高功率激光反射镜热变形补偿的实验研究

刘海勇,刘丽娜,但勇军,安振杰,张晓卫,张志忠

(核工业理化工程研究院 激光技术研究所,天津 300180)



·激光应用技术·

高功率激光反射镜热变形补偿的实验研究

刘海勇,刘丽娜,但勇军,安振杰,张晓卫,张志忠

(核工业理化工程研究院 激光技术研究所,天津 300180)

研制了一套由环形半导体温控片、半导体温控片温度施加机构和温度控制电路组成的反射镜变形动态补偿系统。圆形反射镜在环形温度控制下,产生曲率可变的内凹或外凸球面变形,由此补偿激光反射镜自身热变形或激光系统中透射元件热变形产生的离焦量。采用口径为50 mm,厚度为10 mm平面反射镜进行了“施温-变形”以及“辐照—施温-变形”实验,利用干涉仪对面形进行监测。获得了温度-面形变化曲线,镜体中心位移和温度保持线性关系,在50 ℃温度下,中心最大变形量超过2.5 μm,温度-变形系数为0.088 μm/℃。在激光功率162 W辐照下,反射镜的热变形补偿量由0.3 μm减小到0.08 μm,对系统中透射元件的热变形量从0.28 μm补偿至0.066 μm。

高功率激光；离焦量；热变形；热补偿

1 引 言

随着激光技术的飞速发展,激光器的功率越来越高,连续作用时间越来越长。高功率激光辐照反射镜,反射镜基体及其薄膜表面吸收激光能量,镜面发生热变形。在复杂强激光长距离传输系统中,作为导光用的反射镜在光学传输链中被大量使用,这些反射镜需要承受几十kW/cm2的功率密度。理论和实验研究[1-6]表明,这样高的功率密度会引起单个反射镜光照区域中心凸起的变形；尤其在由数十甚至数百个反射镜组成的光学传输链中,多个反射镜表面变形的叠加作用,会造成激光系统的光斑畸变,能量分布不均匀,光束质量显著下降,难以实现高功率激光的远距离传输。

减小反射镜热变形,主要有以下几种办法:①材料方面的优化,选用超低热膨胀材料,目前比较好的材料是单晶硅,碳化硅。但这些材料仍无法使光束质量维持在5倍衍射极限以下。②镜体结构方面的优化,彭玉峰等开展了热畸变自补偿反射镜的研究[7-8],在反射镜背面围绕光斑区域开多个小孔,让光斑区域镜面发生微小热平移,而不引起整体光束相位热畸变。但利用这种结构只能对指定性能的激光产生的热畸变进行固定补偿,当激光的能量或者光斑尺寸在实际应用中改变时,无法进行实时补偿。③采用反射镜水冷技术[9-10],但系统复杂,造价昂贵,同时存在一些加工技术尚未解决,并不成熟。

基于上述研究,本文设计制作了一套反射镜热变形动态补偿系统。该系统采用环形半导体温控片对反射镜未镀膜面进行温度控制,令反射镜产生曲率可变的内凹或外凸变形,以此补偿反射镜自身热变形或激光系统中透射元件热变形产生的离焦量,建立了热变形补偿系统测试平台,并实验验证了该系统的补偿效果。

2 反射镜热补偿结构

反射镜热补偿结构如图1所示,包括壳体,壳体内部形成有阶梯通孔,左端形成通光孔,右端形成背光孔,通光孔的孔径由反射镜的直径确定,背光孔的孔径由激光辐照光斑直径确定,在阶梯通孔内由右至左安装有环形半导体温控片、环形紫铜片、环形银箔片、反射镜和压圈。环形半导体温控片、环形紫铜片、环形银箔内外径相等,其内径和背光孔的孔径相等。在靠近背光孔一侧的壳体内壁中形成U水道,在环形紫铜片的外圆厚度方向有凹槽,在凹槽内安装热电偶,恒温控制装置的控制线分别与环形半导体温控片和热电偶的信号线连通。反射镜,一面抛光,另一面镀高反射膜,抛光一侧靠近环形银箔片,压圈与壳体螺纹连接压紧反射镜镀有反射膜的一侧。半导温控片在恒温控制器作用下对反射镜进行温度控制,反射镜径向产生温度梯度,镜面发生内凹或外凸变形。

图1 补偿结构示意图

3 实 验

3.1 镜体温度变形实验

本文使用直径为50 mm,厚度为10 mm的Bk7反射镜进行温度-变形实验,补偿机构如图1,环形半导体温控片的型号为TEC1-12715-HTS,外环直径44 mm,内环直径20 mm,厚度3 mm,制冷片环形面平面度公差为0.01 mm,环形面和反射镜抛光面之间有一层铟箔,保证反射镜抛光面均匀受热,自行研制的半导体温控片恒温控制器,0～100 ℃温度范围内稳定控温,温度调节精度为±0.1 ℃。面形检测仪器为ZYGO GPI XP/D激光平面干涉仪。

未加温时,室温24 ℃,将恒温控制器设定到某一温度,环形温控片从开始工作到温度稳定在设定值需3 min左右,当温度达设定值后,10 min内达到热平衡,反射镜的变形基本稳定,使用干涉仪测量软件采集此刻反射镜的面形。每隔12 min增加4 ℃,直到52 ℃。

反射镜表面变形如图2所示,图2(a),(b)分别为恒温控制器设定在24 ℃,32 ℃,40 ℃,48 ℃时,干涉仪得到的干涉条纹和反射镜x方向的剖面曲线,坐标以波长形式给出(λ=0.633 μm),从图中看出随着环形温控片温度的增加,干涉条纹为较理想的圆形,说明反射镜镜体受热后温度分布较均匀,反射面为明显的内凹球面变形。

