CN109883542A - 无波前探测扩束光路补偿的激光扩束传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光扩束传输技术领域，提供了一种无波前探测扩束光路补偿的激光扩束传输方法及实施该方法的系统。该方法包括：将入射光束进行扩束以形成与变形反射镜口径相匹配的第一光束；将第一光束经变形反射镜反射形成的反射光束进行扩束以形成第二光束；接收第二光束的采样反射光束会聚后的光斑，并获取光斑的信息；根据光斑信息计算控制电压；根据控制电压对光路进行校正。该方法简单，通用性好，可实施性强。该系统包括分光镜、第一扩束机构、变形反射镜、第二扩束机构、采样反射镜、聚焦透镜、能量探测器、算法控制器和高压放大器，通过在光路末端增加采样反射镜，探测激光的自反射光聚焦后的光斑能量实现对扩束光路的补偿。

Description

无波前探测扩束光路补偿的激光扩束传输方法及系统

技术领域

本发明涉及激光扩束传输技术领域，更具体而言，涉及一种无波前探测、扩束光路补偿的激光扩束传输方法及实现该方法的系统。

背景技术

激光具有光束质量好、功率密度高等特点，是一种重要的光源与信息载体。在激光的传输过程中，例如在测距、武器、通信等领域，通常需要进行扩束，以压缩其发散角，获得更高的传输效率。但是激光在传输过程中，由于其能量密度高，热效应严重，会使透镜等元件发生畸变，光束波前产生一定的像差，降低传输效率。此外，随着时间的推移，扩束光学系统由于机械形变、震动等原因，也会产生一定的畸变，进一步降低传输激光的光束质量。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种基于传输激光自反射后聚焦直接探测光斑能量、无需测量波前信息的技术方案。

本发明的目的可通过以下技术措施来实现：

本发明第一方面提供了一种无波前探测扩束光路补偿的激光扩束传输方法，所述方法包括：

将入射光束进行扩束，以形成直径与变形反射镜口径相匹配的第一光束；

将所述第一光束经变形反射镜反射形成的反射光束进行扩束，以形成第二光束；

接收所述第二光束的采样反射光束沿原光路返回后会聚的光斑，并获取所述光斑的信息；

根据所述光斑信息计算控制电压；

根据所述控制电压对光路进行校正。

优选地，所述“根据所述控制电压对光路进行校正”的步骤包括：将所述控制电压通过高压放大器放大并施加到所述变形反射镜上，以对光路进行校正。

本发明第二方面提供了一种实现上述激光扩束传输方法的系统，所述系统包括：

分光镜，入射光束经过所述分光镜后被分成第一反射光束和第一透射光束；第一扩束机构，对所述第一透射光束进行扩束，以形成直径与变形反射镜口径相匹配的第一光束；

变形反射镜，所述第一光束经过所述变形反射镜后反射形成第二反射光束；

第二扩束机构，将所述第二反射光束进行扩束，以形成第二光束；

采样反射镜，所述第二光束经过所述采样反射镜后反射形成第三反射光束，所述第三反射光束依次经过所述第二扩束机构、所述变形反射镜、所述第一扩束机构和所述分光镜，被所述分光镜分成第四反射光束和第二透射光束；

