CN106681014B - 适用于高功率激光装置的高精度光路准直的方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于高功率激光装置高精度光路准直的方法，主要包括以下步骤。首先获得空间滤波器小孔的空间位置，之后利用扩束镜在CCD像面上获得椭圆焦斑，并经过图像处理获得椭圆中心位置和长短轴偏差。最后调整反射镜使得焦斑近似呈圆形并且焦斑中心与小孔基准重合。与传统的准直方法相比，本发明所述的准直方法将激光光束的的倾斜角度考虑到准直过程中，能够保证激光光束垂直穿过空间滤波器的小孔，使得高功率激光装置获得的能量密度更高。

Description

适用于高功率激光装置的高精度光路准直的方法

技术领域

本发明涉及高功率激光领域，特别是一种适用于高功率激光装置的高精度光路准直的方法。

背景技术

光路自动准直是大型惯性约束聚变激光装置不可或缺的重要组成部分，是惯性约束聚变高效、精密运行的重要保证。光路自动准直的任务就是通过逐段检测光束位置和方向的偏差，由前向后依次调整光路中的反射镜，使各路光束恢复到原定光路上。目前常规的光路准直方法是分别记录空间滤波器小孔和激光光斑在CCD像面上的位置，然后通过调整反射镜及其调整机构，使得小孔中心与焦斑中心不断接近直至重合，完成光路准直工作。

根据高功率激光装置性能的要求，只有当激光光束垂直入射时能量最集中，效率最高。而目前这种光路准直的方法主要问题是这种方法只能保证激光光束中心在小孔中心处两者中心重合，并不能保证激光光束能够垂直通过小孔。

发明内容

本发明为了解决激光光束不能垂直入射的问题，基于光束在非垂直入射的状态下会形成椭圆光斑，倾斜的角度与形成的椭圆光斑的长短轴之差有关这种物理现象，提出了一种适用于高功率激光装置的高精度光路准直的方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种适用于高功率激光装置的高精度光路准直的方法，所述的高功率激光装置光路由第一反射镜、第二反射镜和空间滤波器组成，沿主激光方向依次是所述的第一反射镜、第二反射镜、空间滤波器穿过小孔，其特点在于该方法包括以下步骤：

1)所述的高精度光路准直装置由非相干照明光源LED光源、透射光栅、第三反射镜、第四反射镜、扩束镜、CCD和计算机组成，所述的非相干照明光源LED光源照射所述的透射光栅，沿所述的透射光栅产生的一级衍射光方向依次是第三反射镜、第四反射镜、扩束镜和CCD，所述的CCD的输出端接所述的计算机；

2)在所述的空间滤波器的小孔的后面放置所述的透射光栅，令所述的透射光栅覆盖所述的小孔，且透射光栅的基准中心与小孔的中心重合；设所述的CCD像面上的椭圆光斑的长短轴长度的误差阈值为d；

3)打开所述的非相干照明光源LED光源照明所述的透射光栅，将所述的扩束镜移出光路，调整所述的非相干照明LED光源的准直光束的入射角，使所述的透射光栅产生的一级衍射光，依次经所述的第三反射镜、第四反射镜、所述的透射光栅成像在所述的CCD的像面上，所述的CCD将透射光栅的像输入所述的计算机，通过计算机的图像处理得到所述的透射光栅的基准中心，即所述的空间滤波器的小孔的中心位置；

4)打开主激光，将所述的扩束镜移入光路中，主激光束的焦斑穿过小孔照射到透射光栅，该透射光栅产生一级衍射光，该一级衍射光依次通过所述的第三反射镜、第四反射镜、扩束镜，在所述的CCD像面上成现一椭圆光斑的像，所述的CCD将得到椭圆光斑的像输入所述的计算机；

5)所述的计算机对所述的椭圆光斑的像按现有的方法进行图像处理，得到椭圆光斑的中心位置、长短轴长度；

6)当所述的椭圆光斑的长短轴的长度差值等于或小于d时，进入步骤7)，当所述的椭圆光斑的长短轴的长度差值大于d时，调整第一反射镜及其调整机构1和第二反射镜及其调整机构2，并返回上述第4)步；

7)完成光路准直。

本发明的有益效果：

本发明高精度光路准直的方法，基于光束在非垂直入射的状态下会形成椭圆光斑，倾斜的角度与形成的椭圆光斑的长短轴之差有关这种物理现象而提出的光路准直调整方法。即将CCD获取的图像的椭圆中心坐标、长轴、短轴以及长轴倾斜量等几何参数。通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状，至长短轴轴长差值满足误差范围，获得规则的圆形光斑，然后分析圆光斑中心与基准位置的偏差值，将差值转为闭环控制的步进电机调整步数，最终实现高功率激光装置光束的自准直。

附图说明

图1为本发明所述的在非相干光源照明下小孔成像光路示意图。

图2为本发明主激光光束成像光路示意图。

图3为本发明所述的光路准直前的激光光斑图像。

图4为本发明所述的光路准直后的激光光斑图像。

图中，1-第一反射镜，2-第二反射镜，3-空间滤波器，4-小孔，5-第三反射镜，6-第四反射镜，7-扩束镜，8-CCD，9-LED光源，10-透射光栅。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应因此限制本发明的保护范围。

