藍色雙向箭頭實線指的是圖像中繼平面。P1-P9，偏光片;CSF(腔空間濾波器)和TSF(傳輸空間濾波器)。

如圖4所示，SLM，空間濾波圖像中繼系統(tǒng)和CCD相機構成了空間光束整形系統(tǒng)。采用全光纖方式產生激光脈沖，其波長為1053nm。激光脈沖在前置放大器中獲得高增益，能量為毫焦耳級，進入SLM(Holoeye LC2002)。在SLM中進行空間整形后，輸出激光能量約為200μJ，光束直徑D=13mm。然后激光束進入主放大器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由四個放大器組成，在激光系統(tǒng)末端可以實現100J的輸出能量。主放大器系統(tǒng)中有六個空間濾波器，用于擴展光束并中繼高質量圖像平面。原始圖像平面從SLM中繼到輸出端口。輸出近場光束可以通過科學級CCD相機在分析模塊中測量。采用4f中繼系統(tǒng)將采樣光束尺寸減小10倍，并將圖像平面?zhèn)鬏數紺CD攝像機上。

圖5 SLM沒有工作情況下，CCD得到的激光束近場輪廓。原始灰度圖像(a)，三維分布(b)和線性灰度分布(c)。

如圖5所示，在沒有SLM工作的情況下，輸出近場剖面很差。將圓形孔徑放置在光束路徑中，形成激光束的邊緣。此時，由于增益不均勻，光束邊緣的輸出能量密度比光束中心的能量密度高約五倍。相應地，圓形邊緣處的增益高于放大器中心部分處的增益。因此，邊緣處的能量大于中心部分的能量。即在沒有空間光束整形的情況下，激光束的邊緣在通過放大器后會更陡峭，并且中心能量將低于邊緣。

由于放大器邊緣的增益太高，因此需要抑制輸入激光束邊緣能量。通過將具有邊緣軟化圖案寫入SLM的方法，可以對輸出激光束的邊緣進行修正。定義該圖案的邊緣軟化因子SEA為最大激光能量密度的90%和10%之間的寬度與相應的激光束孔徑尺寸之比。即：

其中D0和DF分別表示最大值的10%和90%處光束尺寸，D是光束直徑(見圖6)。當寫入SLM的初始圖案的邊緣軟化因子為23%時，輸出激光束的空間能量在中心處較高而在邊緣處較低。

圖6 邊緣軟化因子定義

在高功率激光系統(tǒng)中，根據上文介紹的算法，使用SLM后，輸出近場光束逐漸收斂到目標近場光束。圖7為平頂近場激光束的成形示例。邊緣軟化因子為8%，目標近場是標準圓形平頂圖像。圖5c可以看到在SLM工作之前，邊緣的局部能量很高。而在SLM工作之后，初始輸出近場能量在中心處較高而在邊緣處較低。這是由于具有高邊緣軟化因子(23%)的初始圖案修正了邊緣。在空間光束整形過程中，迭代補償不會停止，直到在高功率激光系統(tǒng)中不能進一步改善輸出近場光束質量，輸出近場越來越類似于目標近場。在整形結束時，輸出邊緣軟化因子為8.1%，整體空間注量分布相對平坦。在整形過程中，計算出的近場調制為初始和后續(xù)三個補償輸出激光束的1.66：1,1.41：1,1.29：1和1.26：1。

圖7

圖8 通過SLM自適應空間波束整形得到的初始和最終輸出近場光束

圖8給出了利用SLM進行空間光束整形的初始和最終輸出近場光束的二維和三維圖像。最終輸出的近場光束質量(近場調制為1.26：1)高于初始近場(1.66：1)。輸出近場注量分布的初始和最終概率密度函數(PDF)如圖9所示，給出了它們在激光束孔徑的90%中心片上的光束質量的清晰對比。初始能量分布相對分散，能量對比度為29%?？臻g光束整形后，最終能量分布更加集中，能量對比度為9%。

圖9

審核編輯 黃宇