聚焦透镜，将所述第四反射光束会聚成光斑；

能量探测器，采集所述光斑的信息；

算法控制器，根据所述光斑的信息计算控制电压；

高压放大器，将所述控制电压施加到所述变形反射镜上。

优选地，所述采样反射镜为带楔角的平面反射镜，包括前反射面和后反射面，所述楔角在所述后反射面上，所述第二光束先到达所述前反射面。

更优选地，所述前反射面和所述后反射面上均设有增透膜。

优选地，所述第一扩束机构是由若干个透镜组成的倍率可调节的扩束机构。

优选地，所述分光镜为双向分光元件。

优选地，所述系统还包括光垃圾篓，所述光垃圾篓将不需要的光吸收并隔离。

优选地，所述分光镜和所述采样反射器均能够被切入或切出光路中。

优选地，所述聚焦透镜为凸透镜；和/或

所述第二扩束机构是由若干个透镜组成的扩束机构；和/或

所述分光镜为分光棱镜晶体或分光膜；和/或

所述变形镜为连续镜面压电促动变形镜或MEMS变形镜；和/或

所述能量探测器为面阵相机或光电倍增管；

所述算法控制器为控制计算机或FGPA控制处理器。

与现有技术相比，本发明提供的激光扩束传输方法根据光路可逆原理，使用扩束光路自身作为缩束光路，实现对扩束光路的补偿，方法简单，通用性好，可实施性强。本发明提供的实现该方法的系统通过在光路末端增加与光轴垂直的采样反射镜，使得激光的自反射光沿原光路返回，通过探测激光的自反射光聚焦后的光斑能量并实时计算控制电压实现了对扩束光路的补偿，避免了传统方法中在扩束光路最末端增加大口径分光镜和缩束镜组采样，增加光路复杂度和成本的缺陷，系统结构简单、成本低、光路简单，尤其适用于高功率激光由于光学元件等热效应导致的波前畸变较大、传输效率低等情况；该系统采用分离式两级扩束机构，包括了多级扩束透镜组，均通过模块化设计，结构简单紧凑，可以根据不同需求进行调整，使得该系统具有非常好的通用性；该系统直接探测激光自反射后聚焦的光斑能量，根据光斑信息进行补偿校正，无需测量波前信息以及对波前探测器的标定操作，系统结构更简单。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种激光扩束传输方法流程图。

图2本发明实施例提供的一种激光扩束传输系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的一种采样反射镜的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的一种分光镜与电动平移台的配合示意图。

图5是本发明实施例提供的一种采样反射镜与电动平移台的配合示意图。

图中1、分光镜；2、一级连续变倍扩束器；3、可变形反射镜；4、二级扩束器；5、采样反射镜；6、聚焦透镜；7、能量探测器；8、算法控制器；9、高压放大器；10、光垃圾篓；11、前反射面；12、后反射面；13、楔角；14、第一电动平移台；15、第一平移控制器；16第二电动平移台；17、第二平移控制器。

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，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

本发明一方面提供了一种无波前探测扩束光路补偿的激光扩束传输方法，见图1，该方法包括：先将入射光束扩束成与变形镜口径相匹配的第一光束；再将该第一光束经过变形镜反射后的反射光束扩束成与采样反射镜口径相匹配的直径符合需求的第二光束；然后接收该第二光束的采样反射光束沿原光路返回后会聚的光斑，并获取该光斑的信息；继续根据该光斑信息计算并产生控制电压；最后根据该控制电压对光路进行校正。在该方法中，步骤“根据该光斑信息计算并产生控制电压”还包括根据该光斑信息计算并产生控制电压，然后将该控制电压的信号放大为能够驱动变形镜工作的高压信号。该方法根据光路可逆原理，使用扩束光路自身作为缩束光路，实现对系统的扩束光路补偿，方法实现简单，通用性好，可实施性强。

因此，本发明另一方面提供了一种无波前探测扩束光路补偿的激光扩束传输系统，该系统包括分光镜、与主光路光轴垂直的采样反射镜、聚焦透镜、扩束模块和校正模块。请参阅图2所示的本发明激光扩束传输系统的一种实施例提供的结构示意图，系统包括分光镜1、一级连续变倍扩束器2、可变形反射镜3、二级扩束器4、采样反射镜5、聚焦透镜6、能量探测器7、算法控制器8、高压放大器9和光垃圾篓10；其中一级连续变倍扩束器2和二级扩束器4构成了该系统的扩束模块，能量探测器7、算法控制器8、高压放大器9和可变形反射镜3构成了该系统的校正模块。

