利用自适应光学器件和中场监测的激光束波前校正的制作方法

利用自适应光学器件和中场监测的激光束波前校正
1.优先权
2.本技术要求于2020年11月23日提交的美国专利申请序号17/102,201的优先权，该申请的公开内容通过引用方式全部并入本文。
技术领域
3.本发明一般涉及激光束波前校正，尤其涉及使用自适应光学器件来稳定激光束的尺寸和发散特性的技术。


背景技术：

4.激光束的光束质量表征其可聚焦性。高质量激光束的波前具有平滑且简单的形状。高质量的激光束可以比低质量的激光束更紧密地聚焦。在本领域中使用了不同的光束质量度量。一种度量是光束参数积(bpp)，定义为(i)束腰处的光束半径和(ii)远场光束发散角的乘积。衍射受限高斯光束可实现最高可能的光束质量。因此，光束质量的另一个度量是m2因子，定义为(i)所考虑激光束的bpp与(ii)相同波长的衍射受限高斯光束的bpp的比率。m2因子或类似的bpp的实际测量通常相当乏味。这种测量通常涉及将激光束聚焦到束腰，并测量在束腰处和束腰附近的几个位置处(即，在近场)以及距离束腰至少两个瑞利(rayleigh)长度的几个位置处(即，在远场)的光束尺寸。拟合函数拟合于光束尺寸测量值，m2因子源自拟合参数。
5.一些光学元件通过改变入射激光束的波前来执行它们的预期功能。这种情况的一个典型的例子是通过改变入射光的波前曲率来工作的透镜。然而，光学元件也可能导致不希望的波前变化。例如，高功率固态激光器中增益晶体的光致加热可能导致热透镜效应。热透镜效应是由激光辐射不均匀地加热增益晶体以在增益晶体的折射率中产生温度引起的梯度引起的。在另一个实施例中，如果紫外(uv)激光足够强大，则在非线性晶体中产生uv激光可能会使非线性晶体退化。热透镜效应和uv引起的退化在温和时都会导致激光束波前曲率随时间变化，从而导致输出激光束的尺寸和发散特性随时间不稳定。当更严重时，这些影响会降低光束质量和/或功率。
6.自适应光学器件是一种光学元件，可以通过调整该光学元件来改变光场(例如激光束)的波前。例如，可变形镜可以变形以赋予反射光期望的波前变化。类似地，可变形透镜可以变形以赋予透射光期望的波前变化。尽管在某些场景中开环操作就足够了，但自适应光学器件通常会结合到主动反馈环路中，该主动反馈环路会根据对所得波前的测量反复地调整自适应光学器件。
7.专为激光束波前校正而设计的基于mems和基于压电的可变形镜现已市售。这些可变形镜具有柔性镜面、支撑基板和位于柔性镜面的背面和支撑基板之间的致动器阵列。每个致动器可以调节支撑基板和镜面之间的局部距离。致动器阵列有大量致动器，通常为数十个或更多，布置成二维阵列，以提供通用和高分辨率波前控制。
8.发明概述
9.本文公开了用于在存在一个或多个不希望的波前变形源的情况下校正激光束的波前的系统和方法。我们已经意识到，在某些常见类型的激光系统中，主要的波前变形问题是激光束束腰位置和尺寸的偏移。此外，我们已经意识到光束尺寸测量对束腰位置偏移的最高灵敏度是在中场达到的，即在距离束腰大约一个瑞利长度处，而不是在近场或远场。因此，本系统和方法采用非常规方法监测中场相对于束腰的光束尺寸，并使用中场测量值来校正波前变形。与m2因子的常规测量所需的许多位置相比，本波前校正方法仅需要在一个位置进行测量，尽管两个位置对于精度而言是优选的，并且一些实施方案进一步实施远场测量以实现附加功能。
10.本中场监测技术普遍适用于主要问题是激光束束腰位置偏移的情况下的波前监测和校正。我们发现中场监测技术对于主动稳定随着时间的推移而受到紫外(uv)降解的非线性晶体中产生的uv激光束的束腰位置特别有用。正如许多激光系统应用的情况一样，此类uv激光系统通常需要在长达数千小时的操作时间内保持稳定的光束参数，并且可以实施本波前校正技术以至少帮助满足这一要求。
11.我们进一步发现，基于中场监测稳定束腰位置所需的波前校正可以使用相对简单的自适应光学器件来执行，例如一个或多个可变形柱面镜，每个柱面镜具有少至三个致动器。与依赖当今市售的可变形镜的系统相比，这代表了成本和复杂性的显著降低。
12.在一个方面，用于校正激光束的波前的系统包括用于分离出激光束的部分以用作诊断光束的主分束器。激光束在标称束腰位置具有束腰。该系统还包括用于将诊断光束聚到焦点的聚焦元件，以及配置成测量诊断光束在相对于诊断光束的焦点的标称位置的上游和下游位置中的至少一个处的尺寸的测量系统。诊断光束的上游位置和下游位置中的每一个对应于激光束的相应中场位置的图像。此外，该系统包括至少一个自适应光学器件，位于主分束器上游的激光束中，用于至少部分地基于诊断光束的针对上游位置和下游位置中的至少一个测量的尺寸来校正激光束的波前。
13.在另一方面，一种用于校正激光束的波前的方法包括分离出激光束的部分作为诊断光束的步骤。激光束在标称束腰位置具有束腰。该方法还包括以下步骤：使诊断光束聚到焦点，以及测量诊断光束在相对于诊断光束焦点的标称位置的上游位置和下游位置中的至少一个处的尺寸。诊断光束的上游位置和下游位置中的每一个对应于激光束的相应中场位置的图像。该方法还包括以下步骤：至少部分地基于针对上游位置和下游位置中的至少一个位置测量的尺寸，用至少一个自适应光学器件校正激光束的波前，该自适应光学器件位于激光束中且在激光束和诊断光束之间的分流点的上游。
附图说明
14.包含在说明书中并构成说明书的部分的附图示意性地说明了本发明的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。
15.图1示出了根据实施方案的用于校正激光束的波前的系统。该系统利用中场的光束尺寸测量和自适应光学器件。
16.图2a和图2b示出了光束尺寸对束腰位置偏移的灵敏度，作为距标称束腰位置的距离的函数，并且证明当在距标称焦点的一个瑞利长度处测量光束尺寸时实现最大灵敏度。
17.图3示出了根据实施方案的使用单个静止图像传感器同时测量上游位置和下游位置处以及任选地还在焦点处的光束尺寸的测量子系统。
18.图4是根据实施方案的用于校正激光束的波前的方法的流程图。该方法利用中场的光束尺寸测量和自适应光学器件。
19.图5示出了包含望远镜的激光设备。
20.图6示出了根据实施方案的使用中场光束尺寸测量来将激光束束腰稳定到望远镜的像平面的激光设备。
21.图7示出了根据实施方案的配置成在图6的系统中执行2d波前校正的自适应光学模块。
22.图8示出了根据实施方案的三致动器自适应柱面镜。
23.图9示出了根据实施方案的使用一个或多个自适应光学器件并基于中场光束尺寸测量将激光束束腰稳定到望远镜像平面的方法。
24.图10示出了根据实施方案的包含使用中场和远场光束尺寸测量和自适应器件来稳定激光束的尺寸和发散特性的波前校正系统的激光设备。
25.图11示出了根据实施方案的在图10的激光设备的波前校正系统中配置成执行2d波前校正的自适应光学模块。
26.图12示出了根据实施方案的使用一个或多个自适应光学器件稳定激光束的尺寸和发散特性的方法。该方法利用中场和远场的光束尺寸测量。
27.图13示出了根据实施方案的四致动器自适应柱面镜。
28.图14示出了根据实施方案的用于校正激光束的波前的另一个系统。该系统利用诊断光束的中场的光束尺寸测量。
29.发明详述
30.现在参考附图，其中相同的部件由相同的数字表示，图1示出了用于校正激光束180的波前182的一个系统100。系统100系统利用激光束180的中场中的光束尺寸测量。图1显示了示例场景中的系统100，其中系统100被结合到激光设备102中。
