CN107515471B - 一种提高激光输出能量分布均匀性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高激光输出能量分布均匀性的装置及方法，包括准直系统、光阑、透镜、光纤、变形镜、摆镜、探测器和计算分析系统。利用变形镜随机改变激光能量分布，同时利用摆镜系统稳定像斑位置。本装置提高了激光及其他光源输出能量分布均匀性，具有光损耗小和能量分布均匀度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，设计一种提高激光输出能量分布均匀性的装置及方法。
背景技术
激光作为一种高亮度、高相干和单色性好的光源而得到广泛应用，比如激光显示、惯性约束聚变和天文光谱仪定标等领域。这些应用领域对激光的能量分布均匀性都有较高的要求。但是激光在系统中传输时，由于相干性好，容易形成干涉条纹；同时，当光路中的界面存在和波长尺度相当的不规则结构时，容易产生空间强度起伏的散斑结构，造成能量分布不均匀，严重影响了激光的使用范围。
比如在激光显示领域，这种能量的不均匀性会造成显示图像分辨率和对比度下降，同时对观看者造成眼部不适。
比如在惯性约束聚变领域，这种能量的不均匀性会导致激光束与靶丸相互作用过程中各种参量不稳定效应的产生，从而降低靶丸压缩的球对称性，造成点火失败。
比如在天文光谱仪定标领域，如基础物理常数测量、宇宙爆炸加速度测量和系外行星探测等，都对入射光的能量均匀性提出了较高要求。入射光包括平场灯、定标灯和待测星光。平场灯常用的是卤素灯，用来解决探测器不同像素间强度响应不一致的问题。定标灯常用的是空心阴极灯和飞秒激光器。空心阴极灯使用方便，价格较为低廉，定标稳定性在10-7。当需要高精度波长定标时，飞秒激光器提供了一种更好的选择。飞秒激光在一定光谱范围内具有强度均匀、等间隔分立的且间隔可调节的谱线结构，同时激光器可以锁定于原子钟，实现10-11的稳定度，是作为光谱仪高精度定标的理想定标灯。实际操作中定标灯和平场灯通常利用光纤耦合到光谱仪。如图2(a)所示，定标灯或平场灯(5)可以通过光纤(6)在望远镜焦面(2)耦合到科学光纤(3)，称为自参考定标方式；如图2(b)所示，定标灯或平场灯(5)也可以通过光纤(6)直接耦合进入光谱仪(4)，叫做同步定标方式。待测星光则由望远镜焦面(2)耦合进入科学光纤(3)。由于入射光耦合进入光纤时，除了子午光线还有倾斜光线，这样出射光斑能量分布通常来说不均匀，这种不均匀性会导致光谱仪谱线畸变，造成测量精度下降。
目前存在的均匀化激光能量分布的方法普遍存在能量利用率低或者使用上不方便，以激光为例。如专利CN202330967U，公开了一种激光补光匀化的激光照明装置，采用运动的毛玻璃、多面棱镜、筛孔等器件进行匀滑光强操作，存在能量利用率低，出射方向不易控制的问题。
专利CN203773167U，公开了一种半导体激光器照明模组的光斑匀化装置，利用微透镜阵列与毛玻璃结合，有效消除散斑同时达到匀滑能量分布的作用，但双微透镜阵列和毛玻璃的应用，能量损耗大。
专利CN103837992B公开了一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法，将光纤输出端利用HF腐蚀，形成粗糙界面，将激光广角度无序输出实现均匀化效果，但不利于后续光路耦合和光损耗较大。
专利CN103364956B公布了一种光纤输出激光均匀化消散斑的方法及装置，利用对光纤施加应力同时高速震动的方式均匀光强，但其振动频率高达50～200Hz，长时间使用时容易损坏光纤，同时光纤焦比退化存在波动，能量利用率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高激光输出能量分布均匀性的装置及方法，解决了光源输出能量分布不均匀的问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案：
一种提高激光输出能量分布均匀性的装置及方法，包括：
光源(1)，用于产生入射光；
显微物镜(2)和第一透镜(3)用于将入射光完成准直扩束；
变形镜(4)在单幅图像曝光时间内以较高频率随机变形，均匀出射光能量分布；
第二透镜(5)将平行光聚焦；
