CN105204168A - 一种基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置，包括激光器系统、波前校正系统、光束匹配系统、监控系统、工作系统与计算机控制系统；监控系统采集远场光强形态分布信息，计算机控制系统根据优化算法并行控制双波前校正器，实时校正系统像差并生成远场激光束整形所需的近场调制位相，实现监控系统处的激光束整形；利用工作系统与监控系统入瞳面位相分布相同的特性，在监控系统处实现激光束整形时，在工作系统处同步实现激光束整形。本发明采用双波前校正器提升系统整形范围与精度；采用无波前探测方法，可校正系统动态像差，实现远场光强实时整形。
Description
技术领域
本发明涉及光束整形领域的激光束整形装置，具体涉及一种基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置及方法。
背景技术
激光器由于在方向性、亮度、单色性及相干性等方面具有良好的特性，被广泛应用于工业、军事、通信、医学和科学研究等诸多领域。通常情况下，激光束空间形态呈高斯分布。随着激光技术应用领域扩大，高斯光束已不能满足实际应用中的部分特定需求。例如激光加工、激光全息照相、激光存储与记录和同位素分离等，这些应用场合要求激光器输出激光束形态与能量呈特定的分布。这需要利用激光束整形技术，将高斯激光束整形为实际应用中要求的形态与能量分布，提高激光系统效率，扩展激光技术应用领域。
以波前校正器为近场调制位相生成元件的激光束整形系统，具有控制灵活、整形面形多样化、适应性好、破坏阈值高等优点。中国专利“一种利用变形镜实现光束自动整形的装置”(专利号CN200610169887.2)介绍了一种通过遗传算法控制反射式压电变形镜，通过改变激光束近场波面的位相分布，在远场实现激光束整形，将高斯光束整形为超高斯光束、方形光束等实际应用中需要的光束，还能校正激光束中的静态与准静态像差。由于采用单变形镜校正像差并生成激光束整形所需的近场位相，有限的行程及校正精度影响系统的整形效果。
冯泽鑫等于2014年在激光束整形系统中引入了双变形镜，利用能量守恒及几何光学知识获得Monge-Ampere等式，再对Monge-Ampere等式求数值解，获得近场调制位相；先由Woofer变形镜拟合位相，再由Tweeter变形镜拟合残余位相，实现激光束整形(“ZexinFeng,LeiHuangandMaliGong.‘Focal-planeirradiancetailoringusingtheconceptofWoofer-Tweeterdeformablemirrors.’OPTICSEXPRESS,22(8):8872～8880(2014)”)。由于通过变形镜直接拟合近场调制位相，需要波前探测器测量系统像差，增加系统复杂度及成本；若系统中存在动态像差，该方法实现激光束整形过程将更加复杂。
综上，单变形镜激光束整形系统整形范围及精度有限；而基于波前探测器的双变形镜激光束整形系统直接利用变形镜拟合近场调制位相时需使用波前探测器测量系统像差，增加系统复杂度及成本，且系统中存在动态像差时较难实现光束实时整形。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置及方法，
本发明技术解决方案：一种基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置，包括激光器系统、波前校正系统、光束匹配系统、监控系统、工作系统和计算机控制系统，其中：
所述的激光器系统，由激光器(1)与准直镜(2)组成，由准直镜(2)对激光器(1)的输出光束进行准直；
所述的波前校正系统，由第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)组成，校正系统像差并生成远场激光束整形所需的近场调制位相，实现远场激光束的实时整形；
所述的光束匹配系统，由第一匹配透镜(4)与第二匹配透镜(5)组成，匹配第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)的光束口径；
所述的监控系统，由第一远场聚焦透镜(8)与远场相机(9)组成，分光镜(7)的反射光经第一远场聚焦透镜(8)辐照远场相机(9)靶面，远场相机(9)采集远场光强形态分布信息；
所述的工作系统，由分光镜(7)、第二远场聚焦透镜(10)与工作台(11)构成，分光镜(7)的透射光经第二远场聚焦透镜(10)聚焦，辐照工作台(11)上的工作对象；