31.激光设备102包括系统100以及产生激光束180的激光源170。激光源170可以包括引起波前182变形的一个或多个元件。在本文中，波前变形是指不希望的波前变化，与例如透镜赋予的预期波前变化不同。例如，激光源170可以包括非线性晶体(nlc)172，其通过频率转换产生激光束180，但不期望地，也使波前182变形。在一种实施方式中，激光束180是高功率紫外(uv)激光束，其导致非线性晶体172逐渐经历uv退化。uv退化使波前182变形，并且系统100校正该波前变形以维持激光束180的稳定光束参数。
32.系统100包括一个或多个自适应光学器件(ao)110、分束器120和诊断模块130。分束器120分离激光束180的部分以用作诊断光束180d。一个或多个自适应光学器件110位于分束器120的上游，并根据从诊断模块130获得的测量值校正波前182。在一个实施方案中，每个自适应光学器件110是自适应镜，例如包括柔性镜面的可变形镜、撑基板以及位于其间的多个致动器。备选地，系统100可将至少一个自适应光学器件110实施为自适应透镜。在系统100的某些实施方案中，自适应镜可以提供比自适应透镜更简单和更便宜的解决方案。
33.穿过分束器120的激光束180的焦散由束腰188和瑞利范围表征。束腰188可以在分束器120的上游或下游，例如在箭头188a、188b和188c指示的位置之一处。束腰188可以是实
际的或虚拟的。波前182的变形可能与激光束180的远场发散度与其标称远场发散度的偏差相关联。这种偏差使激光束180的束腰188偏离其标称束腰位置。
34.图2a和图2b示出了光束尺寸对束腰位置偏移的敏感性，作为距标称束腰位置的距离的函数。图2a和图2b证实了，当在距标称束腰一个瑞利长度zr处测量光束尺寸时，实现了最大灵敏度。
35.图2a绘制高斯光束200的焦散作为纵向坐标z的函数。图2a考虑了高斯光束200的一个横轴，这里是y轴。高斯光束200在位置z0处具有束腰。图2a还绘制了高斯光束210的焦散。高斯光束210与高斯光束200相同，只是在正z轴方向上偏移了δz0的量。在任何给定位置z，高斯光束200具有半径wn(z)，并且高斯光束210具有半径ws(z)。wn(z)和ws(z)之间的差异δw(z)随着远离高斯光束200和210的束腰区域的距离而增加。然而，光束半径wn(z)和ws(z)也随着远离束腰区域的距离而增加。在远场中，两个光束半径都随距离线性地增加。因此，相对差δw(z)/w(z)是z的非平凡函数。
36.图2b从数学上探讨了δw(z)/w(z)的关系，并绘制了归一化光束尺寸变化δw(z)作为z的函数，其中
[0037][0038]
可见δw(z)的绝对值在位置z
0-zr和z0+zr处达到峰值。因此，图2b表明，对于高斯光束，光束尺寸对束腰位置偏移的最大灵敏度是在距离标称焦点一个瑞利长度zr处获得的，至少只要束腰位置的偏移与瑞利长度相比较小即可。当向上述δw(z)的表达式中插入以下高斯光束焦散时
[0039][0040]
可知，δw(z)在位置z0+zr处位置取正值0.5/zr，δw(z)在位置z
0-zr处取负值-0.5/zr。因此，如果高斯光束在正z轴方向移位，则δw(z)在位置z0+zr处为正，在位置z
0-zr处为负，而如果高斯光束在负z轴方向移位，则δw(z)在位置z0+zr处为负，在位置z
0-zr处为正。此外，图2b显示δw(z)在位置z
0-zr和z0+zr中的每一个的
±
0.1zr范围内几乎恒定，并且在位置z
0-zr和z0+zr中的每一个的
±
0.2zr范围内仅略有下降。因此，在此，中场位置是指沿着激光束的纵轴，距标称束腰位置至少大约一个瑞利长度zr的位置，例如介于距标称束腰位置0.9zr到1.1zr之间或介于距标称束腰位置0.8zr到1.2zr之间。
[0041]
再次参考图1，测量距束腰188瑞利长度的激光束182的尺寸可能是不切实际的。即使束腰188处于可接近的位置，瑞利长度也可能长得不切实际。例如，良好准直的激光束180可以具有十米或更长的瑞利长度。诊断模块130用于将瑞利范围的激光束180成像到可接近的附近位置。
[0042]
诊断模块130包括聚焦元件140，例如透镜，以及测量子系统150。聚焦元件140使诊断光束180d聚到焦点。测量子系统150测量诊断光束180d在相对于诊断光束180d的焦点的标称位置142的上游位置152(1)和下游位置152(2)中的至少一个处的尺寸。标称焦点位置
142是在没有波前182变形的情况下由聚焦元件140生成的诊断光束180d的束腰的位置。上游位置152(1)被选择为聚焦元件140使诊断光束180d形成束腰188下游的激光束180的标称中场位置的图像的位置。下游位置152(2)被选择为聚焦元件140使诊断光束180d形成束腰188的上游的激光束180的标称中场位置的图像的位置。上游位置152(1)和下游位置152(2)的这些选择优化了测量子系统150对激光束180的束腰188的偏移的灵敏度。
[0043]
由测量子系统150确定的光束尺寸可以利用本领域已知的多种光束尺寸度量。例如，光束尺寸可以确定为1/e2半径或直径、半高全宽或半高半宽，或者作为功率密度分布的二阶矩。二阶矩的优点是无论功率密度分布如何都可以明确定义。
[0044]
在系统100的操作中，一个或多个自适应光学器件110至少部分地基于在位置152(1，2)处测量的诊断光束180d的尺寸来校正波前182，以实现自适应光学器件110下游的激光束180的校正后波前182'。为此目的，系统100可以包括反馈控制器160，它根据测量子系统150所做的测量主动地调整自适应光学器件110。可以根据由测量子系统150进行的连续或频繁重复的测量而基本上连续地操作反馈控制器160。
[0045]
因为，如上文参考图2a和图2b所讨论的，在距离标称焦点一个瑞利长度处实现最大灵敏度取决于与瑞利长度相比束腰188位置的偏移较小，在近乎连续的基础上主动调整自适应光学器件110以保持束腰188的实际位置和标称位置之间的任何偏差相对于瑞利长度较小可能是有利的。系统100非常适合以高精度保持束腰188的标称位置。
[0046]
在测量子系统150仅在上游位置152(1)和下游位置152(2)之一测量光束尺寸的实施方案中，由自适应光学器件110执行的校正用于将测量的光束尺寸的绝对目标值保持在上游位置152(1)和下游位置152(2)中的选定的一个。在测量子系统150测量上游位置152(1)和下游位置152(2)两者处的波束尺寸的实施方案中可以实现改进的准确性和鲁棒性。这里，由自适应光学器件110执行的校正可以配置成在上游位置152(1)和下游位置152(2)中的每一个处维持测量的光束尺寸的绝对目标值。备选地，测量子系统150可以监测在上游位置152(1)和下游位置152(2)处的相应光束尺寸之间的比率，其中由配置成维持该比率的目标值的自适应光学器件110执行校正。
[0047]
在一类实施方案中，测量子系统150配置成专门测量位置152(1，2)中的一个或两个处的光束尺寸。在另一类实施方案中，测量子系统150还测量聚焦元件140的焦平面148处的光束尺寸，并且一个或多个自适应光学器件110可以进一步将它们对波前182的校正基于在焦平面148处测量的光束尺寸。(这些实施方案在下面参考图10和图12更详细地讨论。)这些类别的实施方案中的每一个都可以以一维(1d)布置或二维(2d)布置来实施。在1d布置中，测量子系统150在横向于诊断光束180d的传播方向的单个轴上获得测量值，并且一个或多个自适应光学器件110在相对于激光束180的相应横轴上校正波前182。在2d布置中，测量子系统150在横向于诊断光束180d的传播方向的两个轴上获得测量值，并且一个或多个自适应光学器件110在相对于激光束180的两个横轴上校正波前182。
