CN113506547B - 一种光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统及方法，所述自动补偿系统包括测温模块、控制模块和驱动模块，驱动模块用来调节液晶光阀的驱动电压和光写入模块的光强。通过测温模块测得的液晶光阀温度进行实时反馈，调节液晶光阀的驱动电压和光写入模块的光强，解决了振幅型光寻址空间光调制器在高温下性能退化的问题。激光诱导液晶盒升温后，空间光调制器性能退化，一般表现为透过率随着温升而发生变化，本发明通过温度实时反馈、液晶光阀驱动电压和光写入模块光强的调整，来实时控制液晶层的电场分布，自动补偿光寻址空间光调制器在温升下的性能退化。

Description

一种光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及光寻址空间光调制器的调控，特别是一种光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统及方法。

背景技术

光寻址空间光调制器是一种可编程的、对光场的空间分布进行整形的器件。因其透射式的结构，透过率可达90％，口径较大等因素，其在光束整形、激光加工等方面有很大的利用价值。

现有的光寻址空间光调制器包括液晶层和光导层，光导层一般为BSO或BGO等晶体，液晶层与光导层形成串联结构，并加上一定的交流电压，通过调制写入光信号来实现光束的调控。光寻址空间光调制器能对光场的幅度进行调制，在高功率激光装置上有着重要应用，可以实现空间光的强度整形。

但是，目前光寻址空间光调制器主要应用在单次高功率激光系统或者低辐照功率密度下。在高激光辐照功率密度下，由于激光诱导使光寻址空间光调制器产生热量，热沉积效应会导致光寻址空间光调制器性能退化，随着温度上升而造成空间光调制器无法正常使用。而且，在不同的温升下性能退化程度也不相同，而光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统可使光寻址空间光调制器在高平均功率激光辐照下正常使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统及方法，该系统解决了光寻址空间光调制器在液晶光阀升温后，工作时会产生的性能退化问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统，其特点在于，包括驱动模块、测温模块和控制模块；所述的驱动模块的输出端分别与所述的寻址空间光调制器的光写入模块和液晶光阀的输入端相连，用于调节光写入模块的电流和液晶光阀的驱动电压；所述的测温模块的输出端连接控制模块的输入端，所述的测温模块用于采集液晶光阀的温度，并反馈给控制模块，所述控制模块的输出端分别与所述的光写入模块和驱动模块相连，用于根据获取的温度数据，控制所述的光写入模块和驱动模块。

所述的光写入模块的波长为蓝光或紫光，光强可由驱动模块进行调节。

所述的液晶光阀的一侧基板是光导晶体，可以是BSO(硅酸铋)晶体或者BGO(锗酸铋)，电压可由驱动模块进行调节。

所述的光导晶体进行照射时，光导晶体的电阻会发生变化。

所述的测温模块是非接触式测温方式，位于液晶光阀的通光面外侧。

所述的测温模块的温度可实时反馈到控制模块。

所述的控制模块可以根据输入的温度数据实时输出对应的参数值到驱动模块。

所述的驱动模块的参数值可用以调节液晶光阀的驱动电压和光写入模块的电流大小。

一种光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)构建监测与控制系统：驱动模块、测温模块和控制模块；所述的驱动模块的输出端分别与所述的寻址空间光调制器的光写入模块和液晶光阀的输入端相连，所述的测温模块的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别与所述的光写入模块和驱动模块相连；

步骤2)构建光路系统：

光源模块，用于诱导所述的光寻址空间光调制器的液晶光阀升温；

光强探测模块，用于接收所述的光寻址空间光调制器的光强透过率变化，并反馈到控制模块；

步骤3)标定：

步骤3.1)将所述的控制模块加载0至255灰度图中的第0阶图像传输到所述的光写入模块，调整所述的驱动模块上的驱动电压参数，观察的光强探测模块记录的光强数据，使液晶光阀的输出状态能使系统处于全关模式，来确定所述的液晶光阀的补偿电压值；

步骤3.2)将所述的控制模块加载0至255灰度图中的第255阶图像传输到所述的光写入模块，通过调整所述的驱动模块上的驱动电流参数，观察光强探测模块记录的光强数据，使所述的液晶光阀输出状态能使系统达到最大的透过率，来确定所述的光写入模块的补偿电流值；

