CN110873969A - 一种空间光调制器和激光能量衰减的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光调制器和激光能量衰减的控制方法，所述空间光调制器包括光源，用于提供激光光束；光学介质，所述光学介质上设置能够使所述光源的激光光束发生衍射和散射的若干光学孔，所述光学介质位于所述光源的前方；透镜，用于将所述光源的激光光束通过所述光学介质后传播方向发生改变的光束进行汇聚，所述透镜位于所述光学介质的前方；光阑，用于对光束产生阻拦从而实现对后续光束能量的控制，所述光阑安放于所述透镜的前方且位于经过所述透镜汇聚前的光束的原焦点位置。本公开的方案，能够实现激光光束特定形状和能量密度要求的目的。

Description

一种空间光调制器和激光能量衰减的控制方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种空间光调制器和激光能量衰减的控制方法。

背景技术

激光光束或者平行度较好的光路中，为了实现一些特定能量分布或者特定形状的光束改变，消除局部的强区。通常的做法是，在光源与终端之间插入镜片，且改变插入镜片的反射率进行光束的改变。该手段实现非常困难，对镜片镀膜的要求非常高，尤其对于镀膜膜层反射率渐变的情况，靠镀膜基本无法实现。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何在激光光束或光路中，实现一些特定能量分布或者特定形状的光束改变，消除局部的强区。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种空间光调制器，包括：

光源，用于提供激光光束；

光学介质，所述光学介质上设置能够使所述光源的激光光束发生衍射和散射的若干光学孔，所述光学介质位于所述光源的前方；

透镜，用于将所述光源的激光光束通过所述光学介质后传播方向发生改变的光束进行汇聚，所述透镜位于所述光学介质的前方；

光阑，用于对光束产生阻拦从而实现对后续光束能量的控制，所述光阑安放于所述透镜的前方且位于经过所述透镜汇聚前的光束的原焦点位置。

优选的，根据所需的光斑分布图样布置各光学孔的空间排序，若干所述光学孔采用阵列排布。

优选的，所述光学介质上设置至少一个光学孔等间距的阵列区域。

优选的，所述光学孔等间距的阵列区域为矩形等间距的阵列区域、圆形等间距的阵列区域、三角形等间距的阵列区域、四边形等间距的阵列区域以及多边形等间距的阵列区域中的至少一种。

优选的，所述光学介质的横截面为圆形，所述光学介质上均匀布置四个光学孔矩形等间距的阵列区域。

优选的，每个光学孔矩形等间距的阵列区域均包括若干间隔设置的光学孔，四个所述光学孔矩形等间距的阵列区域的光学孔间距分别为0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm。

优选的，所述光学介质为平面镜，所述平面镜的表面设有具备反射率的反射膜或增透膜的涂层。

本发明还提供一种激光能量衰减的控制方法，包括：

搭建激光能量衰减模型；其中，所述激光能量衰减模型包括用于产生光斑分布图样的空间光调制器，所述空间光调制器包括设置若干光学孔的光学介质；

获取通过所述光学介质后的激光能量衰减的光斑分布图样；

以所述空间光调制器为基准，将所述空间光调制器的光学介质更换为白片，并获取当前状态下的原始光斑分布图样；

采用Matlab图像处理软件对激光能量衰减的光斑分布图样和原始光斑分布图样分别进行数字图像处理，以去除高斯光束的影响，从而得到激光能量衰减的目标光斑分布图样。

优选的，所述获取通过所述光学介质的激光能量衰减的光斑分布图样的步骤，包括：

预设多组、不同阵列结构的光学介质进行测试，得到对应的多组不同衰减强度的激光能量衰减的光斑分布图样。

优选的，所述得到对应的多组不同衰减强度的光斑分布图样的步骤之后，还包括：

以原始光斑分布图样为基准，将相同制备条件下的阵列结构衰减值进行数据统计，得到平均衰减值与统计误差。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的空间光调制器，其光源提供激光光束，所述激光光束通过光学介质的光学孔发生衍射和散射，采用透镜对传播方向发生改变的光束进行汇聚，并由光阑对汇聚后的部分光束进行阻拦而实现对后续光束能量的控制。光学介质的光学孔包括多个参数信息，通过控制光学孔的各参数信息来实现对光学介质光束透过率的控制，进而实现对激光光束特定形状和能量密度分布要求的控制。特定形状能够通过投影幕布收集的光斑分布图样来直观的显示。而能量密度分布可通过光斑分布图样显示的颜色及色彩的深浅程度定性观测，同时，通过后续的数字图像处理软件进一步定量检测经过光学衰减后的能量密度分布情况。空间光调制器的整体结构能够实现激光光束特定形状和能量密度要求的目的。