分光镜1为双向分光元件，两个方向均具有反射和透射光的功能，激光经过分光镜1的第一个方向，被分成反射光和透射光，其中反射光为无用光由光垃圾篓10吸收隔离，以防止对人体伤害，透射光经过一级连续变倍扩束器2扩束成与可变形反射镜3口径相匹配的光束，该光束经可变形反射镜3反射后，再经二级扩束器4扩束成直径符合要求的第二光束，第二光束到达采样反射镜5反射后产生激光的自反射光，其中采样反射镜5与主光路的光轴垂直，该自反射光依次经过二级扩束器4、可变形反射镜3、一级连续变倍扩束器2后到达分光镜1的第二个方向，再次被分成透射光和反射光，其中透射光为无用光，反射光经过聚焦透镜6后会聚成光斑。

能量探测器7探测到该光斑后，获取该光斑的信息，并转换为电信号传输至算法控制器8，算法控制器8根据该电信号计算并产生控制电压，而高压放大器9则将该控制电压的信号放大为能够驱动可变形反射镜3工作的高压信号，可变形反射镜3根据该高压信号对经过其表面反射的光信号进行补偿校正。通过实时驱动变形镜对光信号进行补偿，使激光波前分布接近平坦，提高激光传输质量因子。

在本实施例中，分光镜1具有能够被切入或切出电路的功能，如图4所示，通过将分光镜1设于第一电动平移台14上，第一电动平移台14通过第一平移控制器15的操控在一维方向上平移移动，从而实现将分光镜1切入或切出电路。

在本实施例中，采样反射镜5被安装在整个光路的末端，用于产生激光的自反射光，通过探测自反射光会聚后的光斑信息实现扩束光路补偿。请参阅图3所示的本发明实施例提供的一种采样反射镜的结构示意图，该采样反射镜5为带楔角13的平面反射镜，包括前反射面11和后反射面12，其中楔角13设于后反射面12上。光束经过二级扩束器4后先到达前反射面11。在本发明的另一些实施例中，前反射面11上镀有部分增透膜，也就是前反射面11能让入射光以一定的透射/反射比例被分成透射光和反射光，选择多少比例的增透膜根据系统需求设定。后反射面12上镀有全增透膜，当光束经过前反射面11时，被分成透射光和少量的反射光，因为采样反射镜5与主光束的光轴垂直安放，因此，少量的反射光会沿着主光路原路返回，依次经过二级扩束器4、可变形反射镜3、一级连续变倍扩束器2到达分光镜1，由于这部分的反射光能量小，因此经过分光镜1分成的透射光能量更小，为无用光，对人体和光源设备的伤害可以忽略不计。而被前反射面11分成的透射光到达后反射面12时，继续被分成透射光和反射光，由于后反射面12上镀有全增透膜，产生的反射光非常微弱，又因为楔角13设在后反射面12上，这部分微弱的反射光将与主光束光轴偏离一定的角度而成为杂散光。

在本实施例中，采样反射镜5也具备能够被切入或切出电路的功能，如图5所示，通过将采样反射镜5设于第二电动平移台16上，第二电动平移台16通过第二平移控制器17的操控在一维方向上平移移动，从而实现将采样反射镜5切入或切出电路。

根据本发明的一些实施例，一级连续变倍扩束器2是由透镜组成的倍率可调节的扩束光学器，可以针对不同直径的输入激光束进行调节和扩束，使输出的激光直径恒定并与可变形反射镜3的口径相匹配。二级扩束器4也是由透镜组成的扩束光学器，在本实施例中，它的作用是将光束扩束成直径符合需求的第二光束，采样反射器5的口径根据该第二光束的直径确定。扩束模块采用分离式两级扩束光学器，包括了多级扩束透镜组，均采用模块化设计，结构简单紧凑，可以适应直径在一定范围内变化的输入激光束以匹配可变形反射镜的口径，且经该扩束模块后的光束直径恒定或可调，使得该系统具有非常好的通用性。