[0048]
在系统100的某些应用中，波前变形特性在激光束180的两个横轴上不同。例如，当非线性晶体172是双折射时，激光束180的光束参数可能在平行于走离方向的轴上表现出一种行为，而在垂直于走离方向的轴上表现出另一种行为。在这样的应用中，系统100可以有利地将每个自适应光学器件110实施为柱面镜。因此，上面讨论的系统100的1d布置可以实施一个、两个或更多自适应柱面镜。类似地，上面讨论的系统100的2d布置可以实施分别布
置成在两个相应的相互正交的横轴上校正波前182的两个镜组。每个镜组可以由单个自适应柱面镜或若干自适应柱面镜组成。
[0049]
测量子系统150可以使用本领域已知的光束尺寸测量技术，任选地结合本领域已知的高阶波前测量技术。在一个实施例中，测量子系统150包括传统的光束分析仪，例如扫描狭缝光束分析仪、电荷耦合器件(ccd)相机光束分析仪，或者对于红外光谱中的激光束180，基于高温计的光束分析仪。测量子系统150的这个实施例还可以包括传统的波前传感器，例如夏克-哈特曼(shack-hartmann)波前传感器。
[0050]
在不脱离本发明范围的情况下，诊断模块130可以作为独立的诊断模块提供。诊断模块130可在第三方激光系统中实施并用于光束参数的非校正监测，或协助第三方自适应光学器件或其他波前校正方法的波前校正。
[0051]
图3示出了一个测量子系统300，其使用单个静止图像传感器320同时测量上游位置152(1)和下游位置152(2)处的光束尺寸，并且任选地还测量焦平面148处的光束尺寸。测量子系统300是测量子系统150的实施方案。
[0052]
测量子系统300包括沿诊断光束180d的传播路径串联布置的两个分束器310(1)和310(2)，彼此相隔距离318。分束器310(1)和310(2)分离诊断光束180d的相应部分382d(1)和382d(2)。图像传感器320截取两个诊断光束部分382d(1)和382d(2)。然而，聚焦元件140和图像传感器320之间的诊断光束部分382d(1)和382d(2)的不同路径长度导致图像传感器320在距标称焦点位置142的不同的纵向距离截取诊断光束部分382d(1)和382d(2)。距离318和诊断光束部分382d(1)和382d(2)的传播路径配置成使得图像传感器320分别在上游位置152(1)和下游位置152(2)截取诊断光束部分382d(1)和382d(2)。因此，由图像传感器320捕获的每个图像328包括(a)指示诊断光束180d在上游位置152(1)处的横向轮廓的点382s(1)，以及(b)指示诊断光束180d在下游位置152(2)处的横向轮廓的点382s(2)。
[0053]
在图3所示的实施例中，测量子系统300包括两个折叠镜330和340以获得期望的形状因数。在不脱离本发明范围的情况下，折叠镜330和340中的一个或两个可以被省略或不同地布置，和/或测量子系统300可以包括额外的折叠镜。所描绘的测量子系统300的实施例还包括波束块350。波束块350可以有利地是诊断功率计的形式。
[0054]
图3显示了指示激光束180的纵轴(z轴)和横轴(x轴和y轴)的笛卡尔坐标系390。由于诊断光束180d从激光束180分离，并且诊断光束部分382d(1)和382d(2)从诊断光束180d分离，坐标系390被传递到诊断光束部分382d(1)和382d(2)。坐标系390的取向随着相关光束改变方向而改变。最后，在图像传感器320处，坐标系390可能具有与在分束器120上游的激光束180处不同的取向。无论如何，图像328显示了在坐标系390的横向xy平面中相对于激光束180的382s(1，2)。对于每个点328(1，2)，横向尺寸388x对应于相对于激光束180的x轴，横向尺寸388y对应于相对于激光束180的y轴。
[0055]
实施测量子系统300的系统100的实施方案因此可以操作自适应光学器件110以(a)根据点382(1)和382(2)的横向尺寸388x校正x轴上的波前182以及(b)根据点382(1)和382(2)的横向尺寸388y校正y轴上的波前182。
[0056]
在某些实施方案中，测量子系统300包括位于分束器310(1)和310(2)之间的附加分束器312。分束器312分离出诊断光束180d的部分384d。诊断光束部分384d传播到图像传感器320，其路径长度使图像传感器320在聚焦元件140的焦平面148处截取诊断光束部分
384d(参见图1)。因此，图像328中的相应点384s能够在焦平面148处进行光束尺寸测量。点384s还可以提供其他信息，例如诊断光束180d以及因此激光束180的高阶横模特性。在此，高阶横模特性指的是比光束尺寸或发散更高阶的特性。在替代实施方案中，未在图3中描绘，诊断光束180d的部分被引导至传统的波前传感器，例如用于评估高阶横模特性的shack-hartmann传感器。
[0057]
尽管图3将诊断光束部分描绘为彼此并排传播，但不同的诊断光束部分可以取而代之采用不同的相应路径，例如非平行路径，到达图像传感器320，只要路径长度使得图像传感器320分别在位置152(1)和152(2)处截取诊断光束部分382d(1)和382d(2)(并且，在包括分束器312的实施方案中，图像传感器320在焦平面148截取诊断光束部分384d)。
[0058]
在不脱离其范围的情况下，测量子系统300可以被修改或操作以测量焦平面148处的光束尺寸以及仅上游位置152(1)和下游位置152(2)中的一个。
[0059]
图4是用于校正激光束的波前的一种方法400的流程图。方法400可以由系统100执行。方法400包括步骤410、420、430和440。
[0060]
步骤410分离出激光束的部分作为诊断光束。在步骤410的一个实施例中，分束器120从激光束180中分离出诊断光束180d，如上文参考图1所讨论的。
[0061]
步骤420使诊断光束聚到焦点。当激光束波前处于标称状态时，焦点位于标称焦点位置。当激光束波前变形时，焦点位置可能会偏离标称焦点位置。在步骤420的一个实施例中，聚焦元件140聚焦诊断光束180d，如上文参考图1所讨论的。
[0062]
步骤430测量诊断光束在相对于标称焦点位置的上游位置和下游位置中的至少一个位置处的尺寸。上游位置对应于由步骤420通过诊断光束成像的激光束的下游中场位置，并且下游位置对应于由步骤420通过诊断光束成像的激光束的上游中场位置。在步骤430的一个实施例中，测量子系统150测量诊断光束180d在位置152(1)和152(2)之一或两者处的尺寸，如上文参考图1所讨论的。在实施方案中，步骤430包括用单个图像传感器测量尺寸的步骤432。在该实施方案的一个实施例中，步骤432利用测量子系统300来使用图像传感器320测量尺寸。
[0063]
步骤440用至少一个自适应光学器件校正激光束波前，该自适应光学器件位于诊断光束在步骤410中被分离的位置的上游。由自适应光学器件执行的校正至少部分地基于在步骤430中所测量的尺寸。在步骤440的一个实施例中，一个或多个自适应光学器件110至少部分地基于由测量子系统150测量的光束尺寸来校正激光束180的波前182，如上文参考图1所讨论的。步骤440可以利用反馈控制器，例如反馈控制器160，根据在步骤430中进行的测量来控制自适应光学器件。
[0064]
