CN108919532B - 激光光束相干度和束散角复合调控方法 - Google Patents

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Abstract

激光光束相干度和束散角复合调控方法属于应用光学技术领域。现有技术在装置方面存在结构复杂的问题，装置的设计和制造成本也会很高。本发明由计算机根据零均值高斯分布二实值函数
Figure DDA0001757182780000011
生成零均值高斯分布相位图；输入所需激光光束的空间相干长度σg和束散角θ的值，再由计算机根据随机相位函数
Figure DDA0001757182780000012
束散角调制函数
Figure DDA0001757182780000013
分别生成若干个相干长度调控相位图、束散角调控相位图；将两个相位图叠加后取余，生成复合调控相位图；将所述复合调控相位图加载到液晶空间光调制器上，复合调控相位图按某一频率切换，对液晶空间光调制器的相位调制量进行灰度控制，同步完成对入射激光光束的相干度和束散角的复合调控。

Description

激光光束相干度和束散角复合调控方法
技术领域
本发明涉及一种激光光束相干度和束散角复合调控方法，属于应用光学技术领域。
背景技术
就空间相干光而言，与完全相干光相比，部分相干光的相干度低，光强分布更加均匀，而且在传输过程中也更容易保持光强分布不变。在相同的湍流条件下，湍流介质对部分相干光的影响比它对完全相干光的影响要小的多。因此，部分相干光在大气湍流中长距离传播时发散更小，能量更集中，光束形状保持得更好。正是由于部分相干光具有这样的优点，其被广泛应用于很多领域，如自由空间激光通信、激光热处理、激光扫描、激光涂敷、激光可控核聚变、激光全息和非线性光学以及成像光学等。于是，现有技术需要采取措施，通过相干长度的调整，将作为完全相干光的激光调整为部分相干光，例如，在激光谐振腔外加装光学元件，或者在激光谐振腔内放置光学元件调控激光相干度大小。
另外，为了实现光束的远距离传输，需要将光束的束散角压缩到最小值，接近衍射极限角。由于束散角的大小与相干度相关，也就是相干度越高，束散角越小，好像在调控相干度的同时也就调控了束散角，其实不然，因为，相干度与束散角的对应关系十分复杂，束散角并不能在调控相干度的同时按照预期得到相应调控。因此，现有技术另行采用准直光学系统压缩光束的束散角。并且，需要针对部分相干光的不同相干度，重新设计准直光学系统。
可见，现有技术为了获得所需部分相干光和控制束散角，在装置的方面存在结构复杂的问题，装置的设计和制造成本也会很高。
再有，部分相干光的产生本来就是随机的，存在诸多不确定性，其中就包括相干度的不确定，也就是说部分相干光的相干度不稳定，更为糟糕的是，相干度的变化又会引起束散角的变化，直接影响光束在介质中的正常传输。
发明内容
为了获得所需部分相干光和控制束散角，同时简化调控装置结构，降低调控成本，并且能够稳定部分相干光的相干度，我们发明了一种激光光束相干度和束散角复合调控方法，从方法方面一次性同步调控部分相干光的相干度及束散角。
本发明之激光光束相干度和束散角复合调控方法包括以下步骤，激光光束经准直后由偏振器件起偏为符合液晶空间光调制器要求的偏振光，在计算机的控制下，由液晶空间光调制器完成激光光束的相干度和束散角的调控，得到具有某一相干长度和束散角的部分相干激光光束；其特征在于：
根据零均值高斯分布二实值函数
Figure BDA0001757182760000021
生成零均值高斯分布相位图；输入所需激光光束的空间相干长度σg和束散角θ的值，由计算机根据随机相位函数
Figure BDA0001757182760000022
束散角调制函数
Figure BDA0001757182760000023
分别生成若干个相干长度调控相位图、束散角调控相位图；
相干长度调控相位图的生成过程为：
根据输入的空间相干长度σg生成窗口函数
Figure BDA0001757182760000024
以窗口函数
Figure BDA0001757182760000025
作为卷积核，由所述零均值高斯分布相位图卷积产生具有某一相位相干长度δφ的随机相位函数
