CN103091833B - 提高激光光束聚焦能力的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光光束控制技术领域，具体涉及一种提高激光光束聚焦能力的方法及装置。该方法包括步骤：S1.提取激光光束的近场光强分布信息；S2.根据所述近场光强分布信息计算目标远场光强分布信息；S3.根据所述目标远场光强分布信息设定评价函数；S4.提取远场光强分布信息；S5.结合所述评价函数以及远场光强分布信息，闭环控制远场光强分布，提高激光光束聚焦能力。由于本发明采用了更加贴近实际聚焦极限的评价函数，因此本发明对于激光光束聚焦能力的优化过程更加容易控制，且不易落入求解局部最优解，从而能够获得更好的聚焦特性。

Description

提高激光光束聚焦能力的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光光束控制技术领域，具体涉及一种提高激光光束聚焦能力的方法及装置。

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。

现有的闭环控制技术，均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，如果激光的光强分布中存在调制因素，单一的评价函数设定就会很容易使闭环过程进入求局部最优解而无法实现全局最优，因此无法完美提高激光光束的聚焦能力。

由于通常使用变形镜过程中，只针对光场中的相位信息进行补偿，这也就意味着不同形式分布的光强分布信息对应的激光光束聚焦能力会有所不同；因此在使用变形镜进行补偿后的激光光束的聚焦性能仍然会受到激光光强分布的影响。

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提高激光光束聚焦能力的方法及装置，用于优化激光光束的聚焦能力。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种提高激光光束聚焦能力的方法，包括步骤：

S1.提取激光光束的近场光强分布信息；

S2.根据所述近场光强分布信息计算目标远场光强分布信息；

S3.根据所述目标远场光强分布信息设定判断远场光强分布是否完成优化的评价函数；

S4.提取远场光强分布信息；

S5.结合所述评价函数以及远场光强分布信息，闭环控制远场光强分布，提高激光光束聚焦能力。

优选的，所述步骤S2中通过振幅优化算法计算目标远场光强分布信息。

优选的，所述振幅优化算法为迭代傅里叶算法。

优选的，所述振幅优化算法为梯度下降算法、随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或者遗传算法。

优选的，所述步骤S5包括：

结合所述评价函数以及远场光强分布信息，通过相位控制算法闭环控制波前控制器调节远场光强分布，提高激光光束聚焦能力。

优选的，所述相位控制算法为梯度下降算法、随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或者遗传算法。

本发明还提供了一种实现上述方法的提高激光光束聚焦能力的装置：

一种提高激光光束聚焦能力的装置，包括在激光光束光路上依次设置的波前控制器、第一分束镜、聚焦镜、第二分束镜以及目标靶材；所述第一分束镜从激光光束分出第一取样光束，所述第一取样光束的光路上设置有第一光强探测装置；所述第二分束镜从激光光束分出第二取样光束，所述第二取样光束的光路上设置有第二光强探测装置；所述第一光强探测装置以及第二光强探测装置分别与控制机构连接，所述控制机构与所述波前控制器连接；

所述第一光强探测装置以及第二光强探测装置分别采集激光光束的近场光强分布信息与远场光强分布信息并反馈至所述控制机构，控制机构闭环控制所述波前控制器调节远场光强分布。

优选的，所述第一光强探测装置以及第二光强探测装置为CCD探测器。

优选的，所述波前控制器为变形镜或液晶调制器。

优选的，所述控制机构为单片机、可编程控制器、DSP微处理器或者计算机。

（三）有益效果

本发明的一种提高激光光束聚焦能力的方法，通过利用两个光强探测装置分别采集激光光束的近场光强分布信息与远场光强分布信息，结合近场光强分布信息得到评价函数，并结合评价函数闭环控制远场光强分布，提高激光光束聚焦能力。由于本发明采用了更加贴近实际聚焦极限的评价函数，因此本发明对于激光光束聚焦能力的优化过程更加容易控制，且不易落入求解局部最优解，从而能够获得更好的聚焦特性。

