CN101614876A - 一种光束任意整形新方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光束任意整形新方法及装置，可用于将入射光束的光强整形成所需的分布，并且能够有效地补偿光强整形和光学系统自身所带来的光束波前相位变化。本发明采用双变形镜、双图像传感器结合随机并行梯度下降算法实现器件构成自适应闭环整形系统，由图像传感器实时检测整形后的光束的远场和近场光强分布信息，经算法控制器反馈控制变形镜，校正入射光束的光强分布和相位分布。本发明具有效率高、使用方便等优点。

Description

一种光束任意整形新方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光束任意整形新方法及装置，尤其是一种利用随机并行梯度下降算法实现激光光束任意整形的新方法及装置，可以在实现光束强度任意整形的同时，校正整形后光束的波前相位分布。

背景技术

在激光技术领域，通常对激光光束能量的分布有着较为严格的要求。如在激光材料的处理和加工、惯性约束核聚变(ICF)等领域通常要求激光束能量分布均匀，即平顶光束；而中心部分无能量分布的空心光束作为激光导管、光镊和光学扳手，目前已成为实现微观粒子(如微米粒子、纳米粒子和生物细胞等)精确操纵和控制的有力工具。通常激光器发出的激光束的空间强度分布呈高斯分布，即高斯光束。为此人们提出了许多光束整形的技术。目前比较常用的激光光束整形技术有设计二元光学元件(毛文炜，傅振海.实现灵活光束转换的二元光学器件及其应用.中国激光，1997，A24(4)：289～292)，光楔列阵聚焦光学系统(吕百达，蔡邦维，张彬.强激光的空间整形和靶面均匀辐照技术.红外与激光工程，1999，28(1)：25～28)，使用液晶空间光调制器(陈怀新，隋展，陈祯培.采用液晶空间光调制器进行激光光束的空间整形.光学学报，2001，21(9)：1101～1111)，使用双折射透镜组(叶一东，吕百达，蔡邦维.强激光的时间整形和空间整形———利用双折射透镜组实现激光束的空间整形.激光技术，1996，20(6)：324～328)等。其中二元光学元件具有衍射效率高、光斑轮廓可调的特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等功能，其质量水平受微精细加工技术发展水平的制约，目前二元光学元件的激光损伤阈值较低，在强激光系统的应用上还有困难。光楔列阵聚焦光学系统加工工艺简单，做成大口径、高抗光损阈值的器件没有材料和设备上的困难，但是实现均匀辐照的区域小，且容易出现干涉斑纹。使用振幅型液晶空间光调制器是一种实时、可调控的光束空间整形新方法，可方便地获得所需形状近场光束，但是激光损伤阈值较低，仅适用于高功率激光系统前级，并且系统能量利用效率比较低。使用双折射透镜组灵活方便，可以随着光束参数的变化灵活改变其透射率函数，而不像其他方法仅针对特定的光束参数而设计，但是双折射透镜组的加工制作比较困难，光能利用效率比较低。总体而言，目前常用的几种激光光束整形的方法均有各自的缺陷。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题和实现的复杂程度，本发明融合光强整形和波前相位校正于一体，提供了一种简单而有效的光束任意整形方法和装置。本发明利用随机并行梯度下降算法，采用双变形镜级联使用，分别用于校正光强和补偿相位分布，可以快速实现所需的光强分布，对实验环境和仪器设备没有特殊要求，无需专门设计二元光学器件或者双折射透镜组等，简化了系统组成。

本发明的技术解决方案是：

一种光束任意整形新方法，该方法包含下列步骤：

1、采用扩束或者缩束装置将需要整形的入射光束尺寸变换到和变形镜的尺寸相匹配。

2、入射光束经过第一面变形镜，第一面变形镜通过调制入射光束的相位分布，对入射光束进行空间强度整形，(在第二面变形镜处形成所需的光强分布)。由与第二面变形镜对称放置的图像传感器，探测整形后的光斑，并为系统提供光强空间整形评价函数。

3、光束入射第二面变形镜，第二面变形镜主要进行相位校正，补偿由于光强整形所带来的波前相位畸变和光学系统所带来的相位畸变。由图像传感器或者光电探测器，探测整形后的光束的远场光强分布，为系统提供相位校正评价函数。

