CN102944932A - 激光聚焦光斑控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光光束控制技术领域，具体涉及一种激光聚焦光斑控制方法及装置。该激光聚焦光斑控制方法，包括步骤：S1.提取激光光束的光强分布信息以及波前信息；S2.根据所述光强分布信息以及波前信息，计算对激光光束的最佳补偿波前；S3.根据所述最佳补偿波前补偿激光光束的波前，从而使激光聚焦光斑得到控制。本发明的激光聚焦光斑控制方法由于同时利用光强分布信息和波前信息而得到最佳补偿光强，因此能够根据不同的激光光强状态，控制对激光光束补偿的理想波前。

Description

激光聚焦光斑控制方法及装置

技术领域

本发明涉及激光光束控制技术领域，具体涉及一种激光聚焦光斑控制方法及装置。

背景技术

激光自1960年问世至今，得到了空前的发展，由于其亮度高、单色性好、准直和聚焦性能好，已在科学研究、军事国防、工业加工、天文观测和信息传播等领域得到了广泛的应用。

在实际应用当中，由于激光的聚焦性能好，可以很容易得到微米级甚至纳米级的聚焦光斑，因此聚焦后的激光光束被广泛的应用于激光切割、激光焊接、激光打孔、激光打标以及激光医疗等操作中；此外，超高功率的激光光束经过聚焦后还被用在惯性约束核聚变中。

从波动光学的角度，任何光束都可以描述为光场，以复振幅的形式给出，主要包含光强项和相位项：

不同形式的光场对应的激光光束聚焦能力就会有所不同，因此激光的聚焦性能同时受到激光光强分布和波前畸变的影响。

现有技术的一种激光聚焦光斑的控制方法中利用SPGD算法（随机并行梯度下降法算法）对激光光束的远场聚焦光斑进行闭环控制；利用该方法可以有效的优化聚焦在靶材上的光斑，但该方法是在默认补偿激光光束的目标光强分布为均匀分布的前提下提出的，由于没有考虑光强项，如果激光的光强分布中存在不均匀因素，单一的评价函数设定很容易使闭环过程进入局部最优求解而无法实现全局最优，造成激光聚焦光斑无法得到很好的控制。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种能够在激光光强分布中存在不均匀因素时，仍然能够得到全局最优的最佳补偿波前来补偿激光光束的波前，使激光聚焦光斑得到很好的控制；进一步的，本发明还提供了一种能够在激光光强分布中存在不均匀因素时，仍然能够很好的控制激光聚焦光斑的装置。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种激光聚焦光斑控制方法，包括步骤：

S1.提取激光光束的光强分布信息以及波前信息；

S2.根据所述光强分布信息以及波前信息，计算对激光光束的最佳补偿波前；

S3.根据所述最佳补偿波前补偿激光光束的波前，从而使激光聚焦光斑得到控制。

优选的，所述步骤S2中通过迭代傅立叶算法计算最佳补偿波前。

优选的，所述步骤S2中通过梯度下降算法、随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或者遗传算法计算最佳补偿波前。

本发明还提供了一种实现上述的控制方法的激光聚焦光斑控制装置：

一种实现上述的控制方法的激光聚焦光斑控制装置，包括在激光光束光路上依次设置的波前控制器、聚焦镜以及目标靶材；所述波前控制器与聚焦镜之间设置有分束镜，所述分束镜从激光光束分出取样光束，所述取样光束的光路上设置有波前传感器，所述波前传感器与控制机构连接，所述控制机构与所述波前控制器连接；所述波前传感器采集取样光束的光强分布信息以及波前信息并反馈至所述控制机构，所述控制机构计算最佳补偿波前并控制所述波前传感器补偿激光光束的波前。

