CN100573228C - 一种利用变形镜实现光束自动整形的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，由激光器、望远镜、变形镜、CCD相机、D/A转换卡、高压放大器、变密度衰减盘、主控计算机、图像采集卡、聚焦透镜、遗传控制算法组成，本发明利用遗传算法控制变形镜，通过改变激光光束的近场波面的相位分布，从而达到改变其远场光斑形态的目的，在不需要计算出远场光斑形状与近场相位的关系式的前提下，能够实现激光光束整形；不仅可以把高斯激光光束整形成超高斯光束、方形光束等实际应用中需要的光束，还能够实现对激光光束中包含的静态和准静态像差的有效校正。本发明具有结构简单，通用性强，实现容易的优点，能够应用在对激光光束形状有特定要求的场合，可以大大扩大激光的应用领域。

Description

一种利用变形镜实现光束自动整形的装置

技术领域

本发明涉及一种自适应光学装置，是一种利用压电陶瓷变形镜对连续激光器的光束进行自动整形的自适应光学装置。

背景技术

自激光器问世以来，已经广泛的应用在许多领域，在大多数领域，仅仅要求激光器输出质量良好的激光束；但是，在某些特定领域，对激光器输出光束的形状还有特殊要求。一般来说，一束理想高斯光束的远场焦斑在一倍衍射极限内的能量仅为总能量的84％，在它的旁瓣内还有约16％的总能量，事实上，旁瓣的存在常常会影响激光光束在某一些领域的成功应用。与高斯光束相比，超高斯光束，方形光束等形状的光束有较少的旁瓣效应，这类形态的光束在一些工业场合的应用有其特有的优势，例如在信息处理，激光全息照相，激光加工及热处理，珠宝首饰加工，特殊光学材料的制作等等领域，就要求激光光束呈方型均匀分布，或呈超高斯分布等。

通常情况下，一台激光器输出的光束即便不含有任何像差，最好情况也只能输出单模的高斯分布，所以要想得到特定的非高斯分布，必须对激光器的输出光束进行有针对的整形。现在，大多利用衍射光学元件(DOE)对激光光束进行整形，用来设计这些衍射光学元件的方法有很多，但其理论主要有几何理论和标量理论。利用几何理论具有计算直接，计算量较小的优点，当所需要的目标图样比较简单时候，可以利用几何理论设计DOE，但是当所需要的目标图样比较复杂时，利用几何理论的推导过程就特别复杂，这时，利用标量理论就比较方便，因为标量理论大多是循环迭代方法，不用推导出DOE的输出输入关系式。目前最多的算法大多基于标量理论的，例如比较著名的Y-G算法，Gerchberg-Saxton算法等，详情参见“Efficient beamshaper homogenierdesign combing diffractive optical elements，microlens array and randomphase plate pure”，KOPP C.Appl Opt.P 398-403 1999(1)和“Gerchberg-Saxton and Yang-Gu algorithms for phase retrieval in anonunitary transform system：a comparison”，Yang G zh，Dong B Zh，Gu B Yetal.Appl Opt.P 209-218.1994，33(2)。这类算法多基于相位反演的原理，即利用激光光束远场的焦斑信号通过迭代运算，找出激光近场波面分布的情况。但是，以上标量理论也好，几何理论也罢，都主要是采用各种算法设计光学衍射元件(DOE)，本质上来说，并没有突破利用光学衍射元件整形光束的范畴，而且，光学衍射元件是一种静态器件，对有含有动态像差的光束不能实现整形。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有的各种对激光器光束整形方法的不足，提供一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，它采用变形镜作为整形元件，不仅能够对理想高斯光束进行整形，还能对含有静态或动态像差的光束进行整形。

本发明的技术解决方案是：一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，其特征在于包括：主控计算机、变密度衰减盘、变形镜、高压放大器、CCD相机、图像采集卡、聚焦透镜、D/A转换卡、望远镜、以及基于遗传算法的控制软件系统。激光器的输出光束被望远镜扩大到与变形镜的口径相匹配，该光束经过变形镜反射，并经过变密度衰减盘衰减后入射到聚焦透镜，再被聚焦透镜汇聚到焦平面上的CCD相机的靶面之上，主控计算机内的图像采集卡将CCD相机靶面上的光斑信号采集下来，利用此信号与预先储存在主控计算机中的目标光斑信号在对应像素点上作绝对差运算，绝对差运算的均方根作为遗传算法要优化的目标函数，同时也作为遗传算法的适应度函数，执行主控计算机内的基于遗传算法的控制程序，把经过迭代运算得出的多路数字电压，经过D/A转换卡转换成模拟电压信号，该信号再经过高压放大器放大，施加在变形镜的驱动器上，使变形镜朝着让目标函数优化的方向发生形变，当目标函数即绝对差运算的均方根最小(为零)时，激光器的输出光束就可以整形成预先设定的目标光束。