分束镜(6)、摆镜(7)和探测器(8)组成摆镜系统，探测器(8)连续曝光，计算分析系统计算出每幅图像质心位置，同时控制摆镜(7)摆动以保证每幅图像质心位置锁定于指定像素；
光阑(9)和第三透镜(10)配合形成满足光纤入射焦比的光；
光纤(11)在长距离保持低光能损耗；
第四透镜(12)将光纤(11)出射光转化为平行光。
本发明的特征还在于，进一步的，光源可以是激光，同时也可采用空心阴极灯、卤素灯、星光和其他光源。
进一步的，所述准直系统包括显微物镜(2)和第一透镜(3)，同时实现扩束作用。
进一步的，所述变形镜(4)在单幅图像曝光时间内做多次随机变动，用于光斑能量分布的均匀化。
进一步的，探测器(8)图像采集频率高于变形镜变形频率，通过分析连续采集图像质心位置为摆镜(7)的摆动提供负反馈，用于稳定像斑位置。
进一步的，当光路中存在光纤时，所述光阑(9)和第三透镜(10)根据光纤入射焦比调节入射光。
进一步的，所述第四透镜(12)将光纤(11)输出光重新平行化。
所述无光纤光路图1(a)提高输出能量分布性按照以下步骤进行：
步骤1，光源1开启后，出射光经过显微物镜2和第一透镜3准直扩束。
步骤2，扩束光到达变形镜4。在单幅图像曝光时间内，变形镜4做多次随机变形，均匀光斑能量分布。
步骤3，光束进一步经过第二透镜5和分束镜6部分反射到探测器8连续曝光，探测器8采集频率高于变形镜变形频率。经过分析探测器8采集到的图像后控制摆镜7，稳定像斑，随后输出。
所述有光纤光路图1(b)提高输出能量分布性按照以下步骤进行：
步骤1，光源1开启后，出射光经过显微物镜2和第一透镜3扩束后，再经由光阑9和第三透镜10形成一定入射焦比耦合进入光纤11。
步骤2，光束从光纤出射后，经第四透镜12准直到达变形镜4。在单幅图像曝光时间内，变形镜4做多次随机变形，均匀光斑能量分布。
步骤3，光束进一步经过第二透镜5和分束镜6部分反射到探测器8连续曝光，探测器8采集频率高于变形镜变形频率。经过计算探测器8采集到的图像后控制摆镜7，稳定像斑，随后输出。
进一步的，为摆镜提供负反馈图像质心计算方法为灰度加权质心算法:
其中I'(xi,yj)∈I(xi,yj)|I(xi,yj)>T,i，j为图像的方向，m和n分别为i，j方向像素的数量，I(xi,yj)为像素点(xi,yj)的灰度值。T为背景噪声强度，通过对图像边缘累加再取平均值来作为T值。
本发明的有益效果是提高了激光及其他光源输出能量分布均匀性，不论光路中是否存在光纤以及入射光源采用激光、空心阴极灯、卤素灯、星光和其他光源时，都具有光损耗小和能量分布均匀度高的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1(a)是本发明激光输出能量分布均匀性光路示意图(无光纤情况)，图1(b)本发明激光输出能量分布均匀性光路示意图(有光纤情况)。
图2是望远镜自参考定标和同步定标方式示意图。
图3是无光纤光路输出激光原始图像和均匀能量后的图像。
图4是有光纤光路输出激光原始图像和均匀能量后的图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
(一)无光纤光路图1(a)
1)光源1开启后，出射光经过显微物镜2和第一透镜3准直扩束。
2)扩束光到达变形镜4。在单幅图像曝光时间内，变形镜4做多次随机变形，均匀光斑能量分布。
3)光束进一步经过第二透镜5和分束镜6部分反射到探测器8连续曝光，探测器8采集频率高于变形镜变形频率。经过分析探测器8采集到的图像后控制摆镜7，稳定像斑，随后输出。
(二)有光纤光路图1(b)
1)光源1开启后，出射光经过显微物镜2和第一透镜3扩束后，再经由光阑9和第三透镜10形成一定入射焦比耦合进入光纤11。
2)光束从光纤出射后，经第四透镜12准直到达变形镜4。在单幅图像曝光时间内，变形镜4做多次随机变形，均匀光斑能量分布。
3)光束进一步经过第二透镜5和分束镜6部分反射到探测器8连续曝光，探测器8采集频率高于变形镜变形频率。经过分析探测器8采集到的图像后控制摆镜7，稳定像斑，随后输出。
实施例：
此实施例中采用光源为激光。图3给出了无光纤光路(图1(a))原始图像和均匀能量后的图像。开启激光1，激光通过显微物镜2和第一透镜3完成扩束和准直，随后经过变形镜4和摆镜7，此时分为两种情况：(i)变形镜和摆镜处于静止状态，相当于两个反射镜。此时由摆镜7输出光斑为原始图像图3(a)；(ii)在单幅图像曝光时间内，变形镜4做多次随机变形,同时摆镜7以更高频率摆动稳定像斑，输出图像图3(b)。
