CN109683306A - 一种用于克服热透镜效应的波前控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于克服热透镜效应的波前控制方法，属于自适应光学技术领域，当光学系统中激光增益介质处于未工作状态时，变形镜与波前传感器建立严格的像传递关系，记录液体透镜的初始焦距；当激光增益介质处于工作状态时，光学系统的光路中存在热透镜像差，本发明先通过精确调节液体透镜的焦距，重新建立光学系统中变形镜和波前传感器之间的像传递关系，再根据液体透镜焦距变化量，开环控制变形镜补偿热透镜像差，进而重新建立整个光学系统的像传递关系，最终达到克服热透镜效应对光学系统像传递关系影响的目的。

Description

一种用于克服热透镜效应的波前控制方法

技术领域

本发明属于自适应光学技术领域，具体地说涉及一种用于克服热透镜效应的波前控制方法。

背景技术

热透镜效应严重影响激光光束质量、破坏光路系统的像传递关系，造成激光系统无法正常工作，为了克服热透镜效应的影响，自适应光学技术被广泛应用(一、Developmentof a variable focal length concave mirror for on-shot thermal lens correctionin rod amplifiers,《OPTICS EXPRESS》,Vol.14,2006,10957-10969.二、Thermal lenscompensation by convex deformation of a flat mirror with variable annularforce,《Applied Physics B》,Vol.82,2006,275–281.)。自适应光学系统是一种实时探测和校正随机光学波前像差的系统，它主要由波前传感器(哈特曼波前传感器或者曲率传感器等)、波前校正器(倾斜镜、变形镜等)和波前控制器等部分组成。由波前传感器实时探测波前畸变信息，并由波前控制器将波前传感器探测得到的信号经过控制算法转化为波前校正器各个驱动器的电压控制信号，电压控制信号驱动波前校正器改变镜面面形，从而实现波前畸变的实时校正。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种用于克服热透镜效应的波前控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于克服热透镜效应的波前控制方法，包括以下步骤：

S1：调整光学系统中各光学元件的位置，保证入射光束经变形镜反射后依次传输至可变焦距的液体透镜、波前传感器；

S2：当光学系统中激光增益介质处于未工作状态时，变形镜与波前传感器建立严格的像传递关系，记录液体透镜的初始焦距；

S3：当激光增益介质处于工作状态时，光学系统的光路中存在热透镜像差，调节液体透镜的焦距直至变形镜与波前传感器重新建立严格的像传递关系，记录液体透镜的调节焦距；

S4：对比初始焦距和调节焦距得到热透镜效应对应的离焦量，将液体透镜的焦距调节至初始焦距，根据离焦量开环控制变形镜补偿热透镜像差。

进一步，所述光学系统包括分光镜、激光增益介质、反光镜、波前传感器、变形镜和控制器，所述分光镜倾斜设置，且分光镜、激光增益介质与变形镜同光轴设置，入射光束经分光镜后依次透射至激光增益介质、变形镜，经变形镜反射回的入射光束经分光镜后分为取样光束和出射光束，所述反光镜、液体透镜和波前传感器同光轴设置，且反光镜与分光镜对应设置，取样光束依次入射至反光镜、液体透镜和波前传感器，所述控制器分别与波前传感器、变形镜电连接。

进一步，所述分光镜、反光镜与水平面的夹角均为45°。

进一步，所述反光镜和液体透镜之间还设有第一透镜，所述第一透镜与液体透镜组成缩束组件，且第一透镜的光轴与波前传感器的光轴重合。

进一步，所述反光镜上镀有增反膜，所述第一透镜和液体透镜上均镀有增透膜。

进一步，步骤S2中，变形镜驱动器未施加电压时，利用波前传感器获得变形镜像面位置的光束强度图并定义为施压前光束强度图，选择若干个变形镜驱动器并分别施加电压，利用波前传感器获得若干个施压后变形镜像面位置的光束强度图，并定义为施压后光束强度图，将施压前光束强度图分别与若干个施压后光束强度图进行对比，若光束强度分布均未发生变化，则认为变形镜与波前传感器建立严格的像传递关系。