所述的变形镜为镀高反射膜系的反射式变形镜，它靠镜面背后的压电陶瓷驱动器推动来发生相应形变：施加正电压，发生正变形，施加负电压，产生负变形，因此变形镜能够产生正负波前校正量，它主要由薄反射镜面，压电陶瓷驱动器，基板和电极引线组成，基板主要用来支撑压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的一端与基板相连，另一端与薄反射镜面相连，电极引线也连接在压电陶瓷驱动器上，通过基板上的通孔引出去，与控制系统中的高压放大器相连，为压电陶瓷驱动器产生伸缩从而推动薄镜面发生形变提供相应的电压。

所述的遗传算法是一种全局寻优算法，它以待整形激光光束的焦斑形状与目标焦斑形状的绝对差运算的均方根作为适应度函数，利用此函数作为遗传算法优化的目标函数。遗传控制算法的步骤如下：

(1)遗传算法的第一步是初始化种群，其中，种群由一定数量的个体组成，每个个体对应于优化问题的一个可能解，本发明中每个个体分别对应一个变形镜面形，变形镜面形由变形镜后面驱动器上施加的电压值决定。

(2)初始化种群后，就要对种群中个体进行编码操作，个体可以通过二进制编码，也可以通过实数编码，编码后的个体称之为染色体。本发明采用实数编码的编码方式。

(3)编码后，计算每个镜面个体的适应度，适应度是用来衡量种群中每个个体可能达到或接近于最优解的优良程度，个体适应度越大，就越逼近最优解，它被选出参与后期交叉操作与变异操作的概率就越大，本发明以待整形激光光束的焦斑形状与目标形状的绝对差运算的均方根作为适应度函数，利用此函数作为遗传算法优化的目标函数。

(4)在各个个体的适应度被计算出来以后，根据与适应度成正比例的原则，遗传算法再依据轮盘赌方式进行选择操作，然后再按照一个在0.5-0.99之间的交叉概率p_c对种群中被选择出来的的个体两两进行交叉操作，紧接着再按照一个在0.001-0.9之间的变异概率p_m对种群中的部分个体本身进行变异操作。选择、交叉和变异操作是遗传算法的三个最主要的操作，它们一起决定了遗传控制算法的全局寻优性能和收敛能力。

(5)遗传算法经过以上4个步骤执行一次，就会产生一个新的种群，每一个新的种群称为一代。遗传算法不断迭代执行以上4个步骤，直到算法终止条件满足，此时，找到的个体就对应于最大适应度的那个镜面面型，该面型就整形光束的所需的最好面型。

所述的主控计算机为工控计算机，它既用为主要控制设备，又是执行遗传算法的核心器件，还是整形结果的显示终端。

所述的CCD相机的响应波段频谱很广，从浅紫外光到近红外光都能相应，而且，量子效率高，可以很好的对较弱的光强进行响应，且所采用的相机是一种高速相机，采样速率达到千帧每秒。

所述的激光器的种类不局限于某一类，可以是连续激光器，也可以是脉冲激光器，可以是固体激光器，也可以是气体激光器等。

本发明的原理是：利用变形镜作为整形器件，对激光器的输出光束进行整形：把激光器输出光束在远场CCD相机上的焦斑信号，与预先储存在主控计算机中的目标光斑信号在对应像素点上作绝对差运算，绝对差运算的均方根作为遗传算法要优化的目标函数，同时也作为遗传算法的适应度函数，执行主控计算机内的基于遗传算法的控制算法，把经过迭代运算得出的多路数字电压，经过D/A转换卡转换成模拟电压信号，该信号再经过高压放大器放大，施加在变形镜的驱动器上，使变形镜朝着让目标函数优化的方向发生形变，当目标函数即绝对差运算的均方根最小时，激光器的输出光束就可以整形成预先设定的目标光束。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明利用遗传算法控制变形镜，通过改变激光光束的近场波面的相位分布，从而达到改变其远场光斑形态的目的，在不需要计算出远场光斑形状与近场相位的关系式的前提下，能够实现激光光束整形，在变形镜的容许变形范围内，可以把高斯激光光束整形成超高斯光束、方形光束等实际应用中需要的光束，不仅如此，还能够实现对激光光束中包含的静态和准静态像差的有效校正。