所述的计算机控制系统，由第一驱动信号控制器(12)、第二驱动信号控制器(13)与控制计算机(14)组成，控制计算机(14)根据远场相机(9)采集远场光强形态分布信息，结合目标光强形态分布信息，利用优化算法，通过第一驱动信号控制器(12)与第二驱动信号控制器(13)控制第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)，校正系统像差并生成近场调制位相，实现远场相机(9)靶面处的远场激光束整形。
所述控制计算机(14)根据远场相机(9)采集远场光强形态分布信息，结合目标光强形态分布信息，利用优化算法，通过第一驱动信号控制器(12)与第二驱动信号控制器(13)控制第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)，校正系统像差并生成近场调制位相，实现远场相机(9)靶面处的远场激光束整形的具体实现过程为：
(1)根据目标光强形态分布信息及远场相机(9)采集的远场光强信息，计算评价函数；
(2)根据评价函数，利用模式优化算法计算各阶模式的系数；
(3)根据各阶模式与波前校正器驱动信号间的控制矩阵，通过模式系数计算驱动信号取值；
(4)控制计算机(14)通过第一驱动信号控制器(12)与第二驱动信号控制器(13)控制第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)，观测远场相机(9)采集的远场光强信息；
(5)重复(1)-(4)，直到远场光强满足整形系统要求。
所述工作系统中的工作台(11)与远场相机(9)靶面同时与第二波前校正器(6)处于共轭位置。
所述第一波前校正器(3)是薄膜变形镜、双压电片变形镜、分立表面压电驱动变形镜、连续表面垂直分立致动多道变形镜、微电子机械系统分立表面变形镜、液晶空间光调制器。
所述第二波前校正器(6)是薄膜变形镜、双压电片变形镜、分立表面压电驱动变形镜、连续表面垂直分立致动多道变形镜、微电子机械系统分立表面变形镜、液晶空间光调制器。
一种基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形方法，实现步骤为：激光器(1)发出的激光束经准直镜(2)准直，进入第一波前校正器(3)，输出激光束经第一匹配透镜(4)与第二匹配透镜(5)匹配光束口径，进入第二波前校正器(6)，输出激光束进入分光镜(7)，反射光进入监控系统，经远场聚焦透镜(8)进入远场相机(9)，远场相机(9)采集远场光强形态分布信息；透射光进入工作系统，经远场聚焦透镜(10)辐照工作台(11)上的工作对象；
控制计算机(14)根据远场相机(9)采集的远场光强形态分布信息，结合目标光强形态分布信息，利用优化算法，通过第一驱动信号控制器(12)与第二驱动信号控制器(13)控制第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)，校正系统像差并生成近场调制位相，实现远场相机(9)靶面处的远场激光束整形。
本发明的原理：利用双变形镜校正系统像差并实时生成远场激光束整形所需的近场调制位相，提升系统的整形范围及精度；通过远场相机探测远场光强形态分布信息，结合目标光强形态分布信息，利用优化算法，实现无波前探测器远场激光束整形；远场相机靶面和工作台工作对象同时与第二波前校正器处于共轭位置，在远场相机靶面实现激光束整形时，在工作对象处同步实现激光束整形。
本发明与现有技术相比具有的优点：
(1)本发明通过采用双波前校正器，提升了系统的整形范围及精度；通过采用无波前探测技术，可校正系统动态像差并实时生成远场激光束整形所需的近场调制位相；
(2)本发明通过使远场相机靶面与工作台工作对象同时与第二波前校正器处于共轭位置，在利用远场相机采集的远场光强形态分布信息实现激光束整形时，在工作对象处同步实现激光束整形，便于实时监测工作光强形态及能量分布信息。
(3)本发明控制计算机根据优化算法，通过第一驱动信号控制器与第二驱动信号控制器，并行控制第一波前校正器与第二波前校正器，校正系统像差及生成近场调制位相，可动态实现远场光强整形并缩短优化控制时间。
附图说明
图1为本发明装置构成示意图，其中，1为激光器，2为准直透镜，3为第一波前校正器，4与5分别为第一匹配透镜、第二匹配透镜，构成光束匹配系统，6为第二波前校正器，7为分光镜，8为第一远场聚焦透镜，9为远场相机，10为第二远场聚焦透镜，11为工作台，用于安置工作对象，12为第一驱动信号控制器，13为第二驱动信号控制器，14为控制计算机；