请参阅图1和图2，本发明适用于高功率激光装置高精度光路准直的方法，所述的高功率激光装置光路由第一反射镜1、第二反射镜2和空间滤波器3组成，沿主激光方向依次是所述的第一反射镜1、第二反射镜2、空间滤波器3穿过小孔4，该方法包括以下步骤：

1)所述的高精度光路准直装置由非相干照明光源LED光源9、透射光栅10、第三反射镜5、第四反射镜6、扩束镜7、CCD 8和计算机(图中未示)组成，所述的非相干照明光源LED光源9照射所述的透射光栅10，沿所述的透射光栅10产生的一级衍射光方向依次是第三反射镜5、第四反射镜6、扩束镜7和CCD8，所述的CCD8的输出端接所述的计算机；

2)在所述的空间滤波器3的小孔4的后面放置所述的透射光栅10，令所述的透射光栅10覆盖所述的小孔4，且透射光栅10的基准中心与小孔4的中心重合；设所述的CCD像面上的椭圆光斑的长短轴长度的误差阈值为d；

3)打开所述的非相干照明光源LED光源9照明所述的透射光栅10，将所述的扩束镜7移出光路，调整所述的非相干照明LED光源9的准直光束的入射角，使所述的透射光栅10产生的一级衍射光，依次经所述的第三反射镜5、第四反射镜6，所述的透射光栅10成像在所述的CCD的像面上，所述的CCD将透射光栅10的像输入所述的计算机，通过计算机的图像处理得到所述的透射光栅10的基准中心，即所述的空间滤波器3的小孔的中心位置；

4)打开主激光，将所述的扩束镜7移入光路中，主激光束的焦斑穿过小孔4照射到透射光栅，该透射光栅产生一级衍射光，该一级衍射光依次通过所述的第三反射镜5、第四反射镜6、扩束镜7，在所述的CCD像面上成现一椭圆光斑的像，所述的CCD将所述的椭圆光斑的像输入所述的计算机；

5)所述的计算机对所述的椭圆光斑的像按现有的方法进行图像处理，得到椭圆光斑的中心位置、长短轴长度，详细的处理算法见文献[1][2]，[1]闫蓓，王斌，李媛。最小二乘法的椭圆拟合改进算法[J],北京航空航天大学学报，2008,34(3):295-298。[2]冯俊萍，赵转萍，徐涛.基于数学形态学的图像边缘检测技术[J].航空计算技术,2004,34(3):53-56.；

6)当所述的椭圆光斑的长短轴的长度差值等于或小于d时，进入步骤7)，当所述的椭圆光斑的长短轴的长度差值大于d时，调整第一反射镜及其调整机构1和第二反射镜及其调整机构2，并返回上述第4)步；

7)完成光路准直。调整后的光斑图像如图4所示。

实验表明，本发明所述的准直方法将激光光束的的倾斜角度考虑到准直过程中，能够保证激光光束垂直穿过空间滤波器的小孔，使得高功率激光装置获得的能量密度更高。

Claims (1)

1.一种适用于高功率激光装置光路准直的方法，所述的高功率激光装置光路由第一反射镜(1)、第二反射镜(2)和空间滤波器(3)组成，沿主激光方向依次是所述的第一反射镜(1)、第二反射镜(2)、空间滤波器(3)穿过小孔(4)，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)光路准直装置由非相干照明光源LED光源(9)、透射光栅(10)、第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、扩束镜(7)、CCD(8)和计算机组成，所述的非相干照明光源LED光源(9)照射所述的透射光栅(10)，沿所述的透射光栅(10)产生的一级衍射光方向依次是第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、扩束镜(7)和CCD(8)，所述的CCD(8)的输出端接所述的计算机；

2)在所述的空间滤波器(3)的小孔(4)的后面放置所述的透射光栅(10)，令所述的透射光栅(10)覆盖所述的小孔(4)，且透射光栅(10)的基准中心与小孔(4)的中心重合；设所述的CCD像面上的椭圆光斑的长短轴长度的误差阈值为d；

3)打开所述的非相干照明光源LED光源(9)照明所述的透射光栅(10)，将所述的扩束镜(7)移出光路，调整所述的非相干照明LED光源(9)的准直光束的入射角，使所述的透射光栅(10)产生的一级衍射光，依次经所述的第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、所述的透射光栅(10)成像在所述的CCD的像面上，所述的CCD将透射光栅(10)的像输入所述的计算机，通过计算机的图像处理得到所述的透射光栅(10)的基准中心，即所述的空间滤波器(3)的小孔的中心位置；

4)打开主激光，将所述的扩束镜(7)移入光路中，主激光束的焦斑穿过小孔(4)照射到透射光栅，该透射光栅产生一级衍射光，该一级衍射光依次通过所述的第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、扩束镜(7)，在所述的CCD像面上成现一椭圆光斑的像，所述的CCD将得到椭圆光斑的像输入所述的计算机；

5)所述的计算机对所述的椭圆光斑的像按现有的方法进行图像处理，得到椭圆光斑的中心位置、长短轴长度；

6)当所述的椭圆光斑的长短轴的长度差值等于或小于d时，进入步骤7)，当所述的椭圆光斑的长短轴的长度差值大于d时，调整第一反射镜及其调整机构1和第二反射镜及其调整机构2，并返回上述第4)步；

7)完成光路准直。