Figure BDA0001757182760000026
即：
Figure BDA0001757182760000027
式中：
Figure BDA0001757182760000028
为相位图像素点极坐标；根据δφ＝mσg，m为相干长度转换系数，求得相位相干长度δφ，最后由随机相位函数
Figure BDA0001757182760000029
生成具有所述某一相位相干长度δφ的相干长度调控相位图；
束散角调控相位图的生成过程为：
束散角调制函数
Figure BDA00017571827600000210
为：
Figure BDA00017571827600000211
式中：(x,y)为相位图像素点直角坐标，波数k＝2π/λ，λ为光束波长，液晶空间光调制器等效透镜的焦距f由下式求出：
Figure BDA00017571827600000212
式中：θ为具有某一空间相干长度σg的部分相干激光光束束散角，L为光束传播距离，ω0为光束出射液晶空间光调制器时的直径；
最后由束散角调制函数
Figure BDA00017571827600000213
生成具有所述某一束散角θ的束散角调控相位图；
将所生产的相干长度调控相位图和束散角调控相位图叠加后取余，生成复合调控相位图；
将所述复合调控相位图加载到液晶空间光调制器上，复合调控相位图按某一频率切换，对液晶空间光调制器的相位调制量进行灰度控制，同步完成对入射激光光束的相干度和束散角的复合调控。
本发明其技术效果在于，从硬件方面看，本发明只需引入一个液晶空间光调制器即可完成光束的相干度和束散角的调控，无需因所需相干度、束散角的不同而调整、重新设计甚至更换硬件部件或者系统，由计算机按程序和输入的相干长度、束散角数据，即可计算生成相应的调控相位图，控制液晶空间光调制器调整和控制出射的光束的相干度和束散角，调控成本也因此大幅降低。
附图说明
图1为依本发明之方法，设定相干长度为1.2mm、束散角为3.8mrad时，生成的相干度和束散角复合调控相位图，该图同时作为摘要附图。
图2为依本发明之方法，设定相干长度为0.9mm、束散角为7.5mrad时，生成的相干度和束散角复合调控相位图。
具体实施方式
实施例1
由He-Ne激光器发射波长λ为633nm、光束直径ω为6mm、功率50mW的激光光束；偏振器件采用线偏振滤光片；液晶空间光调制器是一种面阵、电寻址、纯相位调制、反射式或者透射式空间光调制器，分辨率为256×256，像元尺寸为24μm；激光光束经准直后由线偏振滤光片起偏为符合液晶空间光调制器要求的偏振光，在计算机的控制下，由液晶空间光调制器完成激光光束的相干度和束散角的调控，得到具有某一相干长度和束散角的部分相干激光光束。具体过程如下所述：
根据零均值高斯分布二实值函数
Figure BDA0001757182760000031
生成零均值高斯分布相位图；输入的激光光束的空间相干长度σg为1.2mm、束散角θ为3.8mrad，由计算机根据随机相位函数
Figure BDA0001757182760000032
束散角调制函数
Figure BDA0001757182760000033
分别生成若干个相干长度调控相位图、束散角调控相位图。
相干长度调控相位图的生成过程为：
根据输入的空间相干长度σg生成窗口函数
Figure BDA0001757182760000034
Figure BDA0001757182760000035
以窗口函数
Figure BDA0001757182760000036
作为卷积核，由所述零均值高斯分布相位图卷积产生具有某一相位相干长度δφ的随机相位函数
Figure BDA0001757182760000037
即：
Figure BDA0001757182760000038
式中：
Figure BDA0001757182760000039
为相位图像素点极坐标；相干长度转换系数m由液晶空间光调制器的像元尺寸决定，根据δφ＝mσg，求得相位相干长度δφ为50，最后由随机相位函数生成具有所述某一相位相干长度δφ的相干长度调控相位图。
束散角调控相位图的生成过程为：
束散角调制函数
Figure BDA0001757182760000042
为：
Figure BDA0001757182760000043
