CN112859359A - 一种焦斑控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种焦斑控制方法，属于光学技术领域，在多路激光光束的共同焦点的后方放置焦斑探测器，在每路激光光束的光路上均设有变形镜，本发明通过一个焦斑探测器同时对共焦点多路激光光束进行焦斑控制，计算得到激光光束在焦斑探测器位置处的目标焦斑光强空间分布、焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布，利用随机算法控制变形镜同时对多路激光光束进行波前闭环控制，同时实现多路激光光束的焦斑控制，相较于现有技术，显著降低了光学系统复杂性，有效提升了工作效率。

Description

一种焦斑控制方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体地说涉及一种焦斑控制方法。
背景技术
为了获得高能量高密度的激光聚焦焦斑，多路共焦点激光光束聚焦技术被广泛应用，如“Alignment and wavefront control systems of the National IgnitionFacility”,《Optical Engineering》,Vol.43,pp.2873-2884,2004；“Laser Mégajoulealignment to target center”,《Proc.of SPIE》,Vol.7916,pp.79160N-1-9,2011；“Studyon precise target locating and guiding with multiple-beam in ICF laserdriver”,《Proc.of SPIE》,Vol.8419,pp.841938-1-6,2012。同时，为了提高激光聚焦焦斑的光束质量，使用焦斑探测器的波前控制技术被广泛应用，如“自适应光学系统几种随机并行优化控制算法比较”，《强激光与粒子束》,第20卷，11页-16页,2008年；“Comparison ofseveral stochastic parallel optimization algorithms for adaptive opticssystem without a wavefront sensor”,《Optics&Laser Technology》,Vol.43,pp.630-635,2011。
采用现有的焦斑控制技术控制共焦点多路激光光束时，一般采用以下两种方式：一、使用多个焦斑探测器分别对每路光束进行测量，然后，结合计算机控制器对每路光束进行并行的焦斑控制；二、使用一个焦斑探测器依次对每路光束进行测量，然后，结合计算机控制器依次对每路光束进行串行的焦斑控制。上述两种方式在光学系统复杂性和工作效率方面存在一定的优化空间。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种焦斑控制方法，能够使用一个焦斑探测器同时对共焦点多路激光光束进行焦斑控制，相较于现有技术，其降低了光学系统复杂性，同时，提高了工作效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种焦斑控制方法，在多路激光光束的共同焦点的后方放置焦斑探测器，保证所述焦斑探测器能够同时对多路激光光束进行焦斑探测，在每路激光光束的光路上均设有变形镜，设定激光光束在焦斑探测器位置处的目标焦斑，得到目标焦斑光强空间分布，目标焦斑斜入射到焦斑探测器上，得到焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布，控制变形镜分别对激光光束进行波前闭环控制，实现同时对共焦点多路激光光束的焦斑质量控制。
进一步，在每路激光光束的光路上均设有聚焦透镜，多路激光光束以不同的角度斜入射至焦斑探测器。
进一步，所述共同焦点的后方为激光光束先传递至共同焦点处，再传递至焦斑探测器。
进一步，通过引入离焦像差，等效得到激光光束在焦斑探测器位置处的目标焦斑，根据光学傅里叶变换，计算得到目标焦斑光强空间分布，进而得到焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布，以焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布作为波前闭环控制的目标，利用随机算法进行波前闭环控制，实现对激光光束焦斑的优化控制。
进一步，设定激光光束以θ角度斜入射至焦斑探测器，焦斑探测器与共同焦点之间的垂直距离为h，焦斑探测器测量位于共同焦点后方h/sin θ位置处的焦斑，此时，位于共同焦点后方h/sin θ位置处的焦斑不同于焦斑探测器在共同焦点位置测量到的正入射焦斑(焦斑探测器在共同焦点位置测量正入射焦斑为传统焦斑控制方法)，因此,对于激光光束进行焦斑控制时的目标焦斑也不同于传统焦斑控制方法。
进一步，对于共同焦点后方h/sin θ位置处的目标焦斑，可以通过理想平面波引入离焦像差来等效得到，则
Figure BDA0002935529980000031
其中，φ0表示离焦像差的PV值，F表示聚焦透镜的F数。