图4给出了有光纤光路(图1(b))原始图像和均匀能量后的图像。开启激光1，激光通过显微物镜2和第一透镜3完成扩束和准直，随后通过光纤11、变形镜4和摆镜7，此时分为两种情况：(i)变形镜和摆镜处于静止状态，相当于两个反射镜。此时由摆镜7输出光斑为原始图像图4(a)；(ii)在单幅图像曝光时间内，变形镜4做多次随机变形,同时摆镜7以更高频率摆动稳定像斑，输出图像图4(b)。
原始光斑能量分布存在明显起伏，经过本系统后光斑能量均匀分布。
以上所述仅为本发明的较佳实施例子而已，并非用于限定本发明的保护范围。当入射光采用如激光、空心阴极灯、卤素灯、星光和其他光源时，都能取得理想结果。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种提高激光输出能量分布均匀性的装置，其特征在于，包括：
光源(1)，用于产生待测光束；
显微物镜(2)和第一透镜(3)用于将入射光源完成扩束；
变形镜(4)在单幅图像曝光时间内以较高频率随机变形，均匀出射光能量分布；
第二透镜(5)将平行光聚焦；
分束镜(6)、摆镜(7)和探测器(8)组成摆镜系统，探测器(8)连续曝光，计算分析系统计算出每幅图像质心位置，同时控制摆镜(7)摆动以保证光斑质心锁定于指定像素；
光阑(9)和第三透镜(10)配合形成满足光纤入射焦比的光；
光纤(11)在长距离保持低光能损耗；
第四透镜(12)将光纤(11)出射光转化为平行光；
所述变形镜(4)在单幅图像曝光时间内做多次随机变动，用于光斑能量分布的均匀化；
探测器(8)图像采集频率高于变形镜变形频率，通过分析连续采集图像像斑质心位置为摆镜(7)的摆动提供负反馈，用于稳定像斑质心位置；
为摆镜提供负反馈图像质心计算方法为灰度加权质心算法:
其中I'(xi,yj)∈I(xi,yj)|I(xi,yj)>T,i，j为图像的方向，m和n分别为i，j方向像素的数量，I(xi,yj)为像素点(xi,yj)的灰度值；T为背景噪声强度，通过对图像边缘累加再取平均值来作为T值。
2.根据权利要求1所述的一种提高激光输出能量分布均匀性的装置，其特征在于，光源(1)是激光、空心阴极灯、卤素灯或星光。
3.根据权利要求1所述的一种提高激光输出能量分布均匀性的装置，其特征在于，摆镜(7)反射光束为均匀能量分布后的输出光斑。
4.根据权利要求1所述的一种提高激光输出能量分布均匀性的装置，其特征在于，当光路中存在光纤时，所述光阑(9)和第三透镜(10)根据光纤入射焦比调节入射光。
5.根据权利要求1所述的一种提高激光输出能量分布均匀性的装置，其特征在于，所述第四透镜(12)将光纤输出光束重新平行化。
6.一种利用了如权利要求1-5任何一项所述的一种提高激光输出能量分布均匀性的装置来提高激光输出能量分布均匀性的方法，其特征在于，
无光纤光路提高输出光斑能量分布性按照以下步骤进行：
步骤1，光源(1)开启后，出射光经过显微物镜(2)和第一透镜(3)准直扩束；
步骤2，光束到达变形镜(4)，在单幅图像曝光时间内，变形镜(4)做多次随机变形，均匀光斑能量分布；
步骤3，光束进一步经过第二透镜(5)和分束镜(6)部分反射到探测器(8)连续曝光，探测器(8)采集频率高于变形镜变形频率；经过分析探测器(8)采集到的图像后控制摆镜(7)，稳定像斑位置，随后输出；
有光纤光路提高输出能量分布性按照以下步骤进行：
步骤1，光源(1)开启后，出射光经过显微物镜(2)和第一透镜(3)扩束后，再经由光阑(9)和第三透镜(10)形成一定入射焦比耦合进入光纤(11)；
步骤2，光束从光纤出射后，经第四透镜(12)准直到达变形镜(4)；在单幅图像曝光时间内，变形镜(4)做多次随机变形，均匀光斑能量分布；
步骤3，光束进一步经过第二透镜(5)和分束镜(6)部分反射到探测器(8)连续曝光，探测器(8)采集频率高于变形镜变形频率；经过分析探测器(8)采集到的图像后控制摆镜(7)，稳定像斑位置，随后输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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