CN103076674A

CN103076674A - 一种利用光热效应改变激光传输特性的装置

Info

Publication number: CN103076674A
Application number: CN2013100116713A
Authority: CN
Inventors: 郭汝海; 郭劲
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2013-05-01

Abstract

一种利用光热效应改变激光传输特性的装置，涉及激光光束质量控制领域，解决现有强激光系统中的光束畸变修正问题，该装置包括环形加热器、光学元件、真空箱、分束器、透镜、温控设备、CCD相机和四象限探测器；所述带有激光窗口的真空箱内设置带有环形加热器的光学元件，激光光束经环形加热器的光学元件后被分束器分为两路光束，一路光束被四象限探测器接收，另一路光束经透镜聚焦后在CCD相机上成像，计算机对CCD相机的成像信息解算后传入温控设备，所述温控设备根据接收的信息对环形加热器进行温度控制。本发明可用于多种波长激光器波前畸变的修正。

Description

一种利用光热效应改变激光传输特性的装置

发明领域

本发明涉及激光光束质量控制领域，具体涉及为采用环形加热器对光学元件进行加热而改变激光传输特性的装置。

背景技术

激光经过多半个世纪的发展，已经越来越多的应用于工业、医疗、军事等领域，发挥了越来越大的作用。在激光各种系统中，人们普遍比较关心它的光束质量，或者是它的传输特性。

对于激光传输系统而言，激光源光束质量会随着激光功率的增大而变差，同时激光束在经过光学元件传输中，不可避免的由于热吸收而产生热畸变，此种热畸变会使传输的激光光束质量变差，造成整体激光系统的性能下降。此外，由于光学设计、加工、装调的激光传输系统同样会使激光束的波前产生畸变，也是激光光束质量变差的重要因素。

因此，针对光束质量变差的激光束修正系统就变得尤为重要。光束质量变差实质上是激光光束波前发生畸变，偏离了光学系统设计的初始结构，在激光束波前引入了像差而使光束质量变差。以往对于激光系统中畸变的光束采用光束净化系统进行光束波前质量的校正，光束净化系统通常采用变形镜的自适应光学技术。自适应光学的校正效果主要体现在系统校正后残余像差的大小，主要取决于波前传感器采集和处理波前信息的精度、变形镜的控制算法及变形镜的校正单元数。通常情况下，变形镜的单元数越高，其校正波前畸变和像差的能力越强，但同时也带来了系统结构复杂，实时性变差，控制上不易实现等诸多困难，同时对于强激光系统，还要考虑变形镜的激光损伤阈值问题。因此在很大程度上限制了自适应光学应用于激光系统中。

发明内容

本发明为解决现有强激光系统中的光束畸变修正问题，提供一种利用光热效应改变激光传输特性的装置。

一种利用光热效应改变激光传输特性的装置，该装置包括环形加热器、光学元件、真空箱、分束器、透镜、温控设备、CCD相机和四象限探测器；所述带有激光窗口的真空箱内设置带有环形加热器的光学元件，激光光束经环形加热器的光学元件后被分束器分为两路光束，一路光束被四象限探测器接收，另一路光束经透镜聚焦后在CCD相机上成像，计算机对CCD相机的成像信息解算后传入温控设备，所述温控设备根据接收的信息对环形加热器进行温度控制。

本发明的工作原理：本发明利用环形加热器对透镜等光学元件进行边缘加热，对通过的光束传输特性进行实时控制，利用环形加热器的光热效应实时的改变光学元件的面形和折射率，具有快速消除波前畸变及修正光束方向的使用效果。具体的指标为：激光波前畸变的修正程度可达80%，温控范围为-130℃~90℃。控制的效果可以通过四象限探测器和CCD相机进行监视反馈，从而实现了自适应改变激光束传输特性的目的。

本发明的技术效果：本发明利用光热效应快速改变激光束的传输特性，可以通过探测器监视光斑中心的位置和波前畸变，利用光热效应改变光学元件的面形和折射率，使其满足一定的梯度分布，这样就可以引入和畸变光束相反的波前畸变，达到抵消光束波前畸变的目的。由此方法没有可动的机械单元，不需要复杂的算法，相比于自适应光学系统在一些应用场合将更加实用和可靠。本发明可用于多种波长激光器波前畸变的修正，具有响应动态范围大、可靠性高、适应范围广、光谱响应范围宽和成本较低等优点。