4、利用随机并行梯度下降算法控制施加在双变形镜所有驱动器上的控制电压信号，直至光强空间整形评价函数和相位校正评价函数都取得全局极值，系统达到最优，校正过程结束。

本发明提供了一套光束任意整形装置。包括：激光器1，扩束镜2，第一面变形镜3，分束镜4，缩束镜5，图像传感器6，第二面变形镜7，分束镜8，聚焦透镜9，图像传感器10，算法控制器11。其中激光器1位于扩束镜2之前，第一面变形镜3位于扩束镜2之后，分束镜4位于第一面变形镜3和第二面变形镜7之间，缩束镜5位于分束镜4和图像传感器6之间，聚焦透镜9位于分束镜8和图像传感器10之间，算法控制器11与图像传感器6、图像传感器10、第一面变形镜3、第二面变形镜7连接。

激光器1出射激光经过扩束镜2扩束，入射第一面变形镜3，第一面变形镜3在算法控制器11的控制下对入射光束进行调制，调制后的光束经分束镜4，一部分采样光束经过缩束镜5进入图像传感器6，另一部分主光束入射第二面变形镜7，图像传感器6和第二面变形镜7与第一面变形镜3距离相同。由图像传感器6实时采集图像，并为系统提供光强空间整形评价函数。主光束经过第二面变形镜7调制后，经过分束镜8分束，一部分采样光束经过聚焦透镜9聚焦入射图像传感器10，图像传感器10实时采集图像，并为系统提供相位校正评价函数。第一面变形镜3和第二面变形镜7由算法控制器11进行控制，图像传感器6和图像传感器10探测结果输入算法控制器11，计算评价函数，并实时反馈控制变形镜。

图像传感器可以为CCD，CMOS等器件。变形镜可以为连续式变形镜，也可以为分离式变形镜。优化算法可以为随机并行梯度下降算法，模拟退火算法，遗传算法，爬山法，高频振动法等。采用双变形镜整形光束和补偿相位，可以先对光强进行整形，然后再对相位进行补偿，也可以光强整形和相位校正同时进行。算法控制器件可以是计算机，也可以是集成电路芯片。

随机并行梯度下降算法控制器件产生控制电压信息的过程为：

首先定义评价函数J₁(u₁₁，u₁₂，...u_1N)和J₂(u₂₁，u₂₂，...u_2M)分别作为光强整形评价函数和相位校正评价函数，(u₁₁，u₁₂，...u_1N)和(u₂₁，u₂₂，...u_2M)分别为作用于第一面变形镜3和第二面变形镜7上的控制电压信息，N和M分别为第一面变形镜3和第二面变形镜7的单元数目，为了保证光强整形和相位校正效果，理论上N和M越大越好。

假设I₁(x，y)为图像传感器6探测到的光强分布，I₀(x，y)为期望得到的光束能量分布，J₁可以定义为：

$J_1=\sqrt{\mathrm{\Σ\Σ}{(I_1(x,y)-I_0(x,y))}^2}$

或者为

$J_1=\frac{\mathrm{\Σ\Σ}[I_1(x,y)-{\stackrel{\‾}{I}}_1(x,y)]\×[I_0(x,y)-{\stackrel{\‾}{I}}_0(x,y)]}{\sqrt{\left[\mathrm{\Σ\Σ}{(I_1(x,y)-{\stackrel{\‾}{I}}_1(x,y))}^2\right]\×\left[\mathrm{\Σ\Σ}{(I_0(x,y)-{\stackrel{\‾}{I}}_0(x,y))}^2\right]}}$

其中I₁(x，y)和I₀(x，y)分别为I₁(x，y)和I₀(x，y)的平均值。当输出光束已经具备所需的能量分布特性时，J₁取全局极值。

假如I₂(x，y)为图像传感器10探测到得光强分布，J₂可以定义为：

J₂＝I_2，max/I_0，max

其中I_0，max为不存在波前畸变时图像传感器上理想远场光斑图像最亮点的光强值，I_2，max为光强整形后远场光斑图像最亮点的光强值。当输出光束已经具备所需的相位分布时，J₂取全局极值。