步骤3.3)将所述的驱动模块上的电压和电压设置为测得的补偿值，使所述的控制模块依次加载0至255阶灰度图，光强探测模块依次记录得到的光场强度；

步骤3.4)所述的控制模块接收所述光强探测模块记录的数据，并对光强数据与灰度阶的关系进行处理，获得空间光调制器校准后的伽马曲线，并存储；

步骤3.5)所述的控制模块获取并存储所述的测温模块探测的温度值，对应的液晶光阀的补偿电压值、光写入模块的补偿电流值；

步骤3.6)重复步骤3.1)到3.5)，将不同温度下所述的测温模块的温度值、对应的液晶光阀的补偿电压值、光写入模块的补偿电流值存储到控制模块；

步骤3.7)将所述的控制模块存储的数据进行处理，使温度与补偿电压值、补偿电压值和伽马曲线建立对应关系，使所述的控制模块能通过测温模块测得的温度实时调整驱动模块的参数值。

步骤4)补偿：控制模块(5)获取测温模块(4)实时测得的液晶光阀(2)的温度，并根据温度实时输出对应的参数至驱动模块(3)，实现对液晶光阀(2)性能退化的自动补偿。所述的光源模块包括高功率激光器和检偏器，所述的光强探测模块包括检偏器和CCD相机。

本发明的优点和特点是：

1)光寻址空间光器件因温升导致在0灰度写入信号下其输出光无法处于全黑模式，本发明通过调节补偿液晶光阀的驱动电压值，使器件能恢复至全黑模式。同时因电压补偿会引起器件在全开状态下透过率降低，本发明通过调节补偿光写入模块的驱动电流值，使器件的透过率能恢复至初始状态。

2)本发明通过校准不同温升下的液晶光阀的驱动电压和光写入模块的驱动电流值，利用测温模块的温度实时反馈，控制模块实时调整驱动模块的参数值，可自动补偿光寻址空间光调制器的性能退化，工作状态既能处于全黑模式又能保持较高的透过率从而确保高对比度，使光寻址空间光调制器能在高功率激光的辐照下正常运行。

附图说明

图1是本发明光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统示意图。图中，1-光写入模块，2-液晶光阀，3-驱动模块，4-测温模块，5-控制模块。

图2是本发明光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统实现自动补偿的方法示意图。图中，1-光写入模块，2-液晶光阀，3-驱动模块，4-测温模块，5-控制模块，6-激光光源，7-起偏器，8-检偏器，9-CCD相机。

图3是本发明光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统实现自动补偿的方法步骤图。

图4是实施例1的光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿系统用于高功率连续激光系统中的示意图。图中，1-光写入模块，2-液晶光阀，3-驱动模块，7-起偏器，8-检偏器，9-CCD相机，10-红外热像仪，11-PC机，12-高功率连续激光器。

图5(a)是数值计算的温度与液晶光阀透过率的关系

图5(b)是温度与液晶光阀阈值电压的关系。

图6(a)是实施测量得到的液晶光阀的透过率随温度的变化关系，

图6(b)不同温度下测量的数据处理得到的伽马曲线分布。

图7是液晶光阀的等效电路模型。

图8是数值计算的在不同驱动电压、不同驱动电流和不同BSO晶体厚度下，光写入信号加载的灰度值与液晶层分压的关系图。

图9是实施测量补偿光寻址空间光调制器性能退化实验中，不同补偿情况下的数据处理得到的伽马曲线分布。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应当因此限制本发明的保护范围：

本发明实施例1的高功率连续激光系统下自动补偿光寻址空间光调制器性能退化的结构图请参阅4，包括光写入模块1，液晶光阀2，驱动模块3，红外热像仪10，PC机11，高功率连续激光器12，起偏器7，检偏器8，CCD相机9。沿所述高功率激光器12的激光输出方向依次是所述的起偏器7、光写入模块1、液晶光阀2、检偏器8和CCD相机9。所述的红外热像仪10的输出端连接PC机11的输入端；所述的驱动模块3的输出端连接光写入模块1和液晶光阀2的输入端；所述PC机11的输出端连接光写入模块1和驱动模块3的输出端。