进一步，选择施加电压的变形镜驱动器的个数不少于3个。

进一步，步骤S3中，调节液体透镜的焦距，利用波前传感器获得调节后变形镜像面位置的光束强度图，并定义为调节后光束强度图，将施压前光束强度图与调节后光束强度图进行对比，若光束强度分布未发生变化，则认为变形镜与波前传感器重新建立严格的像传递关系。

本发明的有益效果是：

先通过精确调节液体透镜的焦距，重新建立光学系统中变形镜和波前传感器之间的像传递关系，再根据液体透镜焦距变化量，开环控制变形镜补偿热透镜像差，进而重新建立整个光学系统的像传递关系，最终达到克服热透镜效应对光学系统像传递关系影响的目的。

附图说明

图1是本发明中光学系统的结构示意图；

图2是激光增益介质未工作时，波前传感器测量到的施压前光束强度图；

图3是激光增益介质工作时，波前传感器测量到的光束强度图；

图4是调节液体透镜焦距后，波前传感器测得的调节后光束强度图；

图5是变形镜进行波前补偿后，波前传感器测得的光束强度图。

附图中：1-入射光束、2-分光镜、3-激光增益介质、4-变形镜、5-反光镜、6-第一透镜、7-液体透镜、8-波前传感器、9-控制器、10-出射光束。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

一种用于克服热透镜效应的波前控制方法，包括以下步骤：

S1：调整光学系统中各光学元件的位置，保证入射光束经变形镜反射后依次传输至可变焦距的液体透镜、波前传感器。

具体的，如图1所示，所述光学系统包括分光镜2、激光增益介质3、反光镜5、波前传感器8、变形镜4和控制器9，所述分光镜2倾斜设置，且分光镜2、激光增益介质3与变形镜4同光轴设置，入射光束1经分光镜2后依次透射至激光增益介质3、变形镜4，经变形镜4反射回的入射光束经分光镜2后分为取样光束和出射光束10，所述反光镜5、液体透镜7和波前传感器8同光轴设置，且反光镜5与分光镜2对应设置，取样光束依次入射至反光镜5、液体透镜7和波前传感器8，所述控制器9分别与波前传感器8、变形镜4电连接。作为优选，所述分光镜2、反光镜5与水平面的夹角均为45°。本实施例中，所述反光镜5和液体透镜7之间还设有第一透镜6，所述第一透镜6与液体透镜7组成缩束组件，且第一透镜6的光轴与波前传感器8的光轴重合。所述反光镜5上镀有增反膜，所述第一透镜6和液体透镜7上均镀有增透膜。

S2：当光学系统中激光增益介质3处于未工作状态时，变形镜驱动器未施加电压时，利用波前传感器8获得变形镜4像面位置的光束强度图并定义为施压前光束强度图，选择若干个变形镜驱动器并分别施加电压，利用波前传感器8获得若干个施压后变形镜4像面位置的光束强度图，并定义为施压后光束强度图，将施压前光束强度图分别与若干个施压后光束强度图进行对比，若光束强度分布均未发生变化，则认为变形镜4与波前传感器8建立严格的像传递关系，记录液体透镜7的初始焦距。其中，选择施加电压的变形镜驱动器的个数不少于3个。

S3：当激光增益介质3处于工作状态时，光学系统的光路中存在热透镜像差，调节液体透镜7的焦距，利用波前传感器8获得调节后变形镜像面位置的光束强度图，并定义为调节后光束强度图，将施压前光束强度图与调节后光束强度图进行对比，若光束强度分布未发生变化，则认为变形镜4与波前传感器8重新建立严格的像传递关系，记录液体透镜7的调节焦距。

S4：对比初始焦距和调节焦距得到热透镜效应对应的离焦量，根据离焦量开环控制变形镜4补偿热透镜像差，此时，液体透镜7恢复至初始焦距。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

入射光束的口径为35×35mm，波长为1053nm；分光镜的口径为100×100mm，45°放置，对1053nm激光反射率1％；激光增益介质为钕玻璃棒，尺寸为40×40×120mm，LD侧面泵浦；变形镜的技术参数如表1所示；反光镜口径为100×100mm，45°放置，对1053nm激光反射率99.95％；第一透镜口径为100×100mm，焦距为100cm；液体透镜的口径为10×10mm，焦距从+5cm连续变化到+∞；波前传感器的技术参数如表2所示；控制器；出射光束的口径为35×35mm，波长为1053nm。