式中：(x,y)为相位图像素点直角坐标，波数k＝2π/λ，光束波长λ为633nm，液晶空间光调制器等效透镜的焦距f由下式求出：
Figure BDA0001757182760000044
式中：空间相干长度σg为1.2mm的部分相干激光光束束散角θ为3.8mrad，光束传播距离L为1m，光束出射液晶空间光调制器时其直径未变，因此ω0为6mm；由此求得f＝-100；
最后由束散角调制函数
Figure BDA0001757182760000045
生成具有所述某一束散角θ的束散角调控相位图。
将所生产的相干长度调控相位图和束散角调控相位图叠加后取余，生成复合调控相位图，如图1所示。所述取余是在确定以0～255级灰度对应0～2π的相位调制量后，鉴于相位的周期性，对叠加后的调控相位图进行取模2π运算，即除以2π的余数，以满足液晶的相位调制范围限制。
将所述复合调控相位图加载到液晶空间光调制器上，复合调控相位图按某一频率切换，对液晶空间光调制器的相位调制量进行灰度控制，同步完成对入射激光光束的相干度和束散角的复合调控。
在相干长度调控相位图的生成过程、束散角调控相位图的生成过程中，分别生成一个相干长度调控相位图、束散角调控相位图，叠加后生成一个复合调控相位图；将该复合调控相位图加载到液晶空间光调制器后，按某一频率在360°角度范围内等角度转动切换。为提高调控精度，在相干长度调控相位图的生成过程、束散角调控相位图的生成过程中，分别生成数量相同的多个相干长度调控相位图、束散角调控相位图，逐对叠加后生成多个复合调控相位图；将该多个复合调控相位图加载到液晶空间光调制器后，按某一频率切换。所述某一频率为20～60Hz。生成的复合调控相位图越多，调控精度越高。
实施例2
由半导体激光器发射波长λ为808nm、光束直径ω为8mm、功率60mW的激光光束；偏振器件采用线偏振滤光片；液晶空间光调制器是一种面阵、电寻址、纯相位调制、反射式或者透射式空间光调制器，分辨率为512×512，像元尺寸为15μm；激光光束经准直后由线偏振滤光片起偏为符合液晶空间光调制器要求的偏振光，在计算机的控制下，由液晶空间光调制器完成激光光束的相干度和束散角的调控，得到具有某一相干长度和束散角的部分相干激光光束。具体过程如下所述：
根据零均值高斯分布二实值函数
Figure BDA0001757182760000051
生成零均值高斯分布相位图；输入的激光光束的空间相干长度σg为0.9mm、束散角θ为7.5mrad，由计算机根据随机相位函数
Figure BDA0001757182760000052
束散角调制函数
Figure BDA0001757182760000053
分别生成若干个相干长度调控相位图、束散角调控相位图。
相干长度调控相位图的生成过程为：
根据输入的空间相干长度σg生成窗口函数
Figure BDA0001757182760000054
Figure BDA0001757182760000055
以窗口函数
Figure BDA0001757182760000056
作为卷积核，由所述零均值高斯分布相位图卷积产生具有某一相位相干长度δφ的随机相位函数
Figure BDA0001757182760000057
即：
Figure BDA0001757182760000058
式中：
Figure BDA0001757182760000059
为相位图像素点极坐标；相干长度转换系数m由液晶空间光调制器的像元尺寸决定，根据δφ＝mσg，求得相位相干长度δφ为60，最后由随机相位函数
Figure BDA00017571827600000510
生成具有所述某一相位相干长度δφ的相干长度调控相位图。
束散角调控相位图的生成过程为：
束散角调制函数
Figure BDA00017571827600000511
为：
Figure BDA00017571827600000512
式中：(x,y)为相位图像素点直角坐标，波数k＝2π/λ，光束波长λ为808nm，液晶空间光调制器等效透镜的焦距f由下式求出：
Figure BDA0001757182760000061
式中：空间相干长度σg为0.9mm的部分相干激光光束束散角θ为7.5mrad，光束传播距离L为0.5m，光束出射液晶空间光调制器时其直径未变，因此ω0为8mm；由此求得f＝-50；