参照图3，上述高功率连续激光下光寻址空间光调制器性能退化自动补偿的方法包括如下步骤：

1)将所述的PC机11加载0至255灰度图中的第0阶图像传输到所述的光写入模块1，调整所述的驱动模块3上的驱动电压参数，观察的光强探测模块记录的光强数据，使液晶光阀2的输出状态能使系统处于全关模式，来确定所述的液晶光阀2的补偿电压值；

2)将所述的PC机11加载0至255灰度图中的第255阶图像传输到所述的光写入模块1，通过调整所述的驱动模块3上的驱动电流参数，观察光强探测模块记录的光强数据，使所述的液晶光阀2输出状态能使系统达到最大的透过率，来确定所述的光写入模块1的补偿电流值；

3)将所述的驱动模块3上的电压和电压设置为测得的补偿值，使所述的控制模块5依次加载0至255阶灰度图，光强探测模块依次记录得到的光场强度；

4)所述的控制模块5接收所述光强探测模块记录的数据，并对光强数据与灰度阶的关系进行处理，获得空间光调制器校准后的伽马曲线，并存储；

5)所述的控制模块5获取并存储所述的红外热像仪10探测的温度值，对应的液晶光阀2的补偿电压值、光写入模块1的补偿电流值；

6)不同激光功率下引起不同的温度,会对应不同的补偿电压值和补偿电流值，为满足不同的工作状态(步骤S6)，复步骤1)到5)，将不同温度下所述的红外热像仪10的温度值、对应的液晶光阀2的补偿电压值、光写入模块1的补偿电流值存储到PC机11；

7)将所述的PC机11存储的数据进行处理，使温度与补偿电压值、补偿电压值和伽马曲线建立对应关系。

8)PC机11获取红外热像仪10实时测得的液晶光阀2的温度，并根据温度实时输出对应的参数至驱动模块3，实现对液晶光阀2性能退化的自动补偿。

以上的数据分析处理利用matlab软件完成，温度、补偿电压和补偿电流的关系建立后，在高功率连续激光系统中，PC机根据液晶光阀的实时温度对其电场分布进行实时控制，保证液晶光阀的性能保持不变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不限于这些应用场景，只要涉及到在使用环境中，由于液晶光阀的温升造成的性能下降，都可以用该技术进行补偿，使得液晶光阀的性能不变。

本发明原理验证如下：

振幅型光寻址空间光调制器在高温工作条件下的性能退化表现在透过率的变化。其根本原因是液晶双折射率受温度的影响发生变化，公式如下：

式中Δn(T)表示T温度时的双折射率，T表示液晶的实际温度，T_C表示液晶的清亮点温度，β表示材料常数。则通过光寻址空间光调制器的透过率表示为：

其中T_SLM表示空间光调制器的透过率，I表示输出光强，I₀表示入射光强，

d表示液晶盒盒厚，λ表示激光的波长。利用上式得到透过率随温度变化如图5(a)所示。同时这种变化导致液晶光阀的阈值电压也出现变化，随温度变化关系如下：

其中U_th液晶光阀的阈值电压，m是与液晶弹性系数相关的参数，通过关系可以得到液晶阈值电压随温度的变化关系如图5(b)所示。由图5可以分析出，通过降低液晶层的驱动电压可以补偿温升引起的透过率增加。

由图1所示的示意图测量不同温度下的空间光调制器的伽马曲线，默认驱动电压为24V，驱动电流为600mA，观察性能退化及补偿效果。首先测量空间光调制器的透过率随温度变化的关系，如图6(a)所示，结果表明在35℃以下，器件性能保持良好，随着温度的上升透过率逐渐增加，符合模拟计算得到的结果。然后分别测量不同工作温度下的伽马曲线如图6(b)所示，结果表明高温下的伽马曲线分布在加载低灰度写入信号时，透过率相对正常情况的曲线分布明显增加。而电压补偿后的伽马曲线分布整体下降，导致器件的透过率降低，只有原先的80％，严重影响光束利用率。

对这种情况进一步分析，导致透过率降低的原因主要是液晶层的电压由于驱动电压的降低而没有达到饱和状态。液晶层的分压除了外加电压外，还受到BSO分压的影响，也就是受到BSO晶体电阻和蓝光强度的影响。因此需要分析液晶层的电压受到上述因素的影响，根据液晶光阀的等效电路模型如图7所示，液晶层的分压可表示：