在实施方案中，方法400用于校正由非线性晶体引起的波前变形。在该实施方案中，步骤440包括针对这种变形校正波前的步骤442。在步骤442的一个实施例中，一个或多个自适应光学器件110针对由非线性晶体172引起的变形校正激光束180的波前182。方法400的这一实施方案可以在非线性晶体随时间变化的波前变形行为的情况下稳定激光束的波前，例如如图1中的波前182'示意性指示的。在一种场景中，自适应光学器件进行的波前校正足以满足一组性能要求。在另一种场景中，非线性晶体的退化非常严重，以至于自适应光学器件的波前校正仅在有限的时间段内足够，此后非线性晶体的位置被移动，使得激光束穿过非线性晶体的非退化部分。当非线性晶体发生位移时，波前很可能会发生离散变化。
在实施方案中，步骤440还配置成当非线性晶体移动时维持或重建激光束的波前特性。
[0065]
在某些实施方案中，步骤430和440包括相应的步骤434和444。对于上游位置和下游位置中的每一个，步骤434测量诊断光束在相对于激光束的第一横轴上的第一横向尺寸。然后步骤444使用第一自适应光学器件或第一组自适应光学器件来校正第一横轴中的波前。在此类实施方案的一个实施例中，测量子系统300测量点382s(1)和382s(2)中的每一个的横向尺寸388x，并且一个或多个自适应光学器件110(例如，一个或多个自适应柱面镜)然后校正x轴上的激光束180的波前。在不脱离其范围的情况下，该实施例可以利用另一种类型的测量子系统，例如基于shack-hartmann波前传感器，来测量横向尺寸388x。
[0066]
在实施方案中，方法400被配置用于1d波前校正。在该实施方案中，步骤430和440仅在第一轴上操作。在另一个实施方案中，方法400被配置用于2d波前校正，在两个相互正交的横轴中的每一个中具有单独的校正。在本实施方案中，步骤430包括步骤434和步骤436，步骤440包括步骤444和步骤446。步骤436和446类似于步骤434和444，只是应用于正交轴。在实施例中，步骤434和444在坐标系390的x轴上操作，而步骤436和446在y轴上操作。
[0067]
图5示出了一种包含望远镜的激光设备502。激光设备502包括激光源570和望远镜540。激光源570是激光源170的实施方案，其产生激光束580使得激光束580在激光源570内部具有束腰w0。在实施方案中，激光源570包括非线性晶体172，束腰w0在非线性晶体172内部。望远镜540将束腰w0成像到像平面550上。望远镜540可以由两个透镜542和544组成。激光源570包括波前变形源。例如，非线性晶体172的折射率的逐渐变化可以使激光束580的波前逐渐变形。激光源570配置成使得波前变形不会显著改变激光束580在束腰w0的标称位置处的尺寸，但是波前变形可以移动第二束腰w1的位置和尺寸，如波前变形激光束580'的束腰w1′
所指示的。即使存在这种波前变形，望远镜550也确保激光束580的尺寸在像平面550处保持相同。
[0068]
图6示出了一种激光设备602，其使用中场光束尺寸测量来将激光束束腰稳定到望远镜的像平面。激光设备602是激光设备502的延伸，其包含用于波前校正的系统600以将激光束580的束腰位置稳定到像平面550。系统600是系统100的实施方案。图6显示了激光设备602处于激光源570产生波前变形激光束580
′
的状态。
[0069]
在激光设备602中，分束器120位于像平面550的下游，并且一个或多个自适应光学器件110位于像平面550处，或至少在其范围618内。范围618可以从像平面550上游的0.1zr或0.2zr跨越到像平面550下游的0.1zr或0.2zr，其中zr是激光束580相对于束腰w1的瑞利长度。范围618的这些跨度允许自适应光学器件110准直激光束580，同时还保持束腰w1的尺寸接近其标称值。一个或多个自适应光学器件110校正激光束580的波前，使得即使在激光束580变形时(例如，如图6中波前变形的激光束580'传播到像平面550所指示的)，一个或多个自适应光学器件110确保在像平面550的下游保持激光束580的标称发散特性，从而使束腰w1稳定到像平面550。
[0070]
束腰w1稳定到像平面550可以完全基于光束尺寸的中场测量来完成。因此，系统600是系统100的实施方案，其仅基于光束尺寸的中场测量来调整自适应光学器件110。系统600包括诊断模块630，诊断模块130的实施方案。诊断模块630可以配置成仅测量上游位置152(1)和/或下游位置152(2)处的光束尺寸。系统600可以通过将在上游位置152(1)处测量的一个或多个光束尺寸和/或在下游位置152(2)处测量的一个或多个对应光束尺寸稳定到
它们对应于腰w1处于像平面550的标称值来将束腰w1稳定到像平面550。在一种实施方式中，系统600包括反馈控制器160，并且反馈控制器160主动调整自适应光学器件110以将在位置152(1)和152(2)处测量的横向光束尺寸稳定到它们的标称值。
[0071]
在一个实施方式中，光束尺寸根据绝对值进行监测，如上文参考图1所讨论的。在另一种实施方式中，根据上游与下游光束尺寸比率来监测光束尺寸的值。在该实施方式中，诊断模块630的测量子系统150监测(a)上游位置152(1)处的一个或多个光束尺寸与(b)下游位置152(2)处的相应光束尺寸之间的比率，以及将每个此类比率保持在标称值。如果束腰w1的位置移出像平面550，则诊断光束180d的焦点位置偏离标称焦点位置142，并且上游位置152(1)和下游位置152(2)处相应光束尺寸之间的比率改变而偏离其标称值。虽然激光束580的光束尺寸在距束腰w1的
±
zr处是相同的，但诊断光束180d在对应的上游位置152(1)和下游位置152(2)的光束尺寸通常不相同，这是因为激光束580中的
±
zr位置与聚焦元件140的路径长度不同。因此，上游位置152(1)和下游位置152(2)处相应光束尺寸之间的标称比率通常不一致。
[0072]
系统600可配置成用于1d或2d波前校正。当配置用于1d波前校正时，自适应光学器件110和任选的诊断模块630的测量子系统150可以仅在单个横轴(例如，x轴)上操作。当系统600配置成用于2d波前校正时，测量模块150和自适应光学器件110在两个横轴上操作。为了简化操作，这两个横轴优选地相互正交(例如，x轴和y轴)。系统600可以作为独立的波前校正系统提供，该波前校正系统配置成结合到第三方激光设备中，该第三方激光设备包括激光源570和望远镜540。
[0073]
图7示出了一个自适应光学模块700，其配置成在系统600中执行2d波前校正。自适应光学模块700是自适应光学器件110的实施方案。自适应光学模块700包括串联布置的自适应柱面镜710x和710y。镜710x具有可调节以改变激光束580在x轴上的波前的镜面712x。例如，镜面712x可以从初始的平面形状调整为由虚线712x'指示的圆柱形状，以便在x轴上对激光束580进行聚焦。类似地，镜710y具有可以被调整以改变激光束580在y轴上的波前的镜面712y(这种可调整性不在图7的平面中并且因此未被描绘出)。
[0074]
在实施方案中，镜710x和710y的作用彼此解耦，使得镜710x对波前的y轴没有影响或影响至少仅可忽略不计，而镜710y对波前的x轴没有影响或影响至少仅可忽略不计。在该实施方案中，为了x轴和y轴作用之间的最佳解耦，镜710x和710y可以有利地布置成在xy平面(如图7所描绘)或在yz平面中折叠激光束580的路径。镜710x和710y可以是相同的镜，镜710x关于z轴的取向不同于镜710y的取向，优选地相差90度，以使镜710x的作用与镜710y的作用解耦。
[0075]
镜710x和710y中的每一个都可以是具有柔性镜面、支撑基板和其间的多个致动器的可变形镜。由于镜710x和710y中的每一个只需要在一个轴上进行调整，因此1d致动器阵列就足够了。自适应光学模块700不需要具有2d致动器阵列的更复杂的市售自适应镜。