激光能量衰减的控制方法，因具备空间光调制器，具有与空间光调制器相应的有益效果。

附图说明

图1为本发明的一种空间光调制器的结构示意图；

图2为本发明的光学介质的结构示意图；

图3为本发明的点阵列结构的多组样品数据；

图4a为本发明的点阵列结构所形成的多个光斑分布图样中的其中一个；

图4b为本发明的将光学介质更换为白片而得到的原始光斑分布图样；

图5a为本发明的点阵列结构的光学衰减分布的2D衰减分布示意图；

图5b为本发明的点阵列结构的光学衰减分布的3D衰减分布示意图；

图6为本发明的多组点阵列结构与光学衰减强度的对应关系示意图；

图7为本发明的激光能量衰减的控制方法的流程示意图。

图中：1、光源；2、光学介质；3、透镜；4、光阑；20、光学孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，本发明提供一种空间光调制器，应用于激光光束或者平行度较好的光路中改变光束能量密度分布，实现特定形状和能量密度要求的目的。实施时，对局部强区的光束进行光学衰减以实现能量均匀化或达到预设的衰减分布用于使用的目的。

所述空间光调制器包括：

光源1，用于提供激光光束；

光学介质2，所述光学介质2上设置能够使所述光源的激光光束发生衍射和散射的若干光学孔20，所述光学介质2位于所述光源1的前方；

透镜3，用于将所述光源1的激光光束通过所述光学介质2后传播方向发生改变的光束进行汇聚，所述透镜3位于所述光学介质2的前方；

光阑4，用于对光束产生阻拦从而实现对后续光束能量的控制，所述光阑4安放于所述透镜3的前方且位于经过所述透镜3汇聚前的光束的原焦点位置。

本实施例中，光源1提供激光光束。在光源1之后，依次间隔设置光学介质2、透镜3、光阑4和用于光斑分布图样收集的投影幕布。需要说明的是，投影幕布仅用于光斑分布图样的收集，不对激光光束的形状和能量密度产生影响。激光光束通过光学介质2、透镜3和光阑4之后，能够实现特定形状和能量密度分布的要求。其中，特定形状能够通过投影幕布收集的光斑分布图样来直观的显示。而能量密度分布可通过光斑分布图样显示的颜色及色彩的深浅程度定性观测，同时，通过数字图像处理软件进一步定量检测经过光学衰减后的能量密度分布情况。

光学介质2为空间光调制器的重要元器件。光学介质2上设有若干光学孔20。本实施例中，光学介质2表面的光学孔20通过超短脉冲激光打点形成。激光光束穿过光学孔20后发生衍射和散射，相比光源1处的光束而言，通过衍射和散射后的光束发生形状的改变和能量密度分布的改变。

进一步地，每个光学孔20均包括多个不同的参数信息，所述参数信息可以为打点的空间排序、单位面积的打点密度和打点深度等，不同的参数信息均对光学介质2的透过率产生影响。实施时，通过控制光学孔20的上述参数信息，来实现对光学介质2光束透过率的控制，进而实现对激光光束特定形状和能量密度分布要求的控制。

激光光束穿过光学孔20发生衍射和散射后，一部分光束沿着原方向传播，同时，另一部分光束沿着其他方向传播。沿着其他方向传播的光束，通过透镜3进行汇聚。汇聚后的光束焦点位置发生前后偏移。在原焦点位置放置光阑4，对光束产生阻拦效果，也就实现了对光阑4后激光能量进行控制的目的。在本实施例中，光阑4为小孔光阑，根据不同功率的激光光束、不同结构的光学介质2来适配不同尺寸的光阑4，提高对激光光束能量控制的目的。