其中V_AC表示外部驱动电压，R₀是BSO晶体的暗电阻，

是BSO晶体在写入光下的电阻，ω＝2πf,R₁C₁为BSO晶体的捕获效应电阻和电容，R_LC是液晶的电阻。调节驱动电流的大小能改变LED写入光的强度，引起

发生改变，改变BSO晶体的厚度能改变BSO晶体的电阻大小。通过上式求解不同驱动电压、不同驱动电流、不同BSO晶体厚度下的液晶层分压变化如图8所示，可以看出，降低驱动电压、增加BSO厚度，都会使液晶层在各等级光照下分压降低，使空间光调制器的透过率降低。降低驱动电压且增加驱动电流会使液晶层分压在低强度写入光下液晶层分压降低，使空间光调制器0阶灰度下处于全黑模式，而高强度写入光下液晶层分压能保持原来的水平，255阶灰度下透过率仍保持原来的水平。

由图1所示的示意图测量不同温度、不同驱动电压、光写入模块不同驱动电流下空间光调制器的伽马曲线如图9所示。通过同时调整液晶光阀的驱动电压和光写入模块的驱动电流使光寻址空间光调制器在52℃的高温下的性能退化得到了补偿，补偿后的伽马曲线几乎达到了正常状态下的伽马曲线分布。对不同的温度进行校准，得到温度相对应的液晶光阀的驱动电压值和光写入LED的驱动电流值，建立一一对应的关系，通过红外热像仪的实时温度和计算机的调控软件便可实现驱动模块参数补偿的实时调整。

Claims (2)

1.一种光寻址空间光调制器性能退化的自动补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)构建监测与控制系统：驱动模块(3)、测温模块(4)和控制模块(5)；所述的驱动模块(3)的输出端分别与所述的寻址空间光调制器的光写入模块(1)和液晶光阀(2)的输入端相连，所述的测温模块(4)的输出端连接控制模块(5)的输入端，所述控制模块(5)的输出端分别与所述的光写入模块(1)和驱动模块(3)相连；

步骤2)构建光路系统：

光源模块，用于诱导所述的光寻址空间光调制器的液晶光阀(2)升温；

光强探测模块，用于接收所述的光寻址空间光调制器的光强变化，并反馈到控制模块(5)；

步骤3)标定：

步骤3.1)将所述的控制模块(5)加载0至255灰度图中的第0阶图像传输到所述的光写入模块(1)，调整所述的驱动模块(3)上的驱动电压参数，观察的光强探测模块记录的光强数据，使液晶光阀(2)的输出状态能使系统处于全关模式，来确定所述的液晶光阀(2)的补偿电压值；

步骤3.2)将所述的控制模块(5)加载0至255灰度图中的第255阶图像传输到所述的光写入模块(1)，通过调整所述的驱动模块(3)上的驱动电流参数，观察光强探测模块记录的光强数据，使所述的液晶光阀(2)输出状态能使系统达到最大的透过率，来确定所述的光写入模块(1)的补偿电流值；

步骤3.3)将所述的驱动模块(3)上的电压和电压设置为测得的补偿值，使所述的控制模块(5)依次加载0至255阶灰度图，光强探测模块依次记录得到的光场强度；

步骤3.4)所述的控制模块(5)接收所述光强探测模块记录的数据，并对光强数据与灰度阶的关系进行处理，获得空间光调制器校准后的伽马曲线，并存储；

步骤3.5)所述的控制模块(5)获取并存储所述的测温模块(4)探测的温度值，对应的液晶光阀(2)的补偿电压值、光写入模块(1)的补偿电流值；

步骤3.6)重复步骤3.1)到3.5)，将不同温度下所述的测温模块(4)的温度值、对应的液晶光阀(2)的补偿电压值、光写入模块(1)的补偿电流值存储到控制模块(5)；

步骤3.7)将所述的控制模块(5)存储的数据进行处理，使温度与补偿电压值、补偿电压值和伽马曲线建立对应关系；

步骤4)补偿：控制模块(5)获取测温模块(4)实时测得的液晶光阀(2)的温度，并根据温度实时输出对应的参数至驱动模块(3)，实现对液晶光阀(2)性能退化的自动补偿。

2.根据权利要求1所述的自动补偿方法，其特征在于，所述的光源模块包括高功率激光器(6)和检偏器(7)，所述的光强探测模块包括检偏器(8)和CCD相机(9)。

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