在本实施例中，聚焦透镜6为一定焦距的凸透镜，其中聚焦透镜6具有将平行光汇聚至焦点处的作用，从而有利于能量探测器7获取该光束会聚后的光斑信息。

在本发明的一些实施例中，可以选择本领域中任何合适的设备作为本系统中的能量探测器7，如面阵相机或光电倍增管等光电转换器件，例如本实施例中使用的是USB接口工业级面阵相机。算法控制器8是连接能量探测器7和可变形反射器3的核心器件，可以选择本领域任何合适的设备作为本系统中的算法控制器，如工业控制计算机、FGPA控制器，当然也可以是普通计算机。算法控制器8采用的是无波前算法，在本实施例中，通过对可变形反射镜3施加微小扰动，测量由此引起的光斑能量分布变化，然后算法控制器8再根据该变化信息计算出控制电压。值得说明的是，并不仅限于本实施例中的计算方法，任何根据光斑信息实现计算控制电压的算法均适应于本系统。该系统直接探测激光自反射后聚焦的光斑能量，根据光斑信息进行补偿校正，无需测量波前信息以及对波前探测器的标定操作，系统结构更简单。

可变形反射镜3的镜面具有变形的能力，由于算法控制器输出的电压信号小，通常不足以驱动可变形反射镜3工作，因此，在本实施例中，还设有高压放大器9，其具有将小幅值电压信号放大为能够驱动可变形反射镜3工作的高压信号的功能，可变形反射镜3则通过接收由高压放大器9的电压信号对经过其表面反射的光信号进行补偿校正。在本实施例中，可变形反射镜3为连续镜面压电促动变形镜，在本发明的另一些实施例中，可变形反射镜3还可以为MEMS变形镜等其他变形镜。

进一步地，当需要对激光波前进行校正时，将分光镜1和采样反射镜5切入光路；当补偿工作完成后，将分光镜1和采样反射镜5切出光路，保持可变形反射镜3的控制电压不变，入射光束完全通过扩束光路，同时波前畸变被消除。

另外，在本实施例中，第一电动平移台14、第二电动平移台16、聚焦透镜6、扩束模块、可变形反射镜3、能量探测器7、光垃圾篓10均安装于同一块光学平板上。

综上所述，本发明提供的激光扩束传输系统通过在光路末端增加与主光路光轴垂直的采样反射镜，使得激光的自反射光沿原光路返回，通过探测激光的自反射光聚焦后的光斑能量并实时计算控制电压实现了对该系统的扩束光路的补偿，避免了传统方法中在扩束光路最末端增加大口径分光镜和缩束镜组采样，增加光路复杂度和成本的缺陷，系统结构简单、成本低、光路简单，且该系统尤其适用于高功率激光由于光学元件等热效应导致的波前畸变较大、传输效率低等情况。

下述为本发明提供的激光传输系统的一个具体实施例的实施过程：

通过控制第一电动平移台14和第二电动平移台16，将分光镜1和采样反射镜5切入光路。激光首先经过分光镜1，在此处将分为透射光和反射光，其中反射光为无用光由光垃圾篓10吸收隔离，以防止人体伤害；透射光进入一级连续变倍扩束器2，根据入射光束的直径调节放大倍率，使出射光直径与可变形反射镜3口径匹配；光束经过可变形反射镜3反射后，进入二级扩束器4再次扩束达到要求的直径；由二级扩束镜器4出射的光束正入射至采样反射镜5，并分别被其前反射面11和后反射面12反射，其中前反射面11镀部分增透膜，光束将有少量原路返回，后反射面12镀有全增透膜，反射光非常微弱，并且由于带有楔角13，该部分反射光将与主光路光轴偏离一定的角度而成为杂散光。

