光学元件“缺陷”对助推放大级光束质量的影响

　　高功率固体激光装置的负载能力是限制装置总体能量输出的主要因素之一,它决定于光束质量和光学元件等因素。而光束质量和光学元件又紧密关联:光束质量变差会导致光学元件产生损伤,光学元件上的“缺陷”又会对光束引入大量的中高频调制,降低光束质量[1]。为综合考虑,这里的“缺陷”不仅包含损伤,也包含光学元件上的杂质、划痕、灰尘、以及亚表面缺陷等。目前,国内外广泛报道了“缺陷”对近场的影响[2-6],这些研究主要是针对宏观可见的“缺陷”引入的畸变在传输过程中的演化,因为它们的数目少,并且和光强的分布具有对应关系,因此可进行追踪;但实际的光学元件存在更多的是μm量级的“缺陷”,它们数目巨大,单个的研究将失去意义,需要统计分析它们的影响,这在国内外很少有报道。助推放大级作为最后一级放大器,其光束能量相当高,非线性效应非常严重,同时其出射光将直接进入终端光学系统,而终端光学组件的损伤风险远大于基频光段[7],这些都对助推放大级输出光的近场均匀性提出了严格的要求。因此亟需对助推放大段的光学元件“缺陷”分布提出指标,降低助推段光学元件和终端光学组件的损伤风险,以保证进入终端系统的光束质量能满足负载要求。

　　本文通过统计分析,建立了助推放大器段光学元件上μm到100μm量级的振幅调制型“缺陷”统计模型。考虑光束在助推放大级的传输,研究了“缺陷”模型的统计参量和输出光束近场质量的关系,为确定光学元件的“缺陷”指标提供依据。

　　1　振幅调制型“缺陷”统计模型的建立

　　对实际光学元件的现场观测及理论研究发现[8],灰尘、污染物以及体内吸收杂质等“缺陷”都会吸收入射激光的能量,影响元件的透过率,它们相当于挡光点,只对光束振幅引入调制。这样的“缺陷”数目多,采用统计方法能得到合理的结果。而纯相位型“缺陷”的数目相对很少,对少数的“缺陷”采用统计方法没有太大的意义,同时为简便起见,本文只针对振幅调制型“缺陷”进行统计研究。

　　光学元件各种“缺陷”的测试结果和物理机理都显示:“缺陷”密度与“缺陷”尺寸密切相关,尺寸越小密越大[8-10]。因此,将对光学元件μm尺度的振幅调制型“缺陷”模型作如下假设:

　　(1)“缺陷”的位置随机离散分布。

　　(2)“缺陷”的形状为矩形。

　　(3)“缺陷”的振幅透过率为高斯型。与实际比较,这比以往的全挡光点更为合理[8],设透过率函数t(x,y)表示为