CN106444053A - 液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法 - Google Patents

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齐冀
倪小龙
刘智
刘艺
姚海峰
蒋余成
宋卢军
张红玲
王素芬
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Abstract

液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法属于激光扩束技术领域。现有技术在变焦的同时未能精确补偿变焦系统固有波前像差，光束质量较差。本发明之液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法采用的激光扩束系统由光源、偏振片、LCOS液晶空间光调制器和匹配透镜依次同轴排列构成，其特征在于，根据设定的扩束倍率范围，选定匹配透镜，计算数字透镜相位调制图；标定光源、匹配透镜的像差，计算像差补偿相位调制图；将所得数字透镜相位调制图和像差补偿相位调制图相加得到复合相位调制图；光源发出的激光经偏振片起偏为偏振光，将所得复合相位调制图加载到LCOS液晶空间光调制器中，所述偏振光入射LCOS液晶空间光调制器中，被调制后出射，出射光通过匹配透镜后输出。

Description

液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法
技术领域
本发明涉及一种液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法，基于液晶空间光调制器实现高光束质量连续可变倍率扩束，属于激光扩束技术领域。
背景技术
激光器发出的光束口径通常在毫米量级，然而在激光通信、激光全息、激光测距等领域中需要大光束口径的光束，为此，激光扩束系统被引入这些领域。
在现有技术中，液晶空间光调制器被用于变焦系统中，如申请号为201110324930.9的一件中国专利申请公开的一项名称为“一种基于液晶空间光调制器实现可变焦透镜的方法”的技术方案。该方案采用液晶空间光调制器建立程控变焦成像系统，实现可变聚焦。不过，该方案由于其调制环节单一，并未解决变焦系统本身的波前像差问题，也就是说，在变焦的同时未能精确补偿变焦系统固有波前像差，光束质量较差。
发明内容
为了提高变焦扩束后的激光光束质量，我们发明了一种液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法，该方法在对入射光进行连续、高精度相位调制的同时，对激光扩束系统整体像差进行精确补偿，实现了激光扩束系统连续、高精度相位调制和像差补偿的复合调控，在实现变焦扩束的同时补偿激光扩束系统固有波前像差，提高了激光光束质量。
本发明之液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法采用的激光扩束系统由光源1、偏振片2、LCOS液晶空间光调制器3和匹配透镜4依次同轴排列构成，其特征在于，根据设定的扩束倍率范围，选定匹配透镜4，计算数字透镜相位调制图；标定光源1、匹配透镜4的像差，计算像差补偿相位调制图；将所得数字透镜相位调制图和像差补偿相位调制图相加得到复合相位调制图，如图1所示；光源1发出的激光经偏振片2起偏为偏振光，将所得复合相位调制图加载到LCOS液晶空间光调制器3中，所述偏振光入射LCOS液晶空间光调制器3中，被调制后出射，出射光通过匹配透镜4后输出。
本发明其技术效果在于，LCOS液晶空间光调制器3作为一个数字透镜，匹配透镜4与之匹配。复合相位调制图作为一种图像调制信号以电寻址的方式加载到LCOS液晶空间调制器3上，以灰度信息控制LCOS液晶空间光调制器3的外加电压的变化，改变LCOS液晶空间光调制器3每个像素点处的液晶分子的折射率，实现LCOS液晶空间光调制器3的数字变焦和像差补偿的功能，入射其中的偏振光作为读出光读出所述图像调制信号，也就是被进行连续、高精度的复合相位调制，经过聚焦、发散以及像差补偿，出射光通过匹配透镜3后输出，在实现变焦扩束的同时，激光扩束系统固有波前像差得到补偿，提高了输出激光光束质量。
相比于通常的不论是反射式还是折射式的扩束光学系统，由于本发明以LCOS液晶空间光调制器3作为一个数字透镜，与匹配透镜4构成一个扩束系统，不仅能够在某一范围内调整扩束倍率，而且所构成的扩束系统无需进行严格装调。