进一步，根据光学傅里叶变换，计算得到目标焦斑光强空间分布I(x，y)，则I(x，y)＝(FT[exp(jφ)])2，其中，FT表示光学傅里叶变换，φ表示引入的离焦像差，且离焦像差的PV值为φ0，j表示虚数单位，x和y分别表示目标焦斑的二维空间坐标。
进一步，由于目标焦斑以角度θ斜入射到焦斑探测器上，焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布为I(x′，y′)，则I(x′*sin θ，y′)＝I(x，y)，其中，x′和y′分别表示测量到的焦斑的二维空间坐标。
进一步，由于共焦点多路激光光束斜入射到焦斑探测器的不同区域，因此，通过计算机控制器可以同时计算得到多路激光光束相应的目标焦斑光强空间分布特征，进而控制相应的变形镜实现多路激光光束并行的波前闭环控制。
本发明的有益效果是：
通过一个焦斑探测器同时对共焦点多路激光光束进行焦斑控制，计算得到激光光束在焦斑探测器位置处的目标焦斑光强空间分布、焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布，利用随机算法控制变形镜同时对多路激光光束进行波前闭环控制，同时实现多路激光光束的焦斑控制，相较于现有技术，显著降低了光学系统复杂性，有效提升了工作效率。
附图说明
图1是本发明的流程框图；
图2是本发明实施例二的结构示意图；
图3是本发明实施例三的结构示意图
图4是本发明实施例三的光路示意图；
图5(a)是焦斑探测器测量到的第一激光光束的目标焦斑光强空间分布示意图；
图5(b)是焦斑探测器测量到的第二激光光束的目标焦斑光强空间分布示意图；
图6(a)是波前闭环控制前焦斑探测器上的第一激光光束焦斑示意图；
图6(b)是波前闭环控制前焦斑探测器上的第二激光光束焦斑示意图；
图7(a)是波前闭环控制后焦斑探测器上的第一激光光束焦斑示意图；
图7(b)是波前闭环控制后焦斑探测器上的第二激光光束焦斑示意图。
附图中：1-焦斑探测器、2-第一激光光束、3-第二激光光束、4-第一变形镜、5-第二变形镜、6-第一聚焦透镜、7-第二聚焦透镜。
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：
如图1所示，一种焦斑控制方法，其在多路激光光束的共同焦点的后方放置焦斑探测器，所述共同焦点的后方为激光光束先传递至共同焦点处，再传递至焦斑探测器，在每路激光光束的光路上均设有变形镜，所述焦斑探测器能够同时对多路激光光束进行焦斑探测。同时，焦斑探测器是否能够同时对多路激光光束进行焦斑探测，可通过监视系统进行监控。
为了保证焦斑探测器能够同时探测多路激光光束的焦斑，在每路激光光束的光路上均设有聚焦透镜，激光光束经聚焦透镜聚焦后，斜入射至焦斑探测器。同时，由于焦斑探测器位于多路激光光束的共同焦点的后方，也就是说，焦斑探测器并非处于多路激光光束的共同焦点处，保证多路激光光束能够以不同的角度斜入射至焦斑探测器，即共焦点多路激光光束能够斜入射到焦斑探测器的不同区域。
具体的，首先，焦斑探测器位于共同焦点后方时，焦斑探测器测量到的焦斑不同于其在共同焦点位置测量到的正入射焦斑，当焦斑探测器置于共同焦点位置时，其测量的焦斑为正入射焦斑，而传统焦斑控制方法测量正入射焦斑，也就是说，本发明与现有技术测量不同位置的焦斑，因此,对于激光光束进行焦斑控制时的目标焦斑也不同于传统焦斑控制方法。
然后，对于共同焦点后方位置处的目标焦斑，可以通过理想平面波引入离焦像差来等效得到，根据光学傅里叶变换，计算得到目标焦斑光强空间分布，由于目标焦斑倾斜入射到焦斑探测器上，进而得到焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布，上述计算过程可通过计算机控制器进行。
最后，以焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布作为波前闭环控制的目标，利用传统的随机算法控制变形镜分别对多路激光光束并行进行波前闭环控制，实现同时对共焦点多路激光光束的焦斑质量优化控制。
实施例二：
如图2所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
设定某一路激光光束以θ角度斜入射至焦斑探测器1，焦斑探测器1与共同焦点A之间的垂直距离为h，此时，焦斑探测器1探测的焦斑为位于共同焦点后方h/sin θ位置处的焦斑。
对于共同焦点后方h/sin θ位置处的目标焦斑，可以通过理想平面波引入离焦像差来等效得到，则
Figure BDA0002935529980000071
其中，φ0表示离焦像差的PV值，F表示聚焦透镜的F数。
根据光学傅里叶变换，计算得到目标焦斑光强空间分布I(x，y)，则I(x，y)＝(FT[exp(jφ)])2，其中，FT表示光学傅里叶变换，φ表示引入的离焦像差，且离焦像差的PV值为φ0，j表示虚数单位，x和y分别表示目标焦斑的二维空间坐标。
由于目标焦斑以角度θ斜入射到焦斑探测器1上，得到焦斑探测器1测量到的目标焦斑光强空间分布为I(x′，y′)，则I(x′*sin θ，y′)＝I(x，y)，其中，x′和y′分别表示测量到的焦斑的二维空间坐标。
以焦斑探测器1测量到的目标焦斑光强空间分布作为波前闭环控制的目标，利用传统的随机算法控制变形镜对激光光束进行波前闭环控制，实现对激光光束的焦斑质量优化控制。
实施例三：