优选的，所述波前控制器为变形镜或液晶调制器。

优选的，所述波前传感器为哈特曼传感器。

优选的，所述控制机构为单片机、可编程控制器、DSP微处理器或者计算机。

优选的，所述变形镜上分布有致动器阵列，所述控制机构反馈控制每个致动器从而控制对激光光束的补偿波前。

（三）有益效果

本发明的激光聚焦光斑控制方法由于同时利用光强分布信息和波前信息而得到最佳补偿光强，因此能够根据不同的激光光强状态，控制对激光光束补偿的理想波前；本发明的激光聚焦光斑控制装置由于同时对光强分布信息和波前信息进行探测，并根据不同的激光光强状态控制波前控制器得到相应的理想波前，因而能够实现对激光远场光斑的有效控制。

附图说明

图1是本发明的一种激光聚焦光斑控制装置结构示意图。

图中：2：波前控制器；3：分束镜；4：波前传感器；5：控制机构；6：聚焦镜；7：目标靶材。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

一种激光聚焦光斑控制方法，包括步骤：

S1.通过波前传感器等装置提取激光光束的光强分布信息以及波前信息；分别记为光强分布u(x,y)，波前φ(x,y)，

S2.根据光强分布信息以及波前信息，计算对激光光束的最佳补偿波前；最佳补偿波前应满足与激光光束波前叠加后的总波前畸变均方根值值应小于0.1微米；本实施例中该步骤具体为：

依据傅里叶光学中的远场光斑定义：

$\tilde{E}(x_f,y_f)=F\left[\tilde{E}(x,y)\right]---\left(1\right)$

其中(x,y)为近场坐标变量，(x_f，y_f)为远场坐标变量，F为傅里叶变换算符。

根据（1）式同样也可以利用远场信息反推出近场

$\tilde{E}(x,y)=F^{-1}\left[\tilde{E}(x^{\′},y^{\′})\right]---\left(2\right)$

其中F^-1为傅里叶逆变换算符。

本实施例中优选通过迭代傅立叶算法即G-S算法计算最佳补偿波前；也可以通过梯度下降算法、随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或者遗传算法等寻优算法计算最佳补偿波前。计算流程为：

1）设定目标远场光强u_t(x′,y′)；

2）将当前复振幅

带入公式（1）中，计算出对应的远场复振幅

3）将计算得出的远场光强分布u_f(x′,y′)替换为目标光强分布u_t(x′,y′)从而得到新的远场复振幅

4）将

带入公式（2）计算出对应的近场复振幅

5）将近场的光强分布u_n(x,y)替换为u(x,y)从而得到新的近场复振幅

6）将

带入公式（1）得到对应的远场复振幅

7）重复步骤3）—6），直至每次迭代的相位

趋于稳定，则可认定该相位就是系统需要的理想相位

根据

即可得到对激光光束的最佳补偿波前。

S3.根据最佳补偿波前补偿激光光束的波前，从而使激光聚焦光斑得到有效控制；补偿激光光束的波前可以通过波前控制器补偿等方式实现。

实施例二

一种实现实施例一的控制方法的激光聚焦光斑控制装置，如图1中所示，包括在激光光束光路上依次设置的波前控制器2、聚焦镜6以及目标靶材7；波前控制器2主要用于补偿波前相位畸变，其可以是变形镜或液晶调制器或其他已知的波前控制器，本实施例中优选为变形镜，变形镜主要通过改变自己表面面形来补偿波前相位畸变；聚焦镜4的作用是将激光光束在目标靶材7上形成聚焦光斑；波前控制器2与聚焦镜6之间设置有分束镜3，分束镜3的主要作用是从激光光束中分离出取样光束，取样光束的能量非常小；取样光束的光路上设置有波前传感器4，波前传感器4主要用于采集取样光束的光强分布信息以及波前信息；波前传感器4可以是哈特曼传感器或已知的任何一种其他类型的波前传感器；波前传感器4与控制机构5连接，控制机构5与波前控制器2连接；控制机构5可以是单片机、可编程控制器、DSP微处理器或者计算机中的任何一种；波前传感器4采集取样光束的光强分布信息以及波前信息并反馈至控制机构5，控制机构5根据实施例一中所述的算法计算最佳补偿波前，并反馈控制波前控制器2补偿激光光束的波前。