附图说明

图1是本发明的一种高激光光束聚焦能力的装置结构示意图。

图中，2：波前控制器；3：第一分束镜；4：第一光强探测装置；5：控制机构；6：聚焦镜；7：第二分束镜；8：第二光强探测装置；9：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

一种提高激光光束聚焦能力的方法，主要包括步骤：

S1.提取激光光束的近场光强分布信息，记为In(x,y)；

S2.通过振幅优化算法或者现有技术中其他优化算法根据近场光强分布信息计算目标远场光强分布信息；振幅优化算法可以是傅里叶迭代算法、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等；本实施例中以傅里叶迭代算法为例进行说明，具体为：

根据波动光学的衍射积分方程或傅里叶光学可以得出近场光强分布信息I_n(x,y)与远场光强分布信息I_f(x_f,y_f)之间的关系：

其中(x，y)为近场空间坐标，(x_f,y_f)为远场空间坐标，C为常数，F为傅里叶变换算符，e为欧拉常数，i为虚数单位，k为激光光束的波矢，φ为激光光束的波前；

根据提取到的近场光强分布信息I_n(x，y)，计算可能得到对应的最佳远场焦斑光强分布并将其设定为闭环控制激光光束远场光强分布时的目标远场光强分布；其计算过程为：

首先以激光光束的波前分布为初始值，并将其与近场光强分布信息I_n(x，y)带入公式（1）中计算出对应的远场分布信息I_f(x_f,y_f)；接着产生随机扰动分别将其正向或反向叠加在现有波前分布上得到与将与以及近场光强分布信息I_n(x，y)带入公式（1）中计算出对应的远场分布信息I_f+(x_f,y_f)与I_f-(x_f,y_f)；归一化后对比I_f(x_f,y_f)以及I_f+(x_f,y_f)与I_f-(x_f,y_f)，将其中最高点功率值最大者对应的波前分布设定为下次迭代计算的初始波前重复上述步骤，直至得到的远场光强分布信息I_f(x_f,y_f)趋于稳定，即认为得到的远场光强分布信息为目标远场光强分布信息。

S3.根据目标远场光强分布信息设定判断远场光强分布是否完成优化的评价函数；按上述的算法得到目标远场光强分布信息I_f(x_f,y_f)后，根据此目标远场光强分布信息设定闭环控制系统的评价函数I_p，对于任意已归一化的远场焦斑分布I(x_f,y_f)，其评价函数可以描述为：

I_p=∫∫I_t(x_f,y_f)I(x_f,y_f)dx_fdy_f（2）

S4.提取远场光强分布信息；

S5.结合评价函数以及远场光强分布信息，通过相位控制算法或者其他控制算法闭环控制波前控制器调节远场光强分布，从而提高激光光束聚焦能力；其中相位控制算法可以为梯度下降算法、随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或者遗传算法等；本实施中通过迭代控制波前控制器的控制电压，从而控制波前控制器补偿波前相位畸变，进而改变激光光束的远场光强分布；具体为：

（1）设定波前控制器的初始控制电压为U_n=[u₁,u₂，.......,u_N]=0，控制增益系数为c；

（2）、根据提取的远场光强分布信息，并根据公式（2）计算出初始评价函数I_p0；

（3）、产生扰动电压ΔU_n=[Δu₁,Δu₂，...,Δu_N]，并分别将其正向和反向叠加到初始控制电压上得到U_n+与U_n-，根据新提取到的远场光强分布信息分别计算出对应的I_p+与I_p-；