(2)本发明采用的变形镜为镀高反射膜系的反射式变形镜，这种变形镜谐振频率高(10⁴Hz级)，响应时间快(微秒级)，非线性滞后小(＜±3％)，动态行程范围大(几个微米)，能承受高功率密度激光(达数千瓦/厘米²)，它不仅能够校正低阶像差，也能校正高阶像差，并且对近红到浅紫波段的光线都有校正效果。

(3)本发明所采用的遗传算法是一种模仿自然界生物适者生存进化原理的全局搜索算法。目前已经用在自适应光学系统中的爬山法的最大缺点是它的搜索每次都是从一个点开始，是个串行的过程，容易使搜索陷于局部最优值。而本发明所采用的遗传算法的搜索是从一个种群开始，搜索空间更大，并且具有内在并行性，只要参数选择得当，算法能以百分之百的概率搜索到问题的全局最优值，因此能确保望远镜系统的各种像差得到完全校正。

(4)本发明只通过变形镜和遗传算法，在硬件上没有大的改变，而且主控计算机为工控计算机，它既用为主要控制设备，又是执行遗传算法的核心器件，还是整形结果的显示终端，因此能够保证系统的准实时控制能力，同时也提高了系统的集成化水平，还具有结构简单，通用性强，实现容易的优点，能够应用在对激光光束形状有特定要求的场合，可以大大扩大激光的应用领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的变形镜的结构图；

图3为本发明采用的控制算法即遗传算法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明利用变形镜实现光束自动整形的装置主要包括激光器1、望远镜2、变形镜3、变密度衰减盘4、聚焦透镜5、CCD相机6、主控计算机7以及内置其内的图像采集卡、基于遗传算法的控制软件，高压放大器8及内置其内的D/A转换卡组成，激光器1输出光束被望远镜2扩大到与变形镜3的口径相匹配，该光束经过变形镜3反射后再被变密度衰减盘4衰减，然后入射到聚焦透镜5，并被汇聚到焦平面上的CCD相机6的靶面之上，主控计算机7内的图像采集卡将CCD相机6上的光斑信号采集下来，利用此信号与预先储存在主控计算机7中的目标光斑信号在对应像素点上作绝对差运算，绝对差运算的均方根作为遗传算法要优化的目标函数，同时也作为遗传算法的适应度函数，执行主控计算机7内的基于遗传算法的控制算法，把经过迭代运算得出的数字控制电压，经由高压放大器8内的D/A转换卡转换成模拟信号，该信号再经过高压放大器8放大，施加在变形镜3的驱动器上，使变形镜3朝着让目标函数优化的方向发生形变，当目标函数即绝对差运算的均方根最小时，激光器的输出光束就可以整形成预先设定的目标光束。

如图2所示，本发明的变形镜3为镀高反射膜系的反射式变形镜，该变形镜的变形是靠镜面背后的压电陶瓷驱动器的推动产生的，通过对驱动器上电极施加电压，使镜面产生变形。这种变形镜谐振频率高(10⁴Hz级)，响应时间快(可达微秒级)，非线性滞后小(＜±3％)，能承受高功率密度激光(达达数千瓦/厘米²)，动态行程范围大(几个微米)。

如图2所示的镀高反射膜系的反射式变形镜3主要由薄反射镜面31，压电陶瓷驱动器32，基板33和电极引线34组成，变形镜3是一种连续镜面变形镜，连续镜面具有拟合误差小，光能损失少，能保持波前相位连续的优点。所采用的压电陶瓷驱动器32的位移分辨率很高，控制很方便：给压电陶瓷驱动器施加电压，利用逆压电效应就可以产生位移。由于单片压电陶瓷片在数百伏的电压下也只能产生0.1～0.2微米的变形，所以，压电陶瓷驱动器32由很多压电陶瓷片叠加而成，各个陶瓷片在电路上是并联的而变形量是叠加的，这样就可以增大变形镜3的变形量。基板33主要用来支撑压电陶瓷驱动器32，多个压电陶瓷驱动器32的一端与刚性基板33相连，另一端与薄反射镜面31相连，电极引线34连接在各个驱动器上，通过基板33上的通孔引出去，与控制系统中的高压放大器8相连，为压电陶瓷驱动器32产生伸缩从而推动薄反射镜面31发生形变提供相应的电压。

图3是本发明的所用控制算法即自适应遗传算法的执行流程图。如图3所示：遗传算法首先产生一个初始种群，种群包含一定数量的变形镜面形个体。由于实数编码的方法可以提高遗传算法的运算效率，改善遗传算法的复杂性，所以采取实数编码的方式对各个面型个体编码。各个个体可用下面的形式表示：

V_i＝[v₁v₂，...，v_n](i＝1，2，...，M)    (1)