图2 反射镜加温表面形变测量结果

反射面变形在此用Power值,表示镜面的中心点位移,以波长为单位,温度-中心点位移关系由图3给出。实验结果表明温度和中心点位移基本为线性关系。实验测得温度变形系数为0.139λ/℃(0.088 μm/℃)。

图3 中心位移和温度关系

3.2 反射镜热变形自补偿

反射镜热变形自补偿实验装置如图4所示,实验采用自行研制的重复频率10 kHz、波长532 nm、脉宽50 ns的200 W级固体激光器,固体激光经耦合透镜耦合进入高能光纤,从光纤出射的激光再经整形透镜组传输整形后以小角度辐照反射镜中心,光斑直径15 mm,激光器输出功率密度为高斯分布。对于不同激光功率照射下的反射镜,利用干涉仪测量出反射镜热变形的峰谷值；根据测量的反射镜热变形调节环形半导体温控片的温度使反射镜非光照区域的温度发生相应的变化,通过干涉仪实时观测补偿效果。

图4 激光辐照反射镜面形测量装置

未加温,激光辐照功率162 W时,反射镜PV值为0.545λ(0.345 μm),环形半导体温控片加温到30 ℃时为0.1 μm,35 ℃时为0.08 μm,这一畸变量可以满足实际激光系统的需要(小于0.15 μm),图5给出了激光辐照下反射镜补偿前后的面形。从图中可以看出,反射镜吸热产生的外凸变形与反射镜镜体加温产生的内凹变形有相互补偿的作用,从而验证该方法的可行性。

图5 激光辐照功率162 W时加温前后反射镜表面形变的测量结果

3.3 激光系统透射元件热变形补偿

光学窗口在激光系统中作为透射式元件大量使用,在图4实验光路中,变形反射镜前加入光学窗口,进行了反射镜变形系统对光学窗口热变形的补偿实验,实验装置如图6所示。利用干涉仪测量出窗口热变形的峰谷值；根据窗口变形量调节环形半导体温控片的温度使反射镜发生外凸变形,通过干涉仪实时观测补偿效果。

图6 激光辐照光学窗口系统波前测量装置

未加温(室温24 ℃),激光辐照功率162 W时,窗口PV值为0.45λ(0.28 μm),环形半导体温控片温度为18 ℃时,系统波前PV值为0.104λ(0.066 μm)。图7给出了激光辐照下变形反射镜对系统中透射光学窗口热变形补偿前后的面形。从图中可以看出,窗口吸热产生的内凹变形与反射镜镜体降温产生的外凸变形相互补偿,窗口热变形基本抵消,验证了该方法对激光系统透射元件热变形补偿的可行性。

图7 激光辐照功率162 W时变形反射镜温度变化前后系统波前形变的测量结果

4 结 论

本文设计了可用于高功率激光反射镜的热变形补偿系统,通过环形温度作用于反射镜上,引起反射表面内凹或外凸形变,补偿激光辐照产生的离焦量。对口径50 mm,厚度10 mm的反射镜进行了温度-表面变形实验以及辐照-温度-变形实验,获得了温度-中心变形系数为0.139λ/℃(0.088 μm/℃)。实验研究表明该系统可以补偿反射镜自身热变形和激光系统透射元件热变形产生的离焦项并能产生较好的球面。同时该系统结构简单、容易实现、通用性强,若将该系统插入到长距离激光传输系统中,能有效补偿或消除光学元件热变形的叠加作用。下一步将该系统用于实际的激光长距离传输系统,结合实际使用环境研究反射镜补偿系统的动态控制问题,达到提高系统光束质量的目的。

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Experimental research on thermal deformation compensation of high-power laser mirrors

LIU Hai-yong,LIU Li-na,DAN Yong-jun,AN Zhen-jie,ZHANG Xiao-wei,ZHANG Zhi-zhong

(Research Institute of Laser Technology,Research Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry,Tianjin 300180,China)

A compensation system of mirror deformation is developed,and it is composed of an annular TEC,temperature force components and a control circuit.Under the effect of annular temperature,the mirror produces inner concave or external convex spherical deformation,which can compensate the defocusing amount brought by the thermal deformation of the mirror itself or transmission optical element in laser system.The experiments of temperature-deformation and laser irradiation-temperature-deformation are conducted by using a flat mirror with the diameter of 50mm and the thickness of 10mm,and a interferometer is used to monitor the surface deformation.The temperature-deformation curve is obtained;it shows the central displacement of mirror varies with the temperature linearly.The coefficient of temperature-central displacement is 0.088μm/℃,and the central displacement is over 2.5μm under 50 ℃。When 162W laser is input in the mirror,self-compensation of thermal distortions of the mirror reduces from 0.3μm to 0.08μm;the thermal deformation of transmission optical element reduces from 0.28μm to 0.066μm.

high power laser;defocusing amount;thermal deformation;thermal compensation

1001-5078(2015)10-1184-05

刘海勇(1975-),男,本科,副研究员,主要从事激光光学薄膜元件检测以及激光传输方面的研究。E-mail：lhy1717@eyou.com

刘丽娜(1977-),女,硕士,高级工程师,主要从事激光光学薄膜元件检测以及激光传输方面的研究。E-mail：liulinaflysnow@aliyun.com

2015-02-12;

2015-03-23

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.008