整个系统的评价函数可以取为如下形式：

J＝J₁/J₂

当输出光束已经具备所需的光强分布和相位分布时，J取全局极值。

在时间步长k时，随机并行梯度下降算法控制器11主动向第一面变形镜3和第二面变形镜7施加随机扰动电压(δu₁ ^k，...δu_j ^k，...)，δu_j ^k是服从统计规律的随机变量，满足 $<{\mathrm{\&delta;u}}_j^k{\mathrm{\&delta;u}}_i^k>={\mathrm{\&sigma;}}_1^2{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{ji}}$ 且 $<{\mathrm{\&delta;u}}_j^k>=0,$ 其中δ_ji是Kronecker符号。随机扰动电压可以由计算机产生，也可以是集成电路芯片产生。在随机扰动电压后，随机并行梯度下降算法控制器11根据接收到信息计算此时因随机扰动带来的评价函数J变化量：

${\mathrm{\&delta;J}}^k=J(u_1^k+{\mathrm{\&delta;u}}_1^k,...u_j^k+{\mathrm{\&delta;u}}_j^k,...u_N^k+{\mathrm{\&delta;u}}_N^k...)-J(u_1^k,...u_j^k,...u_N^k...)$

根据评价函数J变化量更新(u₁，...u_j，...u_N)，作为下一时刻作用于变形镜的控制电压信息(u₁ ^k+1，...u_j ^k+1，...u_N ^k+1...)，更新准则为：

$u_j^{k+1}=u_j^k-\mathrm{\&gamma;}{\mathrm{\&delta;J}}^k{\mathrm{\&delta;u}}_j^k$

上式中γ是人为定义的权重系数向量，依据系统的实际运行情况而定。

为了保证算法的控制效果，在实际系统中，也可以进行双边扰动，此时

${\mathrm{\&delta;J}}^k=J(u_1^k+{\mathrm{\&delta;u}}_1^k,...u_j^k+{\mathrm{\&delta;u}}_j^k,...u_N^k+{\mathrm{\&delta;u}}_N^k...)-J(u_1^k-{\mathrm{\&delta;u}}_1^k,...u_j^k-{\mathrm{\&delta;u}}_j^k,...u_N^k-{\mathrm{\&delta;u}}_N^k...)$

控制电压的更新准则不变，仍为

$u_j^{k+1}=u_j^k-\mathrm{\&gamma;}{\mathrm{\&delta;J}}^k{\mathrm{\&delta;u}}_j^k$

通过向变形镜施加随机扰动电压，算法控制器实时计算评价函数J变化量，能够不断更新施加在变形镜上的控制电压信息，直至评价函数J取全局最优值，对应光束整形和相位校正完毕。评价函数J的选取与所需的能量分布特性有关，因此这种方法可以实现光束的任意整形。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1、本发明提出的激光光束整形方法简单易行，对实验环境和仪器设备没有特殊要求，不需要进行二元光学器件或双折射透镜组的设计与计算，简化了系统的构成。

2、本发明提出的激光光束整形方法适用范围广，理论上可以将任意光强分布入射光束整形成为任意能量分布的光束。

3、本发明提出的激光光束整形方法，集光束整形和相位校正于一体，可以在快速实现光束整形的同时校正相位分布。

附图说明

图1为光束整形系统结构原理示意图。

图2为单光电探测器远场探测系统结构原理图。

图3为双光电探测器远场探测系统结构原理图。

具体实施方式

如图1所示，整个系统由待整形激光器1，扩束镜2，第一面变形镜3，分束镜4，缩束镜5，图像传感器6，第二面变形镜7，分束镜8，聚焦透镜9，图像传感器10，算法控制器11组成。其中激光器1位于扩束镜2之前，第一面变形镜3位于扩束镜2之后，分束镜4位于第一面变形镜3和第二面变形镜7之间，缩束镜5位于分束镜4和图像传感器6之间，聚焦透镜9位于分束镜8和图像传感器10之间，算法控制器11与图像传感器6、图像传感器10、第一面变形镜3、第二面变形镜7连接。

1、首先搭建如图1所示的平台，激光器1出射激光经扩束镜2扩束后入射到第一面变形镜3上面，第一面变形镜3在算法控制器11的控制下对入射光束进行调制。经第一面变形镜3反射后的光束经分束镜4分束，一部分采样光束经缩束镜5入射图像传感器6，图像传感器6和第二面变形镜7相对于第一面变形镜3对称放置(两位置处具有相同的光强分布)，由图像传感器6实时采集图像，为算法控制器11提供整形后光束的光强分布信息。