其中，V_i表示种群中的一个镜面面型个体，对应于遗传算法的一个染色体，M表示种群的规模；v_j(j＝1，2，...n)是实数，代表的是次镜1驱动器上施加的电压值，它们又分别对应遗传算法的一个基因位，取值在[v_min v_max]之间，v_min代表最小电压，v_max代表最大电压，n是变形镜上驱动器的个数。根据整形精度要求，可以选择不同驱动器数量的变形镜。

激光器首先发出一束光束，被聚焦透镜焦平面上CCD相机的靶面接收，焦斑信号被采集到主控计算机，利用此信号，计算出在各个变形镜面型个体作用下对应的绝对差运算的均方根，以之作为遗传算法的适应度函数。

选择操作采用轮盘赌的选择策略，轮盘赌选择是与适应度函数成正比的选择方式，为了采用这一原则，本发明对适应度函数作如下变换：

设在变形镜动作下在CCD上产生的焦斑为F_DM，而目标图像为F_target，则，绝对差函数的均方根为：

$F=\sqrt{\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(F_{t\arg \mathrm{et}}(x,y)-F_{\mathrm{DM}}(x,y))}^2}---\left(2\right)$

(2)式中的F_target是目标图像的表达式，例如若目标图像是超高斯图像，则有：

F_target＝exp[-(a(x-x₀))^M-(b(y(y-y₀))^N)](M＝N＞2)    (3)

其中x，y为目标图像上的坐标，x₀，y₀为目标图像的中心坐标：

$x_0=\frac{\mathrm{\Σ}{X}_i{I}_i}{\mathrm{\Σ}{I}_i}$ $y_0=\frac{\mathrm{\Σ}{Y}_i{I}_i}{\mathrm{\Σ}{I}_i}---\left(4\right)$

(4)中X_i，Y_i，是目标图像上第i个像素的横纵坐标，i是目标图像上第i个像素的光强值。

F′＝C-F    (5)

其中C是一个选取的大于F的正实数，通过(5)式变换，使得F’非负，因为轮盘赌的选择策略需要适应度函数非负，且个体适应度越大，被选择的概率就越高，所以F’越大，也即F越小，其对应个体被选择到的可能性就越大，故经过(5)式变换，采用F’作为遗传算法的适应度函数，可以很好的利用轮盘赌选择策略。

交叉操作是遗传算法产生新个体的主要方式，本发明采用单点算术交叉的的方式，它通过对父代的两个镜面面形个体发生互换部分基因的方式来产生新的个体，交叉率为p_c，其取值一般在0.5-0.99之间。交叉操作的具体过程如下：

设要交叉的两个变形镜面型个体分别为V₁，V₂，则经过交叉产生的两个新面型个体V1’，V2’由下面等式产生：

V₁’＝λ1.V₁+λ2.V₂    (6)

V₂’＝λ1.V₂+λ2.V₁    (7)

(6)，(7)式样中，参数λ1+λ2≤2且0＜λ1，0＜λ2

变异操作是决定遗传算法局部搜索能力的操作方式，它是产生新个体的辅助方式，本发明采用非均匀变异算子。具体实现方式如下：设某一代中变异率P_m确定出的要进行变异的次镜1的面型为V_i＝[v₁v₂...，v_k...，v_n]，变异位为v_k，则经过变异后新个体为V’_i＝[v₁v₂...，v’_k...，v_n]，新基因位v_k’由下式获得：

v_k’＝v_k-Δ(t，v_k-v_kmin)    (8)

(8)式中，v_kmin是v_k可取的下限值，函数Δ(t，y)返回一个在[0，y]区间内的值，可用以下式子描述：

Δ(t，y)＝y.r(1-t/T)^a    (9)

(9)式中，r是个在[0，1]内的随机数，T是遗传算法总的迭代次数，t代表算法执行代数，a是个权重因子，由(9)式可知，当t趋近于T时Δ(t，y)趋近于零。变异率P_m的取值范围一般为0.001-0.9。

遗传算法经过适应度计算、选择、交叉、变异一系列操作后就要判定一次算法是否达到终止条件，如果不满足终止条件，则进入到下一代重复迭代计算，再一次进行各种遗传操作；如果满足终止条件则结束算法，找到对应于最大适应度的那个镜面面型，该面型就整形光束的所需的最好面型。遗传算法的终止条件可以用用算法执行的总次数，或者连续两代种群中个体平均适应度的相对变化量来判定。本发明采用后一种判定方式。设F(t+1)和F(t)分别代表第t代和第t+1代种群个体的平均适应度，则判定条件可以表示为：