上述本公开实施例提供的空间光调制器，光源1提供激光光束，所述激光光束通过光学介质2的光学孔20发生衍射和散射，采用透镜3对传播方向发生改变的光束进行汇聚，并由光阑4对汇聚后的部分光束进行阻拦而实现对后续光束能量的控制。光学介质2的光学孔20包括多个参数信息，通过控制光学孔20的各参数信息来实现对光学介质2光束透过率的控制，进而实现对激光光束特定形状和能量密度分布要求的控制。特定形状能够通过投影幕布收集的光斑分布图样来直观的显示。而能量密度分布可通过光斑分布图样显示的颜色及色彩的深浅程度定性观测，同时，通过后续的数字图像处理软件进一步定量检测经过光学衰减后的能量密度分布情况。空间光调制器的整体结构能够实现特定形状和能量密度要求的目的。

本实施例中，根据所需的光斑分布图样布置各光学孔20的空间排序，若干所述光学孔20采用阵列排布。

需要说明的是，光学孔20的空间排序、单位面积的打点密度和打点深度均对光学介质2的透过率产生影响。当所需的光斑分布图样为简单的情形时，各光学孔20可选为单阵列等间距的排列方式。当所需的光斑分布图样为复杂的情形时，则根据具体实施激光光束能量分布，激光打点阵列单位面积可设置为平面上不平均分布，以及打点深度不固定的方法实施。所述光学孔20可以采用阵列排布，也可以采用非阵列的排布方式，不作限定。

作为本发明提供的一个具体实施例，若干所述光学孔20采用阵列排布。可选地，所述阵列排布为单阵列等间距的排列方式，或者所述阵列排布为单阵列非等间距的排列方式。

可选地，光学孔20采用多个阵列排布。其中，所述光学介质2上设置至少一个光学孔20等间距的阵列区域。可以理解的是，“等间距的阵列区域”是指同一个阵列区域内相邻两个光学孔20的中轴线之间的距离相等。当然，为了提高加工效率，减小加工难度，在能够达到使用要求的情况下，尽量增加光学孔20等间距的阵列区域，减少非等间距的阵列区域。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述光学孔20等间距的阵列区域为矩形等间距的阵列区域、圆形等间距的阵列区域、三角形等间距的阵列区域、四边形等间距的阵列区域以及多边形等间距的阵列区域中的至少一种。

可以理解的是，光学介质2上的光学孔20均采用等间距的阵列排布。而阵列排布的方式可以有多种，例如，矩形阵列、圆形阵列、三角形阵列、四边形阵列以及其他多边形阵列的其中一种单阵列排布方式，或者两种或以上不同阵列的组合排布，根据使用环境设置，不作限定。

实施时，如图2所示，以光学介质2的横截面为圆形，且光学介质2上均匀布置四个光学孔20矩形等间距的阵列区域为例具体阐述。所述光学孔20设置四个矩形等间距的阵列区域，每个矩形等间距的阵列区域的光学孔20的间距可以设置为相同，也可设置为不同。

本实施例中，四个矩形等间距的阵列区域的光学孔间距设置不同，且每个矩形等间距的阵列区域的光学孔20的间距分别设置为0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm。图3为光学孔20激光打点间距与激光能量参数对应的12组样品数据。现按照图3的图表所列方案制备光学孔20的点阵列结构，每组12块点阵列结构对应图3中的12组样品数据，共计制备三组即36块点阵列结构进行测试，得到36个光斑分布图样。图4a为点阵列结构所形成的36个光斑分布图样中的其中一个。此外，增加对应的基准光斑分布图样，作为上述光学能量衰减分布的对比依据。如图4b所示，将光学介质2更换为白片而得到的原始光斑分布图样。

在得到36个光斑分布图样和原始光斑分布图样后，使用图像处理软件，例如Matlab数字图像处理软件，来去除高斯光束带来的影响，得到的图形代表了点阵列结构的光学衰减分布。图5a为点阵列结构的光学衰减分布的2D衰减分布示意图；图5b为点阵列结构的光学衰减分布的3D衰减分布示意图。

以下布置多组实施例和对比例作进一步的阐述。且每个矩形等间距的阵列区域的光学孔20的间距分别设置为0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm。