[0076]
可以修改自适应光学模块700以在激光设备602中执行1d波前校正。在该修改中，自适应光学模块700省略了镜710x和710y之一。省略的镜可以由刚性镜代替，例如平面镜。
[0077]
图8示出了一个三致动器自适应柱面镜800。镜800包括(a)具有镜面812的镜基板810，(b)支撑基板830，和(c)将镜基板810与支撑基板830连接的三个致动器820。至少一些致动器820的长度在方向890上是可调节的。方向890大致正交于镜面812。致动器820沿着与
方向890正交的方向892分布。在实施方案中，所有致动器820具有可调节的长度。在另一个实施方案中，只有致动器820(1)和820(3)具有可调节的长度。在又一个实施方案中，只有致动器820(2)具有可调节的长度。这些实施方案中的每一个都能够改变镜面812的曲率半径。图8描绘了其中致动器820(1)和820(3)相对于致动器820(2)延伸以将镜面812从初始平面形状改变为轻微凹形812'或更强凹形812”的实施例。凹形812”的曲率半径小于凹形812'的曲率半径，初始平面形状的曲率半径为无穷大。镜面812也可以获得凸形。
[0078]
自适应光学模块700中的镜710x和710y中的每一个都可以实现为相应的镜800，镜710x和710y中的一个以平行于x轴的方向892定向，并且镜710x和710y中的另一个以平行于y轴的方向892定向。由于镜800仅具有三个致动器，因此镜800的生产成本可以比目前市售的配备有更多数量的致动器的可变形镜低得多。然而，我们已经发现镜800的三致动器设计至少在大多数情况下足以在激光设备602的像平面550处保持激光束580的束腰。
[0079]
可在2020年11月23日提交的共同未决美国专利申请序号17/101,783中找到合适的自适应镜的其他详细信息，其公开内容通过引用并入本文。
[0080]
图9示出了使用一个或多个自适应光学器件将激光束束腰稳定到望远镜的像平面的一种方法900。方法900可以由望远镜540和系统600执行，以在激光源570中存在波前变形(例如由非线性晶体172引起)的情况下将激光束580的束腰w1稳定到激光设备602中的像平面550。方法900是实施步骤930和940分别代替步骤430和440的方法400的实施方案，还包括步骤902。
[0081]
步骤902在位于自适应光学器件处的像平面处形成激光束的第一束腰的图像。在步骤902的一个实施例中，望远镜540在像平面550处形成束腰w0的图像，如上文参考图5所讨论的。
[0082]
步骤930是包括步骤434的步骤430的实施方案。步骤930还可以包括步骤436，并且尽管未在图9中示出还包括步骤432。
[0083]
步骤940是步骤440的实施方案，它使用至少一个自适应光学器件校正激光束波前，以将激光束的第二束腰稳定到步骤902的像平面。在步骤940的一个实施例中，反馈控制器160调整一个或多个自适应光学器件110以将激光束580的束腰w1稳定到激光设备602中的像平面550，如上文参考图6所讨论的。步骤940包括步骤944。步骤944是步骤444的实施方案，其调整第一自适应光学器件以在上游位置和下游位置处保持第一横向尺寸的标称值，以便在相对于激光束的第一横轴上将第二束腰稳定到像平面。步骤944依赖于在步骤434中进行的测量。在步骤944的一个实施例中，反馈控制器160调整至少一个第一自适应光学器件，例如镜710x，以保持点382s(1)和382s(2)(参见图3)的横向尺寸388x的标称值，从而在x轴上将激光束580的束腰w1稳定到像平面550。步骤944中的调整可以基于横向尺寸的绝对值，或基于在上游和下游位置测量的横向尺寸之间的比率，如上文参考图6所讨论的。步骤940可以进一步包括步骤946。步骤946类似于步骤944，除了作用于第二横轴，优选地第二横轴正交于第一横轴，例如y轴。虽然没有显示在图9中，步骤940还可以包括步骤442。
[0084]
在方法900的1d波前校正实施方式中，步骤940省略步骤946并且步骤930可以省略步骤436。在方法900的2d波前校正实施方式中，步骤930和940分别包括步骤436和946。
[0085]
图10示出了一种激光设备1002，其使用中场和远场光束尺寸测量以及自适应光学来稳定激光束的尺寸和发散特性。激光设备1002包括激光源570、光束整形模块1040和波前
校正系统1000。光束整形模块1040位于激光源570和波前校正系统1000之间。光束整形模块1040对由激光源570产生的激光束1080进行整形。光束整形模块1040可以包括一个或多个透镜。当激光束1080具有标称特性时，光束整形模块1040实现激光束1080的一组预定尺寸和发散特性。波前校正系统1000确保在存在激光源570中的激光束1080的波前变形的情况下也实现预定尺寸和发散特性。图10描绘了一个实施例，其中激光源570生成波前变形激光束1080
′
，波前变形激光束1080
′
在光束整形模块1040处不具有标称波前特性，因此，在没有系统1000校正的情况下，在通过波束整形模块1040进行波束整形之后将无法满足预定尺寸和发散特性。例如，如图10所示，波前变形激光束1080'可能比下游位置1084处的标称激光束1080更大且更发散。
[0086]
波前校正系统1000是系统100的实施方案，它测量位置152(1)和152(2)以及焦平面148处的光束尺寸。波前校正系统1000包括分束器120、诊断模块1030和多个自适应光学器件110。波前校正系统1000还可以包括反馈控制器160。诊断模块1030是诊断模块130的实施方案，其具体配置成不仅在位置152(1)和/或152(2)处而且在焦平面148处测量光束尺寸。焦平面148处的1/e2光束半径wf通过关系wf＝θ0/f与1/e2远场发散角θ0相关，其中f是聚焦元件140的焦距。反过来，1/e2远场发散角θ0通过方程θ0＝λ/(πw0)与1/e2束腰半径w0相关，其中λ是激光束1080的波长。因此，随着焦平面148处的光束尺寸测量的额外可用性，系统1000不仅能够稳定束腰位置，而且能够稳定束腰尺寸。因此，系统1000能够保持激光束1080的一组通用的预定尺寸和发散特性。在激光源570中存在波前变形的情况下，系统1000基于如聚焦元件140成像的测得的中场和远场光束尺寸来调整自适应光学器件110，以赋予补偿光束整形。这种补偿光束整形与光束整形模块1040协作以实现自适应光学器件110下游的激光束1080的预定尺寸和发散特性，即使在光束整形模块1040存在波前变形的情况下也是如此。
[0087]
与激光设备502的望远镜540相比，光束整形模块1040不需要形成激光束束腰的图像，并且自适应光学器件110不需要位于相应的像平面。与激光设备502相比，激光设备1002受益于如由聚焦元件140成像的远场光束尺寸测量的附加可用性，以保持预定尺寸和发散特性，同时适应更一般的光束整形功能。另一方面，激光设备1002需要比激光设备502更多的自适应光学器件110，因为系统1000必须能够调整激光束的尺寸和发散角。
[0088]
在激光束1080的标称束腰半径w0(由诊断模块1000探测)已知的场景中，激光束580的光束质量因子m2可以从关系式m2＝πw0θ0/λ导出。在某些实施方案中，自适应光学器件110配置成执行使m2最小化或保持其期望值的校正。
[0089]
系统1000可以作为独立的波前校正系统提供，该系统配置成结合到包括激光源570和光束整形模块1040的第三方激光设备中。
