CN109343320A - 一种光控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光控制装置，属于光控制领域和全息成像领域，该装置包括：光调制模块及色散补偿模块；所述光调制模块，用于对入射光场进行调制得到目标衍射光场；所述色散补偿模块，用于对所述目标衍射光场进行色散补偿，以使所述目标衍射光场中不同波长光场的空间位置分布相同，或者，所述目标衍射光场中不同波长光场的空间角分布相同。本发明利用光调制器构成数字全息图，控制其衍射场，从而得到灵活的光控制手段，然后利用色散补偿模块解决了全息图的色散补偿，克服了现有色散补偿技术仅针对光栅色散进行补偿的局限性。

Description

一种光控制装置
技术领域
本发明属于光控制领域和全息成像领域，尤其是涉及计算全息成像领域和光波前调制领域，更具体地，涉及一种光控制装置。
背景技术
光控制是指对光场分布进行控制，包括光的幅度和相位。常见的光控制方法包括振镜、数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)、空间光调制器(Spatial LightModulator，SLM)、电光偏转器、声光偏转器(Acousto Optical Deflectors，AOD)等。光控制的应用领域非常广泛，例如激光打标、激光切割、激光焊接、投影、光敏3D打印等。
光控制方法可以分为四种类型：反射型、折射型、投影型和衍射型。反射型是常见的光控制方法，例如激光加工中使用的振镜，即是通过旋转反射镜的方式使光束方向发生改变。折射型光控制通过改变折射性质以控制光的性质，例如液体变焦透镜，液体变焦透镜是折射型透镜，可改变其面型来实现焦距的改变；又例如电光偏转器，即是通过改变折射率来使光束发生偏转。投影型也是一种常见的光控制方法，例如投影仪，其方法为调制照明光的分布(主要是强度分布)，然后通过成像共轭关系将该分布投影到空间中某个区域。衍射型是通过衍射的方式进行光控制，此时衍射屏可等效为全息图，例如声光偏转器，其衍射屏的类型是布拉格光栅，当入射光是准直光时，其出射场是满足光栅方程的某个方向的准直光。
反射型和折射型的光控制方法优点是控制简单，局限性是能控制的自由度很有限，一般只能改变光的方向和光焦度。投影型能够对光的强度分布进行任意性的控制，即可产生任意图样，局限性主要有2点：1)仅能控制与投影屏共轭位置上的光强分布；2)投影范围内的每个点都只分配到很小部分的能量，假设照明光是均匀的，像素点个数是N，那么每个点只分得1/N的能量。衍射型按照具体器件不同，表现出不同的优缺点。例如声光偏转器，优点是速度很快，缺点是成本高、仅能改变光的方向和光焦度、效率不如反射型高。对于以空间光调制器或数字微镜器件为核心器件的衍射型光束控制，优点是速度快、能对光的强度和相位分布进行任意性的控制，并且产生图样时光能利用率可以远大于投影型。例如只希望产生一个点时，投影型只能获取1/N的光能，对于典型的高清投影芯片(像素数1920×1080)单点仅能获得两百万分之一的光能量，衍射型的衍射效率远大于该值。
目前衍射型的光控制方法技术还不成熟，主要表现为光路系统复杂度高及对照明光束质量要求高等。同时，现有的衍射型光控制方法多只能适用于单色光、准单色光或窄带光，因为衍射存在色散效应，不同波长的光经相同的衍射屏衍射后，形成光场分布不同。飞秒激光具有极高的瞬时功率，其与物质的相互作用与传统的连续或长脉冲激光不同，在减材、增材和其他加工方式(焊接、表面处理等)上都具有独特的优势，例如高精度、低热效应等。但是飞秒激光为窄带光，具有10nm量级的线宽。现有的衍射型光控制方法不能很好适用于飞秒激光。
因此，如何实现宽带光(例如飞秒激光)衍射型光控制是目前亟需解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光控制装置，由此解决现有的衍射型光控制方法不能很好适用于宽带光衍射型光控制的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种光控制装置，包括：光调制模块及色散补偿模块；
所述光调制模块，用于对入射光场进行调制得到目标衍射光场；
所述色散补偿模块，用于对所述目标衍射光场进行色散补偿，以使所述目标衍射光场中不同波长光场的空间位置分布相同，或者，所述目标衍射光场中不同波长光场的空间角分布相同。
优选地，所述色散补偿模块包括：依次放置的第一透镜组及第二透镜组；所述第一透镜组及所述第二透镜组组成开普勒望远镜结构。