表1：变形镜技术参数

表2：波前传感器技术参数

具体过程如下：

1、激光增益介质未工作时不存在热透镜效应，此时，光学系统的像传递关系正常，即变形镜与波前传感器建立严格的像传递关系，液体透镜的焦距设置是10cm，波前传感器测量到的施压前光束强度图，如图2所示。

2、激光增益介质工作时产生的热透镜效应严重破坏了光学系统的像传递关系，波前传感器测量到的光束强度图如图3所示。图3与图2对比后可以明显看出光束近场口径的变化，其中，热透镜效应产生后的光束近场口径相比于产生前的口径减小了26％，因此，热透镜效应严重破坏了系统的像传递关系。

3、为了克服热透镜效应对光学系统的影响，精确调节液体透镜焦距使波前传感器上的光束近场口径恢复热透镜效应产生前的状态，当液体透镜焦距设置是10.25cm时，波前传感器测量到的调节后光束强度图，如图4所示。

4、根据液体透镜的焦距变化量，计算得到热透镜效应对应的离焦量是8.2μm，然后控制变形镜开环对其进行补偿，此时，液体透镜焦距设置是10cm，波前补偿后波前传感器测得的光束强度图，如图5所示。可见热透镜效应对光学系统像传递关系的影响被有效克服，光束近场恢复到热透镜效应产生前的状态。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种用于克服热透镜效应的波前控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：调整光学系统中各光学元件的位置，保证入射光束经变形镜反射后依次传输至可变焦距的液体透镜、波前传感器；

S2：当光学系统中激光增益介质处于未工作状态时，变形镜与波前传感器建立严格的像传递关系，记录液体透镜的初始焦距；

S3：当激光增益介质处于工作状态时，光学系统的光路中存在热透镜像差，调节液体透镜的焦距直至变形镜与波前传感器重新建立严格的像传递关系，记录液体透镜的调节焦距；

S4：对比初始焦距和调节焦距得到热透镜效应对应的离焦量，将液体透镜的焦距调节至初始焦距，根据离焦量开环控制变形镜补偿热透镜像差。

2.根据权利要求1所述的波前控制方法，其特征在于，所述光学系统包括分光镜、激光增益介质、反光镜、波前传感器、变形镜和控制器，所述分光镜倾斜设置，且分光镜、激光增益介质与变形镜同光轴设置，入射光束经分光镜后依次透射至激光增益介质、变形镜，经变形镜反射回的入射光束经分光镜后分为取样光束和出射光束，所述反光镜、液体透镜和波前传感器同光轴设置，且反光镜与分光镜对应设置，取样光束依次入射至反光镜、液体透镜和波前传感器，所述控制器分别与波前传感器、变形镜电连接。

3.根据权利要求2所述的波前控制方法，其特征在于，所述分光镜、反光镜与水平面的夹角均为45°。

4.根据权利要求3所述的波前控制方法，其特征在于，所述反光镜和液体透镜之间还设有第一透镜，所述第一透镜与液体透镜组成缩束组件，且第一透镜的光轴与波前传感器的光轴重合。

5.根据权利要求4所述的波前控制方法，其特征在于，所述反光镜上镀有增反膜，所述第一透镜和液体透镜上均镀有增透膜。

6.根据权利要求4或5所述的波前控制方法，其特征在于，步骤S2中，变形镜驱动器未施加电压时，利用波前传感器获得变形镜像面位置的光束强度图并定义为施压前光束强度图，选择若干个变形镜驱动器并分别施加电压，利用波前传感器获得若干个施压后变形镜像面位置的光束强度图，并定义为施压后光束强度图，将施压前光束强度图分别与若干个施压后光束强度图进行对比，若光束强度分布均未发生变化，则认为变形镜与波前传感器建立严格的像传递关系。

7.根据权利要求6所述的波前控制方法，其特征在于，选择施加电压的变形镜驱动器的个数不少于3个。

8.根据权利要求6所述的波前控制方法，其特征在于，步骤S3中，调节液体透镜的焦距，利用波前传感器获得调节后变形镜像面位置的光束强度图，并定义为调节后光束强度图，将施压前光束强度图与调节后光束强度图进行对比，若光束强度分布未发生变化，则认为变形镜与波前传感器重新建立严格的像传递关系。