本实施例与实施例一、实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：
如图3所示，本实施例以两路激光光束为例，第一激光光束2的传输光路上设有第一变形镜4、第一聚焦透镜6，第二激光光束3的传输光路上设有第二变形镜5、第二聚焦透镜7。
其中，第一激光光束2的波长为1053nm，光束口径为50mm×50mm，第二激光光束3的波长为1053nm，光束口径为50mm×50mm，第一聚焦透镜6的口径为100mm，焦距为500mm，第二聚焦透镜7的口径为100mm，焦距为500mm，第一变形镜4的技术参数如表1所示，第二变形镜5的技术参数如表2所示，焦斑探测器1的技术参数如表3所示。
表1：
Figure BDA0002935529980000081
Figure BDA0002935529980000091
表2：
Figure BDA0002935529980000092
表3：
Figure BDA0002935529980000093
Figure BDA0002935529980000101
两束共焦点的激光光束(第一激光光束2、第二激光光束3)聚焦后的光路如图4所示，对于第一激光光束2、第二激光光束3，焦斑探测器1分别测量共同焦点后方5.77mm、7.07mm的焦斑，其中，
Figure BDA0002935529980000102
得到第一激光光束2、第二激光光束3的等效离焦像差PV值分别为：
Figure BDA0002935529980000103
和
Figure BDA0002935529980000104
根据离焦像差以及光学傅里叶变换，计算得到目标焦斑的光强空间分布，结合空间坐标关系，目标焦斑以角度θ斜入射到焦斑探测器1上，得到焦斑探测器1测量到的目标焦斑光强空间分布，如图5所示。
以焦斑探测器1测量到的目标焦斑光强空间分布作为波前闭环控制的目标，计算机控制器利用传统的随机算法，同时对第一激光光束2、第二激光光束3进行波前闭环控制，实现同时对两个光束的焦斑进行优化控制。其中，图6为波前闭环控制前焦斑探测器上的焦斑示意图，图7为波前闭环控制后焦斑探测器上的焦斑示意图。
综上所述，通过放置在第一激光光束2、第二激光光束3共同焦点之后的一个焦斑探测器1对两个光束焦斑同时进行测量，利用随机算法同时对第一激光光束2、第二激光光束3进行波前闭环控制，实现两路激光光束的焦斑质量优化，相比于传统方法，显著降低了焦斑控制系统复杂性并有效提升了工作效率。
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)

1.一种焦斑控制方法，其特征在于，在多路激光光束的共同焦点的后方放置焦斑探测器，保证所述焦斑探测器能够同时对多路激光光束进行焦斑探测，在每路激光光束的光路上均设有变形镜，设定激光光束在焦斑探测器位置处的目标焦斑，得到目标焦斑光强空间分布，目标焦斑斜入射到焦斑探测器上，得到焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布，控制变形镜分别对激光光束进行波前闭环控制，实现同时对共焦点多路激光光束的焦斑质量控制。
2.根据权利要求1所述的一种焦斑控制方法，其特征在于，在每路激光光束的光路上均设有聚焦透镜，多路激光光束以不同的角度斜入射至焦斑探测器。
3.根据权利要求2所述的一种焦斑控制方法，其特征在于，通过引入离焦像差，等效得到激光光束在焦斑探测器位置处的目标焦斑，根据光学傅里叶变换，计算得到目标焦斑光强空间分布，进而得到焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布，以焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布作为波前闭环控制的目标，利用随机算法进行波前闭环控制，实现对激光光束焦斑的优化控制。
4.根据权利要求3所述的一种焦斑控制方法，其特征在于，设定激光光束以θ角度斜入射至焦斑探测器，焦斑探测器与共同焦点之间的垂直距离为h，焦斑探测器测量位于共同焦点后方h/sinθ位置处的焦斑。
5.根据权利要求4所述的一种焦斑控制方法，其特征在于，通过引入离焦像差，等效得到共同焦点后方h/sinθ位置处的目标焦斑，则
Figure FDA0002935529970000011
其中，φ0表示离焦像差的PV值，F表示聚焦透镜的F数。
6.根据权利要求5所述的一种焦斑控制方法，其特征在于，根据光学傅里叶变换，计算得到目标焦斑光强空间分布I(x，y)，则I(x，y)＝(FT[exp(jφ)])2，其中，FT表示光学傅里叶变换，φ表示引入的离焦像差，且离焦像差的PV值为φ0，j表示虚数单位，x和y分别表示目标焦斑的二维空间坐标。
7.根据权利要求6所述的一种焦斑控制方法，其特征在于，目标焦斑以角度θ斜入射到焦斑探测器上，焦斑探测器测量到的目标焦斑光强空间分布为I(x′，y′)，则I(x′*sinθ，y′)＝I(x，y)，其中，x′和y′分别表示测量到的焦斑的二维空间坐标。
8.根据权利要求7所述的一种焦斑控制方法，其特征在于，共焦点多路激光光束斜入射到焦斑探测器的不同区域，通过计算机控制器可以同时计算得到多路激光光束相应的目标焦斑光强空间分布特征。
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