使用液晶空间光调制器（SLM）提高激光近场光束质量

自适应空间光束整形是利用可编程液晶空间光调制器(SLM)提高激光近场光束质量的有效方法。液晶空间光调制器是一种具有高对比度和高分辨率的有源可编程空间光调制器，在激光光束整形、自适应光学和全息测量等领域具有重要的应用前景。SLM上每个像素的透射率可以调节，用于补偿由激光增益不均匀引起的空间光束不均匀性。本文介绍一种空间光束整形方法，它允许在高功率激光系统中对近场进行极其精细的控制，主要适用于各种高能量密度科学实验，包括用于光学研究的激光损伤机制，受激Brillouin散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)。

图1 高功率激光系统空间光束整形系统的示意图

如图1所示，SLM具有改变激光束近场空间注量剖面的能力：具有近场空间能量分布IP(x，y)的初始激光束依次通过SLM、高功率激光系统的放大器和测量分析模块。将衰减后的激光束打入CCD相机。该激光束的空间能量如下：

其中，TA(x，y)是空间透射率分布，G(x，y)是放大器的增益分布，TD(x，y)是诊断单元的空间衰减系数分布，IO(x，y)是CCD测量的激光束空间能量分布。SLM主要由液晶组成，两个偏振器分别放置在前面和后面。后面偏振器起到强度调制的作用，由8位命令控制SLM的每个像素的相位变化，该变化与最后一个偏振器之后的透射率有关，与SLM灰度级的透射率成线性关系。公式如下：

其中，TSLM(x，y)是SLM的空间透射率分布，S(x，y)是写入SLM的灰度图，(x，y)表示像素点的位置。CSLM是比例系数。激光系统的传递函数如下：

激光系统的空间不均匀性是输入灰度S和系统传递函数H的乘积，如下：

式中，S(x，y)和IO(x，y)均归一化，激光系统可视为线性系统。

图2 空间光束整形过程

空间光束整形的过程如图2所示：在小信号放大的情况下，激光器的输出能量和输入到放大器的能量服从线性关系。在第一阶段，在SLM上写入初始标准模式S0(x，y)，CCD获得输出激光近场注量分布IO0(x，y)，计算出传递函数H(x，y)。基于目标图像分布IOf(x，y)，H(x，y)和用于调整输出能量的SLM的系数GSLM，可以计算一阶段补偿图案S1(x，y)。公式如下：

当计算得到的补偿模式S1(x，y)被写入SLM时，将实现IO1(x，y)。

图3 大信号放大条件下局部光束整形的迭代过程。(Sj表示不同灰度图像，j=0为初始灰度图，j=1为第一次迭代灰度图;Sf为最终的灰度图像。IO0和IOf分别表示初始和目标能量分布)

在泵浦耗尽的大信号放大条件下，由于输出能量高，激光系统将出现饱和放大，导致输出能量与输入能量之间存在非线性关系。将迭代算法引入计算中，使近场注量分布收敛到理想值。迭代过程如图3所示，是高功率激光器中局部光束的典型输出强度曲线。SLM上的灰度表示输入能量。该过程分为三个阶段。当输入灰度相对较低时，当输入灰度相对较低时，输出能量随输入线性增加。当输入相对较高时，输出和输入之间的关系是非线性的。随着输入的增加，输出注量曲线的斜率变低。当输入达到一定水平时，输出将饱和。如图3所示，初始输入模式，相应输出和目标输出注量分布分别为S0，IO0和IOf。在第一轮迭代中，通过(S0，IO0)和(0,0)的点的线段与由IO=IOf的等式描述的直线相交，并且交点的水平坐标是S1。灰度图案S1被写入SLM，并且输出注量IO1将在激光系统的操作期间由CCD测量。IO1比IO0更接近目标能量IOf。类似地，可以计算第二输入模式S2和输出注量IO2，并且如果要继续迭代，则理论上输出注量将收敛到IOf。当近场光束的质量不再提高时，迭代停止。迭代过程可以通过如下等式计算：

图4 大功率激光系统图。蓝色双向箭头实线指的是图像中继平面。P1-P9，偏光片;CSF(腔空间滤波器)和TSF(传输空间滤波器)。

如图4所示，SLM，空间滤波图像中继系统和CCD相机构成了空间光束整形系统。采用全光纤方式产生激光脉冲，其波长为1053nm。激光脉冲在前置放大器中获得高增益，能量为毫焦耳级，进入SLM(Holoeye LC2002)。在SLM中进行空间整形后，输出激光能量约为200μJ，光束直径D=13mm。然后激光束进入主放大器系统，该系统由四个放大器组成，在激光系统末端可以实现100J的输出能量。主放大器系统中有六个空间滤波器，用于扩展光束并中继高质量图像平面。原始图像平面从SLM中继到输出端口。输出近场光束可以通过科学级CCD相机在分析模块中测量。采用4f中继系统将采样光束尺寸减小10倍，并将图像平面传输到CCD摄像机上。

图5 SLM没有工作情况下，CCD得到的激光束近场轮廓。原始灰度图像(a)，三维分布(b)和线性灰度分布(c)。

如图5所示，在没有SLM工作的情况下，输出近场剖面很差。将圆形孔径放置在光束路径中，形成激光束的边缘。此时，由于增益不均匀，光束边缘的输出能量密度比光束中心的能量密度高约五倍。相应地，圆形边缘处的增益高于放大器中心部分处的增益。因此，边缘处的能量大于中心部分的能量。即在没有空间光束整形的情况下，激光束的边缘在通过放大器后会更陡峭，并且中心能量将低于边缘。

由于放大器边缘的增益太高，因此需要抑制输入激光束边缘能量。通过将具有边缘软化图案写入SLM的方法，可以对输出激光束的边缘进行修正。定义该图案的边缘软化因子SEA为最大激光能量密度的90%和10%之间的宽度与相应的激光束孔径尺寸之比。即：

其中D0和DF分别表示最大值的10%和90%处光束尺寸，D是光束直径(见图6)。当写入SLM的初始图案的边缘软化因子为23%时，输出激光束的空间能量在中心处较高而在边缘处较低。

图6 边缘软化因子定义

在高功率激光系统中，根据上文介绍的算法，使用SLM后，输出近场光束逐渐收敛到目标近场光束。图7为平顶近场激光束的成形示例。边缘软化因子为8%，目标近场是标准圆形平顶图像。图5c可以看到在SLM工作之前，边缘的局部能量很高。而在SLM工作之后，初始输出近场能量在中心处较高而在边缘处较低。这是由于具有高边缘软化因子(23%)的初始图案修正了边缘。在空间光束整形过程中，迭代补偿不会停止，直到在高功率激光系统中不能进一步改善输出近场光束质量，输出近场越来越类似于目标近场。在整形结束时，输出边缘软化因子为8.1%，整体空间注量分布相对平坦。在整形过程中，计算出的近场调制为初始和后续三个补偿输出激光束的1.66：1,1.41：1,1.29：1和1.26：1。

图7

图8 通过SLM自适应空间波束整形得到的初始和最终输出近场光束

图8给出了利用SLM进行空间光束整形的初始和最终输出近场光束的二维和三维图像。最终输出的近场光束质量(近场调制为1.26：1)高于初始近场(1.66：1)。输出近场注量分布的初始和最终概率密度函数(PDF)如图9所示，给出了它们在激光束孔径的90%中心片上的光束质量的清晰对比。初始能量分布相对分散，能量对比度为29%。空间光束整形后，最终能量分布更加集中，能量对比度为9%。

图9

审核编辑 黄宇