图2为本发明实现远场激光束整形方法控制流程图。
具体实施方案
下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方式。
图1所示基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置，主要包括激光器系统、波前校正系统、光束匹配系统、监控系统、工作系统和计算机控制系统，其中：激光器系统，由激光器1与准直镜2组成，对激光器1的输出光束进行准直；波前校正系统，由第一波前校正器3与第二波前校正器6组成，实时校正系统像差并生成远场激光束整形所需的近场调制位相；光束匹配系统，由第一匹配透镜4与第二匹配透镜5组成，匹配第一波前校正器3与第二波前校正器6的光束口径；监控系统，由远场聚焦透镜8与远场相机9组成，分光镜7的反射光经远场聚焦透镜8辐照远场相机9靶面，获取远场光强形态分布信息；工作系统，由分光镜7、远场聚焦透镜10与工作台11构成，分光镜7的透射光经远场聚焦透镜10聚焦，辐照工作台11上的工作对象；计算机控制系统，由第一驱动信号控制器12、第二驱动信号控制器13与控制计算机14组成，根据优化算法，控制计算机14通过第一驱动信号控制器12与第二驱动信号控制器13控制第一波前校正器3与第二波前校正器6，校正系统像差并生成近场调制位相。
激光器1发出的激光束经准直镜2准直，进入第一波前校正器3，输出激光束经第一匹配透镜4与第二匹配透镜5匹配光束口径，进入第二波前校正器6，输出激光束进入分光镜7，反射光进入监控系统，经远场聚焦透镜8进入远场相机9，采集远场光强形态分布信息；透射光进入工作系统，经远场聚焦透镜10辐照工作台11上的工作对象。
远场相机9采集远场光强形态分布信息，结合目标光强形态分布信息，控制计算机14根据优化算法，通过第一驱动信号控制器12与第二驱动信号控制器13并行控制第一波前校正器3与第二波前校正器6，实现远场相机9靶面上的远场激光束整形。工作系统中的工作台11与监控系统中的远场相机9同时与第二波前校正器6处于共轭位置，通过远场相机9采集的远场光强形态分布信息，可获取辐照工作台11上工作对象的光强形态分布信息；对远场相机9采集的远场光强实现激光束整形，则工作系统中的辐照光强同步实现激光束整形。远场相机9处实现远场光强整形的具体过程如下：
(1)远场相机9采集的远场光强信息If，结合目标光强形态与能量分布信息
Itarget，计算系统评价函数J＝F(If,Itarget)，如相关系数Jcorr，光强偏离残差平方均值Jmsd；
其中，(u,v)表示远场坐标，Ω表示目标光强有效区域。
(2)模式优化算法中N阶模式矩阵M＝[s1s2…sN]的系数为m，其中si(i＝1,2…N)表示第i阶模式，如Zernike模式等。根据m的扰动量δm计算评价函数变化趋势ΔJ＝J(m+δm)-J(m-δm)，第k次模式优化算法中各阶模式的系数mk＝mk-1+γΔJδm，其中γ为增益系数；
(3)根据模式优化算法中模式矩阵M＝[s1s2…sN]与波前校正器驱动信号的控制矩阵A＝[t1t2…tj]，计算驱动信号值a＝A-1(M*m)，其中tj(j＝1,2…L)表示波前校正器影响函数，可通过干涉仪测量或由远场光强反演获得，L表示波前校正器影响函数个数；
(4)根据驱动信号取值a，控制计算机14通过第一驱动信号控制器12与第二驱动信号控制器13控制第一波前校正器3与第二波前校正器6，观测远场相机9采集的远场光强信息；
(5)重复(1)-(4)，直到系统评价函数达到设定值。
图2所示为基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形系统控制流程图，首先确定远场激光束整形的目标光强和优化算法的初始控制信号。其次，远场相机9采集远场光强图像信息，并结合目标光强，判断是否满足实现远场激光束整形的判定条件。若不满足条件，通过优化算法优化双波前校正器驱动控制信号，由控制计算机14改变双波前校正器的驱动控制信号，再由远场相机采集远场光强图像信息。重复上述步骤，直到满足判定条件。此时，工作台11处工作对象因为和远场相机9靶面同时与第二波前校正器处于共轭位置，同步实现远场激光束整形。
Claims (6)
1.一种基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置，其特征在于：包括激光器系统、波前校正系统、光束匹配系统、监控系统、工作系统和计算机控制系统，其中：
所述的激光器系统，由激光器(1)与准直镜(2)组成，由准直镜(2)对激光器(1)的输出光束进行准直；