附图说明

图1 为本发明所述的一种利用光热效应改变激光传输特性的装置的原理示意图；

图 2为本发明所述的一种利用光热效应改变激光传输特性的装置中带有环形加热器的单一光学元件的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种利用光热效应改变激光传输特性的装置，激光光束1发射带有波前激光的激光束进入带有激光窗口的真空箱2，真空箱2的目的是防止环形加热器对附近空气加热产生对流，对流会引起局部的湍流，而引入额外的光束波前畸变。然后光束通过环形加热器的透射光学元件3，经过修正的激光束通过分束器4分成两束，其中一路被四象限探测器5监视光束方向，另一束经过透镜6聚焦到CCD相机7上，CCD相机7可以前后移动，在离焦面和焦面上得到多幅光斑图像可以复原光束的波前信息，此波前信息可以进入计算机8，计算机8对波前信息解算，然后通过精密的温控设备9来精确控制环形加热器的温度变化。这样就实现了利用光热效应的自适应控制光束传输特性的目的。

本实施方式还包括测温元件，测温元件与环形加热器连接，实现对光学元件3的实时温度测量。

本实施方式所述的四象限探测器5根据接收的光束，判断光学元件的光斑位置变化，CCD相机根据接收的激光光斑图像信息，判断激光束的传输特性（即光斑模式、分布、光束质量等信息），计算机采用自适应算法SPGD（stochastic parallel gradient descent contol algorithm，随机并行梯度下降算法）对接收的光斑重心位置信息及激光束的传输特性信息进行解算，将解算结果传入温控设备，温控设备自适应的实现对环形加热器的加热，进而实现对光学元件的不同方向进行精确温度控制。

结合图2说明本实施，所述光学元件可由四片独立加热片进行加热，温控设备可以对四片独立的加热片单独调整供电功率，以调整各自的温度，所述加热片之间的间隔对光学元件的圆心的夹角为5°。这样的环形加热器不仅可以修正对称性质的波前畸变，也可以在一定程度上修正圆柱形非对称的波前畸变。控制激光器发出一束带有热畸变的激光束，计算机8采用自适应算法产生的电压信号控制温控设备9，温控设备9控制加热片对光学元件3进行实时加热，激光束通过光学元件3进入分束器4，分束器4产生的两束激光束，一路进入CCD相机7或波前质量分析仪，另一路进入四象限探测器5，经四象限探测器5、CCD相机7或波前质量分析仪得到的测量信号传递回给计算机8，计算机8利用这些反馈信号控制带有热畸变的激光束及温控设备以得到消除波前热畸变后的激光束。

Claims

1.一种利用光热效应改变激光传输特性的装置，该装置包括环形加热器、光学元件（3）、真空箱（2）、分束器（4）、透镜（6）、温控设备（9）、CCD相机（7）和四象限探测器（5）；带有激光窗口的真空箱（2）内设置光学元件（3），所述环形加热器设置在光学元件的圆周上，激光光束（1）经光学元件（3）后被分束器分为两路光束，一路光束被四象限探测器（5）接收，另一路光束经透镜（6）聚焦后在CCD相机（7）上成像，计算机（8）对接收的CCD相机（7）的成像信息和四象限探测器（5）的光束信息解算后传入温控设备（9），所述温控设备（9）根据接收的信息对环形加热器进行温度控制。

2.根据权利要求1所述的一种利用光热效应改变激光传输特性的装置，其特征在于，所述环形加热器由多个加热片（10）组成，所述多个加热片（10）均匀分布在光学元件（3）的边缘位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用光热效应改变激光传输特性的装置，其特征在于，所述温控设备（9）对多个加热片（10）进行单独控制。

4.根据权利要求1所述的一种利用光热效应改变激光传输特性的装置，其特征在于，还包括测温元件，所述测温元件与环形加热器连接，实现对光学元件（3）的温度测量。