[0090]
图11示出了配置成在系统1000中执行2d波前校正的一个自适应光学模块1100。自适应光学模块1100是自适应光学器件110的实施方案。自适应光学模块1100包括串联布置的两个自适应柱面镜710x和两个自适应柱面镜710y。该串联的顺序可以与图11中所示的顺序不同。
[0091]
在实施方案中，镜710x(1，2)的作用与镜710y(1，2)的作用解耦，如针对自适应光学模块700中的镜710x和710y所讨论的。镜710x(1)、710x(2)、710y(1)和710y(2)可以是相同的，镜710x(1，2)关于z轴的取向不同于镜710y(1，2)的取向，优选地相差90度以将镜710x
(1，2)的作用与镜710y(1，2)的作用解耦。在x轴和y轴的每一个中，对应的镜对710x(1，2)或镜710y(1，2)提供独立改变光束尺寸和发散度的自由度，从而实现激光束1080的预定尺寸和发散特性。
[0092]
可以修改自适应光学模块1100以在激光设备1002中执行1d波前校正。在该修改中，自适应光学模块1100省略镜710x(1，2)或镜710y(1，2)，剩余的镜710x(1，2)或710y(1，2)可以相应地重新布置以简化激光束1080通过自适应光学模块1100的路径。
[0093]
再次参考系统1000和激光设备1002，在一种场景中，光束整形模块1040可以被省略，它的功能改为由系统1000执行。在这种场景中，系统1000的自适应光学器件110可围绕“零点”配置进行调整，该“零点”配置在标称条件下实现预定的尺寸和发散特性。然而，同时具有系统1000的光束整形模块1040和自适应光学器件110具有潜在优势。例如，如果自适应光学器件110是自适应柱面镜，则去除光束整形模块1040可能需要操作具有较高曲率的柱面镜中的至少一些柱面镜。使用自适应镜，可能很难在不引入高阶像差的情况下达到如此高的曲率。因此，当保留用于零点光束整形的光束整形模块1040并且仅将系统1000的自适应光学器件110用于在存在波前变形的情况下稳定尺寸和发散特性所需的较小校正时，很可能可以获得更高的光束质量。
[0094]
图12示出了使用一个或多个自适应光学器件稳定激光束的尺寸和发散特性的一种方法1200。方法1200可由波前校正系统1000执行以在激光源570中存在例如由非线性晶体172引起的波前变形的情况下保持激光束1080的预定尺寸和发散特性。方法900是方法400的实施方案，其实施步骤1230和1240分别代替步骤430和440。
[0095]
步骤1230是步骤930的扩展，进一步在用于执行步骤420的聚焦元件的焦平面处，例如在焦平面148处，获得一个或多个光束尺寸测量值。步骤1230包括步骤1234，并且任选地，还包括步骤1236。步骤1234和1236分别是步骤934和936的扩展，进一步测量焦平面处的相应横向尺寸。步骤1230可以实现步骤432。
[0096]
步骤1240使用位于激光束和诊断束之间的分流点的上游的多个自适应光学器件来校正激光束波前以便将激光束的尺寸和发散特性稳定到一组预定尺寸和发散特性。步骤1240包括步骤1244并且任选地还包括步骤1246。步骤1244是步骤444的实施方案，其调整第一对自适应光学器件以校正第一横轴中的激光束波前。步骤1244可以通过以保持上游位置处的第一横向尺寸、下游位置处的第一横向尺寸和焦平面处的第一横向尺寸的标称值的方式调整第一对自适应光学器件来实现所需的波前校正。步骤1244依赖于在步骤1234中进行的测量。在步骤1244的一个实施例中，反馈控制器160调整第一对自适应光学器件，例如镜710x(1)和710x(2)，以保持点382s(1)和382(2)的横向尺寸388x的标称值，并且还保持点384s的横向尺寸388x的标称值(参见图3)。反馈控制器160从而保持激光束1080在x轴上的预定尺寸和发散特性。步骤1246类似于步骤1244，除了作用于第二横轴，优选地第二横轴与第一横轴正交，例如，y轴。虽然没有显示在图12中，步骤1240还可以包括步骤442。
[0097]
方法1200还可以包括步骤1202，其整形激光束以在没有波前变形的情况下实现预定尺寸和发散特性。在该实施方案中，步骤1240赋予补充步骤1202中的初级波束整形的附加波束整形以在存在波前变形的情况下保持预定的尺寸和发散特性。步骤1202可以由波束整形模块1040执行。
[0098]
在方法1200的1d波前校正实施方式中，步骤1240省略步骤1246并且步骤1230可以
省略步骤1236。在方法1200的2d波前校正实施方式中，步骤1230和1240分别包括步骤1236和1246。
[0099]
与方法900相比，方法1200更普遍适用，因为方法1200不需要形成束腰图像的步骤902。例如，方法1200不需要像激光设备600那样将激光设备配置为在像平面550处形成束腰图像。然而，方法1200还需要更复杂的波前校正，包括测量在附加位置处的束腰尺寸以及使用至少一个附加自适应光学器件。尽管方法900的步骤940中的波前校正可以每个横轴仅使用单个自适应光学器件来执行，但是方法1200的步骤1240中的波前校正需要每个横轴两个自适应光学器件。
[0100]
如上所述，方法900、方法1200、系统600和系统1000中的每一个主要用于在存在波前变形的情况下提供具有稳定尺寸和发散特性的激光束。导致激光束尺寸和/或发散特性变化的波前变形也引入高阶像差的情况并不少见，例如功率密度分布与tem00模式或其他厄米高斯(hermite-gaussian)模式的偏差。例如，非线性晶体，例如非线性晶体172，可能引起波前变形，其不仅影响激光束的尺寸和发散特性，而且引入高阶像差。方法900、方法1200、系统600和系统1000中的每一个都可以适于进一步校正激光束的至少一些形式的高阶像差，例如以获得期望的光束质量因子m2。这种校正不限于系统600和1000以及方法900和1200的方案，而是可以通过在聚焦元件的焦平面处(例如，在焦平面148处)包括光束尺寸测量而更一般地结合到系统100和方法400中。系统100、600和1000以及方法400、900和1200也可以配置成监测高阶像差和/或m2而不对其实施基于自适应光学器件的校正。
[0101]
在方法900的上下文中，可以通过以下步骤来实现对高阶像差的校正：(a)在步骤930中，另外监测焦平面处诊断光束的功率密度分布的高阶横模特性以检测高阶像差，以及(b)在步骤940中，根据高阶横模特性进一步调整每个自适应光学器件。因此，方法900的这种适应可以以减少或消除高阶像差的方式调整自适应光学器件。方法1200可以类似的方式适应。在系统600的上下文中，诊断模块630可以进一步监测焦平面处诊断光束的功率密度分布的高阶横模特性(例如使用测量子系统300和图像传感器320)，并且可以根据高阶横模特性进一步调整自适应光学器件110。系统600的这种适应可以以减少或消除由诊断模块630检测到的高阶像差的方式调整自适应光学器件110，以便减少或消除激光束580中相应的高阶像差。系统1000可以是以类似的方式适应。
[0102]
图13示出了一个四致动器自适应柱面镜1300。镜1300是镜710x和710y中的任一个的实施方案。镜1300是镜800的延伸，包括四个致动器820。所有四个致动器820都具有可调节的长度。镜1300具有镜800的功能。此外，凭借一个额外的致动器820，镜1300能够赋予高阶波前校正，例如以减少或消除激光束中的高阶像差。镜1300因此适用于方法900、方法1200、系统600和系统1000中的任一者，适于进一步校正高阶像差。