实施例一

在第一激光功率下，获取三组4个不同间距的阵列结构的光斑分布图样，共计12个光斑分布图样的图像数据信息。其中，该第一激光功率占满功率激光比例的10％。

实施例二

在第二激光功率下，获取三组4个不同间距的阵列结构的光斑分布图样，共计12个光斑分布图样的图像数据信息。其中，该第二激光功率占满功率激光比例的20％。

实施例三

在第三激光功率下，获取三组4个不同间距的阵列结构的光斑分布图样，共计12个光斑分布图样的图像数据信息。其中，该第三激光功率占满功率激光比例的30％。

将上述间距不同，而激光功率相同的4个光斑分布图样进行横向比对，得到不同点阵列密度对光斑分布图样的影响，结论为点阵列密度越高产生的衰减分布越高。相应地，将上述间距设置相同的3个光斑分布图样进行纵向比对，得到不同激光功率对光斑分布图样的影响，结论为激光功率越大产生的衰减分布更高。

对比例一

将光学介质2更换为白片。在第一激光功率下，获取一组原始光斑分布图样的图像数据信息。其中，该第一激光功率占满功率激光比例的10％。

对比例一与实施例一相比，在第一激光功率相同的情况下，不同间距的阵列结构以及不同点阵列密度对光学衰减分布的影响，得到不同间距、不同点阵列密度下的光斑分布图样的图像数据信息。

对比例二

将光学介质2更换为白片。在第二激光功率下，获取一组原始光斑分布图样的图像数据信息。其中，该第二激光功率占满功率激光比例的20％。

对比例二与实施例二相比，在第二激光功率相同的情况下，不同间距的阵列结构以及不同点阵列密度对光学衰减分布的影响，得到不同间距、不同点阵列密度下的光斑分布图样的图像数据信息。

对比例三

将光学介质2更换为白片。在第三激光功率下，获取一组原始光斑分布图样的图像数据信息。其中，该第三激光功率占满功率激光比例的20％。

对比例三与实施例三相比，在第三激光功率相同的情况下，不同间距的阵列结构以及不同点阵列密度对光学衰减分布的影响，得到不同间距、不同点阵列密度下的光斑分布图样的图像数据信息。

最后，以白片获取的原始光斑分布图样的图像数据信息为基准进行归一处理，将上述将总计36块点阵列样品进行测试，得到每块样品对应的衰减强度。将相同制备条件、相同参数信息下的点阵列结构衰减值进行横向或纵向的数据统计，得到平均衰减值与统计误差。如图6所示，为36组样品中4个不同间距的点阵列结构与光学衰减强度的对应关系示意图。在上述制备参数下，点阵列衰减强度可在6％至45％之间变化，衰减强度与所用的激光功率及点阵列的密度相关。衰减强度随着点阵列密度的增加而增强，随着所用激光功率的增强而增强。在点阵列密度与激光功率这两个参数之间比较，激光功率产生的影响更大。为后续局部强区光束的光学衰减以实现能量均匀化或达到使用目的提供现实的控制方法。

相应地，可以布置多组测试数据来探讨光学孔20的打点深度对光学衰减分布的影响，在此不作具体阐述。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述光学介质2为平面镜，所述平面镜的表面设有具备反射率的反射膜或增透膜的涂层。

本发明还提供一种激光能量衰减的控制方法，该控制方法采用空间光调制器来产生激光能量衰减的光斑分布图样的数据图像信息。

所述激光能量衰减的控制方法包括如下步骤：

S101，搭建激光能量衰减模型；其中，所述激光能量衰减模型包括用于产生光斑分布图样的空间光调制器，所述空间光调制器包括设置若干光学孔20的光学介质2；

本实施例中，在仿真的实验室的环境中搭建激光能量衰减模型的框架。在该模型的框架中，布置多组测试数据作为原始的样本数据。例如，空间光调制器的结构数据，光学介质2的光学孔20的数据，以及光学孔20打点的空间排序、单位面积的打点密度和打点深度等参数信息等，为后续的控制过程提供参照依据。

S102，获取通过所述光学介质2后的激光能量衰减的光斑分布图样；

参照上述实施例一至三以及结论信息，得到多组测试数据下的激光能量衰减的光斑分布图样。

S103，以所述空间光调制器为基准，将所述空间光调制器的光学介质2更换为白片，并获取当前状态下的原始光斑分布图样；

参照上述对比例一至三以及结论信息，得到多组测试数据下的原始光斑分布图样。

S104，采用Matlab图像处理软件对激光能量衰减的光斑分布图样和原始光斑分布图样分别进行数字图像处理，以去除高斯光束的影响，从而得到激光能量衰减的目标光斑分布图样。