其中，变形镜上分布有致动器阵列，控制机构5反馈控制每个致动器从而控制变形镜对激光光束的补偿波前；具体控制方法如下：

控制机构5按实施例一中所述的算法得到需要调制的激光理想相位

后，需要控制变形镜产生与

共轭的位相延迟

变形镜需要产生的位相延迟可以表示为：

其中N为变形镜上致动器的数量，U_n为变形镜的致动器阵列中第n个致动器的驱动电压，IF_n(x,y)为第n个致动器的影响函数（所有致动器不施加驱动电压，仅第n个致动器施加单位驱动电压时产生的位相延迟）。

控制机构5通过控制每个致动器上的驱动电压，将该位相延迟叠加到激光光束的波前上从而优化其波前；接着，波前传感器2采集新的光强分布信息以及波前信息并传输给控制机构5，控制机构5还原出激光光束经过整个光束控制装置后的波前信息φ(x,y)并利用最小二乘法计算出新的驱动电压：

U＝(IF^tIF)^-1IF^tΔΦ                            （4）

其中U为描述致动器驱动电压的向量；IF＝{IF_n(x,y)}，为离散化的影响函数；上标t为矩阵转置运算符号；上标-1为逆矩阵运算符号；ΔΦ为探测到的波前信息φ(x,y)与目标波前φt(x,y)的差的离散化形式。

控制机构5将致动器的驱动电压更新为U后，继续接收波前传感器2采集到的光强分布信息以及波前信息，并利用公式（4）计算出的电压不断更新驱动电压，直至探测器探测到的波前趋于理想波前；这样的闭环控制有效的控制了激光聚焦光斑。

本发明的激光聚焦光斑控制方法及装置，具有可以在衍射极限范围内任意控制激光聚焦光斑的特点，通过波前传感器采集激光光束的光强分布与波前信息，利用G-S算法或其他寻优算法计算得到目标远场光斑光强分布所需的最佳补偿波前，进而通过控制机构闭环控制变形镜改变激光光束的波前以控制其形成的远场光斑，使激光光束的聚焦光斑得到有效的控制。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (8)

1.一种激光聚焦光斑控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1.提取激光光束的光强分布信息以及波前信息；

S2.根据所述光强分布信息以及波前信息，计算对激光光束的最佳补偿波前；

S3.根据所述最佳补偿波前补偿激光光束的波前，从而使激光聚焦光斑得到控制。

2.根据权利要求1所述的激光聚焦光斑控制方法，其特征在于，所述步骤S2中通过迭代傅立叶算法计算最佳补偿波前。

3.根据权利要求1所述的激光聚焦光斑控制方法，其特征在于，所述步骤S2中通过梯度下降算法、随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或者遗传算法计算最佳补偿波前。

4.一种实现权利要求1所述的控制方法的激光聚焦光斑控制装置，包括在激光光束光路上依次设置的波前控制器（2）、聚焦镜（6）以及目标靶材（7）；其特征在于，所述波前控制器（2）与聚焦镜（6）之间设置有分束镜（3），所述分束镜（3）从激光光束分出取样光束，所述取样光束的光路上设置有波前传感器（4），所述波前传感器（4）与控制机构（5）连接，所述控制机构（5）与所述波前控制器（2）连接；所述波前传感器（4）采集取样光束的光强分布信息以及波前信息并反馈至所述控制机构（5），控制机构（5）计算最佳补偿波前并反馈控制所述波前控制器（2）补偿激光光束的波前。

5.根据权利要求4所述的激光聚焦光斑控制装置，其特征在于，所述波前控制器（2）为变形镜或液晶调制器。

6.根据权利要求4所述的激光聚焦光斑控制装置，其特征在于，所述波前传感器（4）为哈特曼传感器。

7.根据权利要求4至6任意一项所述的激光聚焦光斑控制装置，其特征在于，所述控制机构（5）为单片机、可编程控制器、DSP微处理器或者计算机。

8.根据权利要求5所述的激光聚焦光斑控制装置，其特征在于，所述变形镜上分布有致动器阵列，所述控制机构（5）反馈控制每个致动器从而控制所述变形镜对激光光束的补偿波前。

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