[0103]
图14示出了用于校正激光束180的波前182的另一个系统1400。系统1400类似于系统1000，除了用类似的诊断模块1430替换诊断模块130，该诊断模块1430测量诊断光束180d的中场中的光束尺寸而不是激光束180的中场中的光束尺寸。诊断模块1430类似于诊断模块130，除了上游和下游测量位置相对于由聚焦元件140产生的诊断光束光束180d的束腰的标称焦点位置142处于诊断光束180d的中场。根据激光束180的束腰188相对于聚焦元件140的位置，诊断模块1430的上游和下游测量位置可能与诊断模块130的那些显著不同，或者相似或甚至相同。
[0104]
诊断模块1430实施测量子系统1450。测量子系统1450是测量子系统150的变型例，测量子系统150测量诊断光束180d在相对于标称焦点位置142的上游中场位置1452(1)和下游中场位置1452(2)中的每一个处的尺寸。上游中场位置1452(1)是标称焦点位置142上游的距离1444(1)。下游中场位置1452(2)是标称焦点位置142下游的距离1444(2)。距离1444(1)和1444(2)中的每一个大约等于诊断光束180d的瑞利长度z
rd
。例如，距离1444(1)和1444(2)可以在瑞利长度z
rd
的10％或20％之内。距离1444(1)和1444(2)可以相同。
[0105]
凭借在诊断光束180d的上游中场位置1452(1)和下游中场位置1452(2)执行的测量，测量子系统1450优化其光束尺寸测量对诊断光束180d束腰位置远离标称焦点位置142的偏移的灵敏度。这种最佳灵敏度的原因与诊断模块130对激光束180的束腰188远离其在激光束180中的标称位置的偏移具有最佳灵敏度的原因相同。上文参考图2a和图2b进行了更详细的讨论。
[0106]
系统1400是系统100的替代方案，它被优化以将诊断光束180d的束腰位置稳定到标称焦点位置142，而不管诊断模块1430相对于激光束180的束腰188位于何处。然而，诊断模块1430对束腰188位置偏移的灵敏度确实取决于诊断模块1430相对于束腰188所处的位置。当聚焦元件140靠近束腰时，实现诊断模块1430对束腰188位置偏移的最佳灵敏度是因为，在这种情况下，上游中场位置1452(1)和下游中场位置1452(2)分别相对靠近上游位置152(1)和下游位置152(2)。
[0107]
诊断模块1430的某些实施方案配置成还在聚焦元件140的焦平面148处执行光束尺寸测量，和/或测量诊断光束180d在焦平面148处的其他特性。诊断模型1430的此类实施方案提供类似于配置成在焦平面148执行测量的诊断模块130的实施方案的附加能力，如上文参考例如图1讨论的。
[0108]
在不脱离其范围的情况下，方法400可以被修改以在诊断光束的中场使用光束尺寸测量，例如通过在步骤430中使用诊断模块1450。
[0109]
以上通过优选实施方案和其他实施方案对本发明进行了描述。然而，本发明不限于这里描述和描绘的实施方案。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。

技术特征：
1.用于校正激光束的波前的系统，包括：主分束器，所述主分束器用于分离所述激光束的部分以用作诊断光束，所述激光束在标称束腰位置处具有束腰；聚焦元件，所述聚焦元件用于使所述诊断光束聚到焦点；测量子系统，所述测量子系统配置成测量所述诊断光束在相对于所述诊断光束的所述焦点的标称位置的上游位置和下游位置中的至少一个处的尺寸，其中所述诊断光束的所述上游位置和下游位置中的每一个对应于所述激光束的相应中场位置的图像；以及至少一个自适应光学器件，所述至少一个自适应光学器件位于激光束中且在所述主分束器的上游，用于至少部分地基于所述诊断光束的针对所述上游位置和下游位置中的所述至少一个测量的尺寸来校正所述激光束的波前。2.根据权利要求1所述的系统，其中，每个所述中场位置从所述标称束腰位置移位所述激光束相对于所述标称束腰位置的标称瑞利长度的90％到110％之间。3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中：所述至少一个自适应光学器件包括第一自适应镜，该第一自适应镜配置成校正相对于所述激光束在第一横轴上的波前；并且在所述上游位置和下游位置中的所述至少一个中的每一个处，由所述测量子系统测量的对应尺寸包括所述诊断光束在所述第一横轴上的第一横向尺寸。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一自适应镜包括：镜面，以及仅三个致动器，所述三个致动器沿所述第一横轴分布以在平行于由所述第一横轴和所述激光束的传播方向限定的平面的维度上调整所述镜面。5.根据权利要求3或权利要求4所述的系统，其中，所述测量子系统包括：图像传感器；以及第一和第二次级分束器，所述第一和第二次级分束器用于将所述诊断光束的相应的第一部分和第二部分引导到所述图像传感器上的不同的相应第一位置和第二位置，所述第一和第二次级分束器被串联布置，使得所述图像传感器截取分别位于所述上游位置和所述下游位置处的所述诊断光束的第一部分和第二部分。6.根据权利要求3至5中任一项所述的系统，其中：所述至少一个自适应光学器件还包括第二自适应镜，该第二自适应镜在所述第一自适应镜的下游并且配置成校正相对于所述激光束在第二横轴上的波前，所述第二横轴正交于所述第一横轴；并且在所述上游位置和下游位置中的所述至少一个的每一个处，由所述测量子系统测量的对应尺寸还包括所述诊断光束在所述第二横轴上的第二横向尺寸。7.具有波前校正的激光设备，包括：根据权利要求6所述的系统；激光源，所述激光源用于产生束腰在所述激光源内的束腰位置处的激光束；以及在所述至少一个自适应光学器件的上游的望远镜，用于在像平面处形成所述激光束在所述束腰位置处的图像；其中所述至少一个自适应光学器件位于所述像平面处。
8.根据权利要求7所述的激光设备，其中，所述激光源包括非线性晶体，并且所述束腰位置在所述非线性晶体内。9.根据权利要求7或权利要求8所述的激光设备，还包括：反馈控制器，所述反馈控制器配置成主动调整所述至少一个自适应光学器件，以保持针对所述上游位置和下游位置中的所述至少一个测量的尺寸的标称值，从而将所述激光束的第二束腰的位置稳定在所述像平面处。10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述测量子系统配置成进一步测量所述诊断光束在所述聚焦元件的焦平面处的尺寸。11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述测量子系统包括：图像传感器；以及第一、第二和第三次级分束器，所述第一、第二和第三次级分束器用于将所述诊断光束的相应的第一部分、第二部分和第三部分引导到所述图像传感器上的不同的相应第一位置、第二位置和第三位置，所述第一、第二和第三次级分束器串联布置使得所述图像传感器分别在所述上游位置、所述焦平面和所述下游位置处截取所述诊断光束的所述第一部分、第二部分和第三部分。12.根据权利要求10或权利要求11所述的系统，还包括：反馈控制器，所述反馈控制器配置成主动调整所述至少一个自适应光学器件，以保持针对所述上游位置和下游位置中的至少一个以及在所述焦平面处测量的尺寸的标称值。13.根据权利要求10至12中任一项所述的系统，其中，所述至少一个自适应光学器件包括串联布置的第一对自适应镜并且每个自适应镜配置成校正相对于激光束在第一横轴上的波前。