由前反射面11反射回的部分光束，再次经过二级扩束器4、可变形反射镜3、一级连续变倍扩束器2，到达分光镜1，分成透射光和反射光，其中透射光为无用光，由于较弱不另做处理，反射光则由聚焦透镜6会聚至其焦点处，由能量探测器7探测该焦斑并产生相应的数据，算法控制器8根据采集得到的该数据提取该焦斑的性能指标，并以一定的控制算法计算控制电压，经由高压放大器9放大后用于驱动可变形反射镜3生成相应的补偿面形，与光路内的像差相抵消，达到对光束波前进行补偿的目的。然后控制第一电动移台14和第二电动平移台16，将分光镜1和楔角平面反射镜切出光路，入射光束完全通过。在本实施例中，可变形反射镜3采用的是连续镜面压电促动变形镜；能量探测器7采用的是USB接口工业级面阵相机；分光镜1采用的是分光棱镜；算法控制器8采用的是工业控制计算机。

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 (10)

1.一种无波前探测扩束光路补偿的激光扩束传输方法，其特征在于，所述方法包括：

将入射光束进行扩束，以形成直径与变形反射镜口径相匹配的第一光束；

将所述第一光束经变形反射镜反射形成的反射光束进行扩束，以形成第二光束；

接收所述第二光束的采样反射光束会聚后的光斑，并获取所述光斑的信息；

根据所述光斑信息计算控制电压；

根据所述控制电压对光路进行校正。

2.如权利要求1所述的激光扩束传输方法，其特征在于，所述“根据所述控制电压对光路进行校正”的步骤包括：将所述控制电压通过高压放大器施加到所述变形反射镜上，以对光路进行校正。

3.一种实现权利要求1或2所述激光扩束传输方法的系统，其特征在于，所述系统包括：

分光镜，入射光束经过所述分光镜后被分成第一反射光束和第一透射光束；

第一扩束机构，对所述第一透射光束进行扩束，以形成直径与变形反射镜口径相匹配的第一光束；

变形反射镜，所述第一光束经过所述变形反射镜后反射形成第二反射光束；

第二扩束机构，将所述第二反射光束进行扩束，以形成第二光束；

采样反射镜，所述第二光束经过所述采样反射镜后反射形成第三反射光束，所述第三反射光束依次经过所述第二扩束机构、所述变形反射镜、所述第一扩束机构和所述分光镜，被所述分光镜分成第四反射光束和第二透射光束；

聚焦透镜，将所述第四反射光束会聚成光斑；

能量探测器，采集所述光斑的信息；

算法控制器，根据所述光斑的信息计算控制电压；

高压放大器，将所述控制电压放大并施加到所述变形反射镜上。

4.如权利要求3所述的激光扩束传输系统，其特征在于，所述采样反射镜为带楔角的平面反射镜，包括前反射面和后反射面，所述楔角在所述后反射面上，所述第二光束先到达所述前反射面。

5.如权利要求4所述的激光扩束传输系统，其特征在于，所述前反射面和所述后反射面上均设有增透膜。

6.如权利要求3所述的激光扩束传输系统，其特征在于，所述第一扩束机构是由若干个透镜组成的倍率可调节的扩束机构。

7.如权利要求3所述的激光扩束传输系统，其特征在于，所述分光镜为双向分光元件。

8.如权利要求3所述的激光扩束传输系统，其特征在于，所述系统还包括光垃圾篓，所述光垃圾篓将不需要的光吸收并隔离。

9.如权利要求3所述的激光扩束传输系统，其特征在于，所述分光镜和所述采样反射器均能够被切入或切出光路中。

10.如权利要求3所述的激光扩束传输系统，其特征在于，所述聚焦透镜为凸透镜；和/或

所述第二扩束机构是由若干个透镜组成的扩束机构；和/或

所述分光镜为分光棱镜晶体或分光膜；和/或

所述变形镜为连续镜面压电促动变形镜或MEMS变形镜；和/或

所述能量探测器为面阵相机或光电倍增管；

所述算法控制器为控制计算机或FGPA控制处理器。