优选地，所述第一透镜组的焦距和所述第二透镜组的焦距在目标波长范围内满足如下关系：其中，ffront为所述第一透镜组的焦距，frear为所述第二透镜组的焦距，λ为光波长。
优选地，所述第一透镜组表现为负色差，且经过所述第一透镜组的波长越长，则所述第一透镜组的焦距越短。
优选地，所述第二透镜组表现为正色差，且经过所述第二透镜组的波长越长，则所述第二透镜组的焦距越长。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：利用光调制器构成数字全息图，控制其衍射场，从而得到灵活的光控制手段，然后利用色散补偿模块解决了全息图的色散补偿，克服了现有色散补偿技术仅针对光栅色散进行补偿的局限性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种光控制装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种色散补偿模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种色散补偿模块的前透镜组示意图；
图4为本发明实施例提供的一种色散补偿模块的后透镜组示意图；
图5为本发明实施例提供的一种色散补偿模块的功能示意图；
图6为本发明实施例提供的一种色散补偿模块的效果示意图，其中，图6(a)为未添加色散补偿模块时的输出光空间分布示意图，图6(b)为色散补偿模块作用下的输出光空间分布示意图，图中用三角形指代任意分布的图样；
图7为本发明第一实施例提供的一种光控制装置的结构示意图；
图8为本发明第二实施例提供的一种光控制装置的结构示意图；
图9为本发明第三实施例提供的一种光控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”及“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
如图1所示为本发明实施例提供的一种光控制装置的结构示意图，在图1所示的装置中，包括：光调制模块1和色散补偿模块2，入射照明光3经过该装置之后变为输出光4。
在本发明实施例中，上述光调制模块1的作用是对入射光场进行调制，此时光调制模块1为衍射屏，可等效为一个全息图，其衍射场即输出光场是需要的光场的再现。
例如当光调制模块1的调制函数为光栅型时，输出光场是向特定的一个或几个方向传播的准直光，当光调制模块1的调制函数为二次相位分布时，输出光场是会聚或发散的球面波。理论上，通过计算全息的方法，对于任意满足麦克斯韦方程组的输出光场分布，都可以通过光调制模块1的调制来实现，必要时也可在输出前添加一个聚焦透镜来辅助实现需要的输出光场。
在本发明实施例中，上述光调制模块1的核心器件为能够对光的强度或相位分布进行调制的器件，例如数字微镜器件DMD、声光偏转器AOD或者空间光调制器SLM等。
在本发明实施例中，上述色散补偿模块2的作用是对光调制模块1调制后的光场进行色散补偿，使得经过光调制模块1调制后的光场的不同波长光场的空间位置分布或者空间角分布相同。
在本发明实施例中，色散补偿模块2的结构如图2所示，包括依次放置的第一透镜组21和第二透镜组22。第一透镜组21和第二透镜组22组成开普勒望远镜结构。第一透镜组21表现为负色差的正透镜，波长越长焦距越短，如图3所示；第二透镜组22表现为正色差的正透镜，波长越长焦距越长，如图4所示。
在本发明实施例中，第一透镜组的焦距ffront和第二透镜组的焦距frear在目标波长范围内近似满足关系其中，λ为光波长。
按照本发明的应用于衍射型光控制装置的设计，其原理如下：
衍射型光控制是通过光调制器调制光场，从而控制衍射场的光分布。在空间中建立空间直角坐标系，定义好两两正交的x方向、y方向和z方向，在近轴远场条件下，根据夫琅禾费衍射理论，衍射过程可写为：
U(fx,fy)＝I(fx,fy)*T(fx,fy) (1)
其中，fx和fy分别为x方向和y方向的空间频率，U(fx,fy)为衍射后的远场分布，I(fx,fy)为照明光的频谱，T(fx,fy)为衍射屏在频域上的调制函数，*表示卷积运算。且有：
其中，t(x,y)是衍射屏在空域上的透过率函数。
简单考虑照明光为一相同角度入射的波长分别为λ1和λ2的两束光，不失一般性的，假设这两束光只沿x方向倾斜，有：
其中，A1和A2是这两束光的幅度，α是入射光在xz平面内与z轴的夹角。
则衍射屏上的频谱可写为：
其中，δ表示狄拉克函数，对任意函数g(x,y)有：