(F(t+1)-F(t))/F(t)≤δ    (10)

(10)式中，δ是个可以根据算法精度要求而预先设定的非常小的正实数。

Claims (8)

1、一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，其特征在于：主要包括激光器、望远镜、变密度衰减盘、变形镜、聚焦透镜、CCD相机、主控计算机以及内置其内的图像采集卡、基于遗传算法的控制软件，高压放大器及内置其中的D/A转换卡，激光器输出光束被望远镜扩大到与变形镜的口径相匹配，该光束经过变形镜反射，再经过变密度衰减盘衰减后入射到聚焦透镜，然后被汇聚到焦平面上的CCD相机的靶面之上，主控计算机内的图像采集卡将CCD相机靶面上的光斑信号采集下来，利用此信号与预先储存在主控计算机中的目标光斑信号在对应像素点上作绝对差运算，绝对差运算的均方根作为遗传算法要优化的目标函数，同时也作为遗传算法的适应度函数，执行主控计算机内的基于遗传算法的控制算法，把经过迭代运算得出的数字控制电压，经由高压放大器内的D/A转换卡转换成模拟信号，该模拟信号再经过高压放大器放大，施加在变形镜的驱动器上，使变形镜朝着让目标函数优化的方向发生形变，当目标函数即绝对差运算的均方根最小时，激光器的输出光束就可以整形成预先设定的目标光束；所述的遗传算法是一种内含并行机制的全局寻优算法，它以待整形激光光束的焦斑形状与目标形状的绝对差运算的均方根作为适应度函数，利用此函数作为遗传算法优化的目标函数，所述遗传算法的实现如下：

(1)初始化种群，其中，种群由一定数量的个体组成，每个个体对应于优化问题的一个可能解，所述的每个个体分别对应一个变形镜面形，变形镜面形由变形镜背后驱动器上施加的电压值决定；

(2)初始化种群后，对种群中个体进行编码操作，所述编码操作采用实数编码的编码方式；

(3)编码后，计算每个镜面个体的适应度，所述适应度是用来衡量种群中每个个体可能达到或接近于最优解的优良程度，个体适应度越大，就越逼近最优解，它被选出参与后期交叉操作与变异操作的概率就越大，以待整形激光光束的焦斑形状与目标形状的绝对差运算的均方根作为适应度函数，利用此函数作为遗传算法优化的目标函数；

(4)在各个个体的适应度被计算出来以后，根据与适应度成正比例的原则，依据轮盘赌方式进行选择操作，再按照一个在0.5-0.99之间的交叉概率p_c对种群中被选择出来的的个体两两进行交叉操作，然后按照一个在0.001-0.9之间的变异概率p_m对种群中的部分个体本身进行变异操作；

(5)经过以上4个步骤执行一次，就会产生一个新的种群，每一个新的种群称为一代，不断迭代执行以上4个步骤，直到算法终止条件满足，此时，找到的个体就对应于最大适应度的那个镜面面型，该面型就是整形光束的所需的最好面型。

2、根据权利要求1所述的一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，其特征在于：所述的变形镜为镀高反射膜系的反射式变形镜，它靠镜面背后的压电陶瓷驱动器推动来发生相应形变：施加正电压，发生正变形，施加负电压，产生负变形，这个特性可以使变形镜产生正负波前校正量。

3、根据权利要求2所述的一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，其特征在于：反射式变形镜主要由薄反射镜面，压电陶瓷驱动器，基板和电极引线组成，基板主要用来支撑压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的一端与基板相连，另一端与薄反射镜面相连，电极引线也连接在压电陶瓷驱动器上，通过基板上的通孔引出去，与控制系统中的高压放大器相连，为压电陶瓷驱动器产生伸缩从而推动薄反射镜面发生形变提供相应的电压。

4、根据权利要求3所述的一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，其特征在于：所述的压电陶瓷驱动器由多个压电陶瓷片叠加而成，各个陶瓷片在电路上是并联的而变形量是叠加的。

5、根据权利要求1所述的一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，其特征在于：所述的CCD相机的响应波段频谱为宽谱段，从浅紫外光到近红外光，且量子效率高，很好的对较弱的光强进行响应。

6、根据权利要求1所述的一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，其特征在于：所述的CCD相机是高速相机，采样速率达到千帧每秒。

7、根据权利要求1所述的一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，其特征在于：所述的激光器是连续激光器，或脉冲激光器。

8、根据权利要求1所述的一种利用变形镜实现光束自动整形的装置，其特征在于：所述的主控计算机为工控计算机，它既用为主要控制设备，又是执行遗传算法的核心器件，还是整形结果的显示终端。

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