所述的波前校正系统，由第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)组成，校正系统像差并生成远场激光束整形所需的近场调制位相，实现远场激光束的实时整形；
所述的光束匹配系统，由第一匹配透镜(4)与第二匹配透镜(5)组成，匹配第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)的光束口径；
所述的监控系统，由第一远场聚焦透镜(8)与远场相机(9)组成，分光镜(7)的反射光经第一远场聚焦透镜(8)辐照远场相机(9)靶面，远场相机(9)采集远场光强形态分布信息；
所述的工作系统，由分光镜(7)、第二远场聚焦透镜(10)与工作台(11)构成，分光镜(7)的透射光经第二远场聚焦透镜(10)聚焦，辐照工作台(11)上的工作对象；
所述的计算机控制系统，由第一驱动信号控制器(12)、第二驱动信号控制器(13)与控制计算机(14)组成，控制计算机(14)根据远场相机(9)采集远场光强形态分布信息，结合目标光强形态分布信息，利用优化算法，通过第一驱动信号控制器(12)与第二驱动信号控制器(13)控制第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)，校正系统像差并生成近场调制位相，实现远场相机(9)靶面处的远场激光束整形。
2.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置，其特征在于：所述控制计算机(14)根据远场相机(9)采集远场光强形态分布信息，结合目标光强形态分布信息，利用优化算法，通过第一驱动信号控制器(12)与第二驱动信号控制器(13)控制第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)，校正系统像差并生成近场调制位相，实现远场相机(9)靶面处的远场激光束整形的具体实现过程为：
(1)根据目标光强形态分布信息及远场相机(9)采集的远场光强信息，计算评价函数；
(2)根据评价函数，利用模式优化算法计算各阶模式的系数；
(3)根据各阶模式与波前校正器驱动信号间的控制矩阵，通过模式系数计算驱动信号取值；
(4)控制计算机(14)通过第一驱动信号控制器(12)与第二驱动信号控制器(13)控制第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)，观测远场相机(9)采集的远场光强信息；(5)重复(1)-(4)，直到远场光强满足整形系统要求。
3.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置，其特征在于：所述工作系统中的工作台(11)与远场相机(9)靶面同时与第二波前校正器(6)处于共轭位置。
4.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置，其特征在于：所述第一波前校正器(3)是薄膜变形镜、双压电片变形镜、分立表面压电驱动变形镜、连续表面垂直分立致动多道变形镜、微电子机械系统分立表面变形镜、液晶空间光调制器。
5.根据权利要求1所述的基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形装置，其特征在于：所述第二波前校正器(6)是薄膜变形镜、双压电片变形镜、分立表面压电驱动变形镜、连续表面垂直分立致动多道变形镜、微电子机械系统分立表面变形镜、液晶空间光调制器。
6.一种基于双波前校正器的无波前探测器远场激光束整形方法，其特征在于，实现步骤为：激光器(1)发出的激光束经准直镜(2)准直，进入第一波前校正器(3)，输出激光束经第一匹配透镜(4)与第二匹配透镜(5)匹配光束口径，进入第二波前校正器(6)，输出激光束进入分光镜(7)，反射光进入监控系统，经远场聚焦透镜(8)进入远场相机(9)，远场相机(9)采集远场光强形态分布信息；透射光进入工作系统，经远场聚焦透镜(10)辐照工作台(11)上的工作对象；
控制计算机(14)根据远场相机(9)采集的远场光强形态分布信息，结合目标光强形态分布信息，利用优化算法，通过第一驱动信号控制器(12)与第二驱动信号控制器(13)控制第一波前校正器(3)与第二波前校正器(6)，校正系统像差并生成近场调制位相，实现远场相机(9)靶面处的远场激光束整形。
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