最后由束散角调制函数
Figure BDA0001757182760000062
生成具有所述某一束散角θ的束散角调控相位图。
将所生产的相干长度调控相位图和束散角调控相位图叠加后取余，生成复合调控相位图，如图2所示。
将所述复合调控相位图加载到液晶空间光调制器上，复合调控相位图按某一频率切换，对液晶空间光调制器的相位调制量进行灰度控制，同步完成对入射激光光束的相干度和束散角的复合调控。

Claims (3)

1.一种激光光束相干度和束散角复合调控方法，包括以下步骤，激光光束经准直后由偏振器件起偏为符合液晶空间光调制器要求的偏振光，在计算机的控制下，由液晶空间光调制器完成激光光束的相干度和束散角的调控，得到具有某一相干长度和束散角的部分相干激光光束；其特征在于：
根据零均值高斯分布二实值函数
Figure FDA0002739373010000011
生成零均值高斯分布相位图；输入所需激光光束的空间相干长度σg和束散角θ的值，由计算机根据随机相位函数
Figure FDA0002739373010000012
束散角调制函数
Figure FDA0002739373010000013
分别生成若干个相干长度调控相位图、束散角调控相位图；
相干长度调控相位图的生成过程为：
根据输入的空间相干长度σg生成窗口函数
Figure FDA0002739373010000014
以窗口函数
Figure FDA0002739373010000015
作为卷积核，由所述零均值高斯分布相位图卷积产生具有某一相位相干长度δφ的随机相位函数
Figure FDA0002739373010000016
即：
Figure FDA0002739373010000017
式中：
Figure FDA0002739373010000018
为相位图像素点极坐标；根据δφ＝mσg，m为相干长度转换系数，求得相位相干长度δφ，最后由随机相位函数
Figure FDA0002739373010000019
生成具有所述某一相位相干长度δφ的相干长度调控相位图；
束散角调控相位图的生成过程为：
束散角调制函数
Figure FDA00027393730100000110
为：
Figure FDA00027393730100000111
式中：(x,y)为相位图像素点直角坐标，波数k＝2π/λ，λ为光束波长，液晶空间光调制器等效透镜的焦距f由下式求出：
Figure FDA00027393730100000112
式中：θ为具有某一空间相干长度σg的部分相干激光光束束散角，L为光束传播距离，ω0为光束出射液晶空间光调制器时的直径；
最后由束散角调制函数
Figure FDA00027393730100000113
生成具有所述某一束散角θ的束散角调控相位图；
将所生产的相干长度调控相位图和束散角调控相位图叠加后取余，生成复合调控相位图；所述取余是在确定以0～255级灰度对应0～2π的相位调制量后，鉴于相位的周期性，对叠加后的调控相位图进行取模2π运算，即除以2π的余数，以满足液晶的相位调制范围限制；
将所述复合调控相位图加载到液晶空间光调制器上，复合调控相位图按某一频率切换，对液晶空间光调制器的相位调制量进行灰度控制，同步完成对入射激光光束的相干度和束散角的复合调控。
2.根据权利要求1所述的激光光束相干度和束散角复合调控方法，其特征在于，在相干长度调控相位图的生成过程、束散角调控相位图的生成过程中，分别生成一个相干长度调控相位图、束散角调控相位图，叠加后生成一个复合调控相位图；将该复合调控相位图加载到液晶空间光调制器后，按某一频率在360°角度范围内等角度转动切换；或者，在相干长度调控相位图的生成过程、束散角调控相位图的生成过程中，分别生成数量相同的多个相干长度调控相位图、束散角调控相位图，逐对叠加后生成多个复合调控相位图；将该多个复合调控相位图加载到液晶空间光调制器后，按某一频率切换。
3.根据权利要求1所述的激光光束相干度和束散角复合调控方法，其特征在于，所述某一频率为20～60Hz。
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