根据百度百科对“高斯光束”词条的解释：在光学中，高斯光束(英语：Gaussianbeam)是横向电场以及辐照度分布近似满足高斯函数的电磁波光束。许多激光都近似满足高斯光束的条件，在这种情况里，激光在光谐振腔里以TEM00波模(横向基模)传播。当它在满足近衍射极限的镜片中发生折射时，高斯光束会变换成另一种不同参数的高斯光束，因此，高斯光束是激光光学里一种方便、广泛应用的模型。

在激光能量衰减模型中兼容图像处理软件，例如Matlab图像处理软件。对激光能量衰减的光斑分布图样和原始光斑分布图样分别进行数字图像处理，以去除高斯光束对发生衍射和折射后产生的光能衰减分布的影响，提高激光能量衰减的控制精度。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述获取通过所述光学介质的激光能量衰减的光斑分布图样的步骤，包括：

预设多组、不同阵列结构的光学介质进行测试，得到对应的多组不同衰减强度的激光能量衰减的光斑分布图样。

设置多组、不同阵列结构的光学介质作为测试数据的检测样本，以获取不同检测样本下的激光能量衰减的光斑分布图样，为后续计算平均衰减值和统计误差提供更多的数据信息，进一步提高激光能量衰减的控制精度。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述得到对应的多组不同衰减强度的光斑分布图样的步骤之后，还包括：

以原始光斑分布图样为基准，将相同制备条件下的阵列结构衰减值进行数据统计，得到平均衰减值与统计误差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空间光调制器，其特征在于，包括：

光源，用于提供激光光束；

光学介质，所述光学介质上设置能够使所述光源的激光光束发生衍射和散射的若干光学孔，所述光学介质位于所述光源的前方；

透镜，用于将所述光源的激光光束通过所述光学介质后传播方向发生改变的光束进行汇聚，所述透镜位于所述光学介质的前方；

光阑，用于对光束产生阻拦从而实现对后续光束能量的控制，所述光阑安放于所述透镜的前方且位于经过所述透镜汇聚前的光束的原焦点位置。

2.如权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于：根据所需的光斑分布图样布置各光学孔的空间排序，若干所述光学孔采用阵列排布。

3.如权利要求2所述的空间光调制器，其特征在于：所述光学介质上设置至少一个光学孔等间距的阵列区域。

4.如权利要求3所述的空间光调制器，其特征在于：所述光学孔等间距的阵列区域为矩形等间距的阵列区域、圆形等间距的阵列区域、三角形等间距的阵列区域、四边形等间距的阵列区域以及多边形等间距的阵列区域中的至少一种。

5.如权利要求4所述的空间光调制器，其特征在于：所述光学介质的横截面为圆形，所述光学介质上均匀布置四个光学孔矩形等间距的阵列区域。

6.如权利要求5所述的空间光调制器，其特征在于：每个光学孔矩形等间距的阵列区域均包括若干间隔设置的光学孔，四个所述光学孔矩形等间距的阵列区域的光学孔间距分别为0.14mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm。

7.如权利要求1至6中任一项所述的空间光调制器，其特征在于：所述光学介质为平面镜，所述平面镜的表面设有具备反射率的反射膜或增透膜的涂层。

8.一种激光能量衰减的控制方法，其特征在于，包括：

搭建激光能量衰减模型；其中，所述激光能量衰减模型包括用于产生光斑分布图样的空间光调制器，所述空间光调制器包括设置若干光学孔的光学介质；

获取通过所述光学介质后的激光能量衰减的光斑分布图样；

以所述空间光调制器为基准，将所述空间光调制器的光学介质更换为白片，并获取当前状态下的原始光斑分布图样；

采用Matlab图像处理软件对激光能量衰减的光斑分布图样和原始光斑分布图样分别进行数字图像处理，以去除高斯光束的影响，从而得到激光能量衰减的目标光斑分布图样。

9.如权利要求8所述的激光能量衰减的控制方法，其特征在于：所述获取通过所述光学介质的激光能量衰减的光斑分布图样的步骤，包括：

预设多组、不同阵列结构的光学介质进行测试，得到对应的多组不同衰减强度的激光能量衰减的光斑分布图样。

10.如权利要求9所述的激光能量衰减的控制方法，其特征在于：所述得到对应的多组不同衰减强度的光斑分布图样的步骤之后，还包括：

以原始光斑分布图样为基准，将相同制备条件下的阵列结构衰减值进行数据统计，得到平均衰减值与统计误差。

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