（4）、得到更新电压c(I_p+-I_p+)ΔU_n，并将其叠加到初始电压U_n上，得到新的初始电压；

（5）、重复步骤2-4，直至评价函数I_p的值趋近于1，或变化量趋近于0，则认为远场光强分布已经得到很好的补偿，同时激光光束的聚焦能力得到了提升。

实施例二

一种实施例一中所述方法的提高激光光束聚焦能力的装置，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、第一分束镜3、聚焦镜6、第二分束镜7以及目标靶材9；波前控制器2主要用于补偿激光光束波前相位畸变，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，进而改变激光光束的远场光强分布；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；第一分束镜3主要用于从激光光束分出第一取样光束，第一取样光束的能量非常小，主要用作近场光强分布的采样光束；第一取样光束的光路上设置有第一光强探测装置4，主要用于采集第一取样光束的光强分布信息即近场光强分布信息；第二分束镜7从激光光束分出第二取样光束，第二取样光束的能量非常小，主要用作近场光强分布的采样光束；第二取样光束的光路上设置有第二光强探测装置8，主要用于采集第二取样光束的光强分布信息即远场光强分布信息；第一光强探测装置4以及第二光强探测装置为CCD探测器或已知的任何一种其他类型的光强探测装置；第一光强探测装置4以及第二光强探测装置8分别与控制机构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；第一光强探测装置4采集激光光束的近场光强分布信息，第二光强探测装置8采集激光光束的远场光强分布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方法闭环控制波前控制器2调节远场光强分布，优化激光光束的聚焦能力。

由于本发明的提高激光光束聚焦能力的方法及装置采用了更加贴近实际聚焦极限的评价函数，因此本发明对于激光光束聚焦能力的优化过程更加容易控制，且不易落入求解局部最优解，从而能够获得更好的聚焦特性。

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 (7)

1.一种提高激光光束聚焦能力的方法，其特征在于，包括步骤：

S1.提取激光光束的近场光强分布信息；

S2.根据所述近场光强分布信息计算目标远场光强分布信息；

S3.根据所述目标远场光强分布信息设定判断远场光强分布是否完成优化的评价函数；

S4.提取远场光强分布信息；

S5.结合所述评价函数以及远场光强分布信息，闭环控制远场光强分布，提高激光光束聚焦能力；

所述步骤S2中通过振幅优化算法计算目标远场光强分布信息，所述振幅优化算法为迭代傅里叶算法；

当所述振幅优化算法为迭代傅里叶算法时，所述步骤S2具体包括：

根据波动光学的衍射积分方程或傅里叶光学计算近场光强分布信息与远场光强分布信息之间的关系；

根据提取到的所述近场光强分布信息计算远场焦斑光强分布，并将所述远场焦斑光强分布设定为闭环控制激光光束远场光强分布时的目标远场光强分布，得到目标远场光强分布信息。

2.根据权利要求1所述的提高激光光束聚焦能力的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

结合所述评价函数以及远场光强分布信息，通过相位控制算法闭环控制波前控制器调节远场光强分布，提高激光光束聚焦能力。

3.根据权利要求2所述的提高激光光束聚焦能力的方法，其特征在于，所述相位控制算法为梯度下降算法、随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或者遗传算法。

4.一种实现权利要求1所述方法的提高激光光束聚焦能力的装置，其特征在于，包括在激光光束光路上依次设置的波前控制器(2)、第一分束镜(3)、聚焦镜(6)、第二分束镜(7)以及目标靶材(9)；所述第一分束镜(3)从激光光束分出第一取样光束，所述第一取样光束的光路上设置有第一光强探测装置(4)；所述第二分束镜(7)从激光光束分出第二取样光束，所述第二取样光束的光路上设置有第二光强探测装置(8)；所述第一光强探测装置(4)以及第二光强探测装置(8)分别与控制机构(5)连接，所述控制机构(5)与所述波前控制器(2)连接；

所述第一光强探测装置(4)以及第二光强探测装置(8)分别采集激光光束的近场光强分布信息与远场光强分布信息并反馈至所述控制机构(5)，控制机构(5)闭环控制所述波前控制器(2)调节远场光强分布。

5.根据权利要求4所述的提高激光光束聚焦能力的装置，其特征在于，所述第一光强探测装置(4)以及第二光强探测装置为CCD探测器。

6.根据权利要求4所述的提高激光光束聚焦能力的装置，其特征在于，所述波前控制器(2)为变形镜或液晶调制器。

7.根据权利要求4至6任意一项所述的提高激光光束聚焦能力的装置，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。