所述激光扩束系统固有波前像差来自光源1和匹配透镜4，并累加，依本发明之方法的扩束过程不会放大该像差。复合相位调制图中的像差补偿相位调制图能够校正来自光源1和匹配透镜4的固有波前像差，保证各个变焦位置像差校正的精确性。
附图说明
图1为本发明之方法中的数字透镜和像差补偿复合相位调制图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
本发明之液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法采用的激光扩束系统由光源1、偏振片2、LCOS液晶空间光调制器3和匹配透镜4依次同轴排列构成。
根据设定的扩束倍率范围，选定匹配透镜4，计算数字透镜相位调制图。由于透镜具有相位变换作用，所以焦距为f的透镜调制波长为λ的入射光的波阵面，它的相位分布为：
其中k＝2π/f,为使LCOS液晶空间光调制器3具有焦距为fLCOS的数字透镜功能，在其中的LCOS(硅基液晶)上显示的数字透镜的相位调制图的相位分布为：
其中，x和y是从透镜中心测量的笛卡尔横向坐标，mod2πx表示取模2π运算，即x除以2π的余数。
标定光源1、匹配透镜4的像差，即采用波前探测器分别检测光源1、匹配透镜4的像差，累加后就是激光扩束系统的整体波前像差，据此计算校正所需相位调制量，再计算像差补偿相位调制图。进一步讲，将检测得到的整体波前像差用Zernike多项式表示，在直角坐标系下N项Zernike多项式为：
式中ai为Zernike多项式中第i项系数；Zi为Zernike多项式的第i项；N为Zernike多项式的项数；x,y为数据点的坐标值。依据相位共轭原理，计算整体波前像差数据，获得与共轭波前相对应的灰度图，该灰度图就是像差补偿相位调制图，由计算机将该灰度图作为调制信号加载到LCOS液晶空间光调制器3上，对激光扩束系统的固有波前像差进行校正。
下面进一步举例说明本发明之方法。
所述激光扩束系统为透射式。光源1采用氦氖激光器，激光波长λ＝633nm。偏振片2为线偏振滤光片。入射到LCOS液晶空间光调制器3的偏振光发散角为3.8mrad；入射口径D1＝5mm；LCOS液晶空间光调制器3的液晶口径D液＝5mm，分辨率为512×512，像元尺寸为15μm。设定激光扩束系统的扩束倍率M的范围为50～100倍，由于：
得匹配透镜4的出射口径D透＝500mm；波像差小于λ/8。
0～255级灰度对应0～2π的相位调制量，根据相位的周期性原理，需要对进行取模2π运算，即除以2π的余数，以满足液晶的相位调制量限制。将取模后相位函数按照0～255级灰度对应0～2π的相位调制量的对应关系，生成控制LCOS液晶空间光调制器3的由数字透镜相位调制图和像差补偿相位调制图相加所得复合相位调制图。
激光扩束系统工作时，氦氖激光器发出的激光经偏振片2起偏为偏振光，以满足LCOS液晶空间光调制器3的需要。所述偏振光入射LCOS液晶空间光调制器3中。将所得复合相位调制图加载到LCOS液晶空间光调制器3中。复合相位调制图以其灰度控制LCOS液晶空间光调制器3的相位调制量。
被调制后出射，出射光通过匹配透镜4后输出。

Claims (3)

1.一种液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法，采用的激光扩束系统由光源(1)、偏振片(2)、LCOS液晶空间光调制器(3)和匹配透镜(4)依次同轴排列构成，其特征在于，根据设定的扩束倍率范围，选定匹配透镜(4)，计算数字透镜相位调制图；标定光源(1)、匹配透镜(4)的像差，计算像差补偿相位调制图；将所得数字透镜相位调制图和像差补偿相位调制图相加得到复合相位调制图；光源(1)发出的激光经偏振片(2)起偏为偏振光，将所得复合相位调制图加载到LCOS液晶空间光调制器(3)中，所述偏振光入射LCOS液晶空间光调制器(3)中，被调制后出射，出射光通过匹配透镜(4)后输出。
2.根据权利要求1所述的液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法，其特征在于，采用波前探测器分别检测光源(1)、匹配透镜(4)的像差，累加后就是激光扩束系统的整体波前像差，据此计算校正所需相位调制量，再计算像差补偿相位调制图。
3.根据权利要求1所述的液晶空间光调制器复合调制图激光扩束方法，其特征在于，所述扩束倍率范围为50～100倍。
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