g(x,y)*δ(x-s,y-t)＝g(x-s,y-t) (7)
利用式(7)的狄拉克函数性质，式(5)和式(6)可改写为：
设θx和θy分别是光的传播方向在xz平面和yz平面内与z轴的夹角。将式(8)改写成以θx和θy为自变量的形式(假设θx、θy及α<<1)：
U1′(θx,θy)＝A1T1′(θx-α,θy) (10)
其中
同样令
则有
对比式(10)和式(14)，可得：
式(15)的物理意义为，在近轴近似下(即θx、θy及α<<1)，λ2光场的角分布(不同角度上的光场的复振幅分布)是λ1光场的角分布以(α,0)方向为中心做比例为λ2/λ1的缩放。由该结论易得，假设在衍射屏后放置一个理想透镜，在理想透镜的焦面上，λ2光场的空间分布是λ1光场的空间分布以(α,0)角度的平面波在理想透镜焦面上的聚焦点为中心做比例为λ2/λ1的缩放。
色散补偿模块基于望远镜角放大的原理进行色散补偿，望远镜的角放大率为前后透镜组的焦距比。色散补偿模块的第一透镜组与第二透镜组的焦距比与波长成反比，因此色散补偿模块的角放大率可表示为：
其中，λ为光波长，λ0为某个特定波长，M0为色散补偿模块在λ0下的角放大率。色散补偿模块是两个正透镜组组成的开普勒望远系统，同时也是4f系统，入瞳面定为4f系统的前焦面，出瞳面定为4f系统的后焦面。使用时将衍射屏置于入瞳面，同时将色散补偿模块的光轴对准零色散方向(在没有色散预补偿时，应为α角对应方向)。由于角放大即是对角分布进行缩放，可得出瞳面上λ1光场和λ2光场的角分布分别为：
此时出瞳面上λ1光场和λ2光场的角分布是一样的，仅仅只有幅度因为照明光强度不同而有所不同。因此经过色散补偿模块后，衍射色散得以消除。
如图5所示为本发明实施例提供的一种色散补偿模块2的色散补偿原理示意图。如图6所示为本发明实施例提供的一种色散补偿模块2的效果示意图。无色散补偿模块2时，不同波长的输出光场空间位置分布不同，表现为波长越长，图样的尺寸越大，如图6(a)所示。经过色散补偿模块2补偿后，不同波长的输出光场的空间分布一致，如图6(b)所示。
如图7所示为本发明第一实施例提供的一种光控制装置的结构示意图，飞秒激光器31输出的光经过反射光栅11反射后(反射光栅11用于提供色散预补偿)，经过透镜12和透镜13中继，照射到数字微镜器件14上，数字微镜器件14对光进行调制，调制后的光经过色散补偿模块2后，再经过透镜51成为输出光场。
如图8所示为本发明第二实施例提供的一种光控制装置的结构示意图，飞秒激光器31输出的光经棱镜121折射后(棱镜121用于提供色散预补偿)，照射到双轴声光偏转器15上，双轴声光偏转器15对光进行调制，调制后的光经色散补偿模块2后，再经过透镜51成为输出光场。
如图9所示为本发明第三实施例提供的一种光控制装置的结构示意图，飞秒激光器31输出的光照射到相位调制型空间光调制器16上，空间光调制器16对光进行调制，调制后的光经色散补偿模块2后，再经过透镜51成为输出光场。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光控制装置，其特征在于，包括：光调制模块及色散补偿模块；
所述光调制模块，用于对入射光场进行调制得到目标衍射光场；
所述色散补偿模块，用于对所述目标衍射光场进行色散补偿，以使所述目标衍射光场中不同波长光场的空间位置分布相同，或者，所述目标衍射光场中不同波长光场的空间角分布相同。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述色散补偿模块包括：依次放置的第一透镜组及第二透镜组；所述第一透镜组及所述第二透镜组组成开普勒望远镜结构。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一透镜组的焦距和所述第二透镜组的焦距在目标波长范围内满足如下关系：其中，ffront为所述第一透镜组的焦距，frear为所述第二透镜组的焦距，λ为光波长。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述第一透镜组表现为负色差，且经过所述第一透镜组的波长越长，则所述第一透镜组的焦距越短。
5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述第二透镜组表现为正色差，且经过所述第二透镜组的波长越长，则所述第二透镜组的焦距越长。
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