14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一对自适应镜中的每个自适应镜包括：镜面，以及仅三个致动器，所述三个致动器沿所述第一横轴分布以在平行于由所述第一横轴和所述激光束的传播方向限定的平面的维度上调整所述镜面。15.根据权利要求13或权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个自适应光学器件还包括串联布置的第二对自适应镜并且每个自适应镜配置成校正相对于所述激光束在第二横轴上的波前，所述第二横轴正交于所述第一横轴。16.具有波前校正的激光设备，包括：根据权利要求15所述的系统；激光源，所述激光源用于产生所述激光束；在所述至少一个自适应光学器件的上游的光束整形模块，所述光束整形模块配置成，当所述波前在所述光束整形模块处具有标称特性时，实现所述激光束的预定束腰尺寸和远场发散度；以及反馈控制器，所述反馈控制器配置成至少部分地基于所述诊断光束的针对所述上游位置和所述下游位置中的所述至少一个以及在所述焦平面处测量的尺寸来调整所述第一对自适应光学器件和第二对自适应光学器件，以当所述波前在所述光束整形模块处不具有所述标称特性时，实现所述激光束的预定束腰尺寸和远场发散度。17.根据权利要求16所述的激光设备，其中，所述激光源包括非线性晶体。
18.用于校正激光束的波前的方法，包括以下步骤：分离所述激光束的部分作为诊断光束，所述激光束在标称束腰位置具有束腰；使所述诊断光束聚到焦点；测量所述诊断光束在相对于所述诊断光束的焦点的标称位置的上游位置和下游位置中的至少一个处的尺寸，其中所述诊断光束的上游位置和下游位置中的每一个对应于所述激光束的相应中场位置的图像；以及至少部分地基于针对所述上游位置和下游位置中的至少一个测量的尺寸，利用至少一个自适应光学器件校正所述激光束的波前，所述至少一个自适应光学器件位于所述激光束中且在所述激光束和所述诊断光束之间的分流点的上游。19.根据权利要求18所述的方法，其中，每个所述中场位置从标称束腰位置移位所述激光束相对于所述标称束腰位置的标称瑞利长度的90％到110％之间。20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，所述激光束具有第一束腰，所述方法还包括以下步骤：在位于所述至少一个自适应光学器件处的像平面处形成所述第一束腰的图像；在所述测量步骤中，测量所述诊断光束在相对于所述激光束的第一横轴上的所述上游位置和下游位置中的所述至少一个处的第一横向尺寸；以及在所述校正步骤中，调整第一自适应镜以保持所述上游位置和下游位置中的所述至少一个的第一横向尺寸的标称值，从而将所述激光束的第二束腰在所述第一横轴上的位置稳定到所述像平面。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一束腰在非线性晶体中并且所述校正步骤在所述非线性晶体中存在所述激光束的波前变形的情况下稳定所述第二束腰的位置。22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述测量步骤包括以下步骤：使用沿着所述诊断光束串联布置的两个分束器，将所述诊断光束的两个不同的相应部分引导到单个图像传感器上的两个不同的相应位置，使得图像传感器分别在所述上游位置和所述下游位置处截取所述两个不同的相应部分；以及从由所述图像传感器捕获的图像中提取所述诊断光束在所述上游位置和所述下游位置中的每一个处的尺寸。23.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：在所述测量步骤中，测量所述诊断光束在相对于所述激光束在第二横轴上的所述上游位置和下游位置中的每一个处的第二横向尺寸，所述第二横轴正交于所述第一横轴；以及在所述校正步骤中，调整第二自适应镜以保持所述上游位置和下游位置处的所述第二横向尺寸的标称值，以将所述激光束的第二束腰在所述第二横轴上的位置稳定到所述像平面。24.根据权利要求18至23中任一项所述的方法，其中：聚焦元件执行使所述诊断光束聚到焦点的步骤；所述测量步骤还包括测量所述诊断光束在所述聚焦元件的焦平面处的尺寸的步骤；并且所述校正步骤进一步使所述波前的校正基于在所述焦平面处测量的所述诊断光束的尺寸。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述校正步骤调整多个自适应光学器件以保持所述激光束的预定束腰尺寸和远场发散度。26.根据权利要求25所述的方法，还包括以下步骤：通过在非线性晶体中变频来产生所述激光束；以及对所述多个自适应光学器件上游的所述激光束进行整形，该整形配置成在不存在所述非线性晶体导致的波前变形的情况下实现所述激光束的预定束腰尺寸和远场发散度；其中所述校正步骤赋予额外的整形以对所述非线性晶体导致的波前变形的存在进行校正。27.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，其中：所述测量步骤在相对于所述激光束的第一横轴上测量所述诊断光束在所述上游位置和下游位置中的所述至少一个和所述焦平面中的每一个处的第一横向尺寸；并且所述校正步骤基于所述第一横向尺寸来调整串联布置的第一对自适应镜，以保持(a)所述激光束在第一横轴上的束腰的预定位置，以及(b)所述束腰在所述第一横轴上的预定尺寸。28.根据权利要求27所述的方法，其中：所述测量步骤进一步在相对于所述激光束的第二横轴上测量所述诊断光束在所述上游位置和所述下游位置中的所述至少一个和所述焦平面中的每一个处的第二横向尺寸，所述第二横轴正交于所述第一横轴；并且所述校正步骤进一步基于所述第二横向尺寸来调整串联布置的第一对自适应镜，以保持(a)所述激光束在所述第二横轴上的束腰的预定位置，以及(b)所述束腰在所述第二横轴上的预定尺寸。29.根据权利要求24至28中任一项所述的方法，其中，所述测量步骤包括以下步骤：使用串联布置的三个分束器，将所述诊断光束的三个不同的相应部分引导到单个图像传感器上的三个不同的相应位置，使得所述图像传感器分别在所述上游位置、所述焦平面和所述下游位置处截取所述三个不同的相应部分；以及从由所述图像传感器捕获的图像中提取所述诊断光束在所述上游位置、所述焦平面和所述下游位置中的每一个处的尺寸。30.根据权利要求24至29中任一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述测量步骤中，监测所述诊断光束在焦平面处的高阶横模特性；以及在所述校正步骤中，进一步根据所述高阶横模特性来调整所述至少一个自适应光学器件。

技术总结
用于校正激光束(180)的波前(182)的系统包括：分束器(120)，用于分离激光束(180)的部分以用作诊断光束(180D)；聚焦元件(140)，用于将诊断光束(180D)聚到焦点；测量子系统(150)，用于测量诊断光束(180D)在相对于焦点的标称位置的上游和/或下游位置的尺寸；以及至少一个自适应光学器件(110)，位于分束器(120)的上游，用于至少部分地基于诊断光束(180D)在上游和/或下游位置的测量尺寸来校正激光束(180)的波前(182)。上游位置(152(1))和下游位置(152(2))对应于由聚焦元件(140)成像的激光束(180)中的中场位置。该系统利用了激光束尺寸对束腰位置偏移的敏感性在距标称束腰位置一个瑞利长度处最大。个瑞利长度处最大。个瑞利长度处最大。


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：相干激光系统有限公司
技术研发日：2021.11.03
技术公布日：2023/9/23