2、主光束入射第二面变形镜7，第二面变形镜7在算法控制器11的控制下对入射的光束进行调制。经第二面变形镜7反射后的光束经分束镜8分束，一部分采样光束经聚焦透镜9聚焦后入射图像传感器10，图像传感器10实时采集远场光强分布信息，并实时反馈给算法控制器11。变形镜为连续面型、分离面型中的一种。

3、算法控制器11根据图像传感器6和图像传感器10反馈回的信息，生成控制电压信息，并将此信息传回第一面变形镜3和第二面变形镜7。

4、系统重复执行上述过程，经过一定得时间后，算法控制器产生的控制电压信息将趋于恒定不变，评价函数J取全局极值，表明光束整形完毕，输出光速的光强分布和相位分布已经满足要求。

光束整形探测装置可以为CCD或者CMOS。相位校正的远场探测装置为CCD、CMOS或者光电探测器，所使用的探测方案可以为如图1所示由聚焦透镜9和图像传感器10构成检测系统，也可以为如图2和图3所示的结构。图2所示整形后经变形镜7调制后的光束经透镜9聚焦，然后入射针孔12，透过针孔的光束入射光电探测器13，评价函数为透过小孔后光电探测器13探测的能量。图3所示整形后经变形镜7调制后的光束经透镜9聚焦，经分束镜14分束，一部分光束入射光电探测器17，另一部分光束经过针孔15后入射光电探测器16。评价函数为光电探测器16和光电探测器17探测能量之比。针孔的大小应小于或者等于无波前畸变光束远场爱丽斑大小。

Claims (7)

1、一种光束任意整形新方法及装置，该方法包含下列步骤：

①、采用扩束或者缩束装置将需要整形的光束尺寸变换到和变形镜的尺寸相匹配。

②、入射光束经过第一面变形镜，第一面变形镜通过调制入射光束的相位分布，对入射光束进行空间强度整形，在第二面变形镜处形成所需的光强分布，由与第二面变形镜对称放置的图像传感器探测整形后的光斑分布，并为系统提供光强空间整形评价函数。

③、光束入射第二面变形镜，第二面变形镜主要进行相位校正，补偿由于光强整形所带来的波前相位变化和光学系统自身所带来的相位畸变。由图像传感器或者光电探测器，探测整形后的光束的远场光强分布，为系统提供相位校正评价函数。

④、利用随机并行梯度下降算法控制施加在双变形镜所有驱动器上的控制电压信号，直至系统的性能评价函数达到最优，也即光强空间整形评价函数和相位校正评价函数都取得全局极值，系统达到最优，校正过程结束。

2、根据权利要求1所述的一种光束任意整形新方法及装置，其特征在于所使用的优化算法为随机并行梯度下降算法、模拟退火算法、遗传算法、爬山法、高频振动法中的一种。

3、根据权利要求1所述的一种光束任意整形新方法及装置，其特征在于采用双变形镜整形光束和补偿相位，可以先对光强进行整形，然后再对相位进行补偿，也可以光强整形和相位校正同时进行。

4、根据权利要求1所述的一种光束任意整形新方法及装置，其特征在于该装置包括：激光器(1)、扩束镜(2)、第一面变形镜(3)、分束镜(4)、缩束镜(5)、图像传感器(6)、第二面变形镜(7)、分束镜(8)、聚焦透镜(9)、图像传感器(10)、算法控制器(11)，其中激光器(1)位于扩束镜(2)之前，第一面变形镜(3)位于扩束镜(2)之后，分束镜(4)位于第一面变形镜(3)和第二面变形镜(7)之间，缩束镜(5)位于分束镜(4)和图像传感器(6)之间，聚焦透镜(9)位于分束镜(8)和图像传感器(10)之间，算法控制器(11)与图像传感器(6)、图像传感器(10)、第一面变形镜(3)、第二面变形镜(7)连接。

5、根据权利要求1所述的一种光束任意整形新方法及装置，其特征在于算法控制器件可以是计算机，也可以是集成电路芯片。

6、根据权力要求1所述的一种光束任意整形新方法及装置，其特征在于所使用的光束整形探测装置为CCD、CMOS的一种；相位校正的远场探测装置为CCD、CMOS和光电探测器中的一种。

7、根据权利要求1所述的一种光束任意整形新方法及装置，其特征在于变形镜为连续面型、分离面型中的一种。

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