CN115061275A - 一种基于波导阵列的激光出射与调制系统及调节方法 - Google Patents
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Abstract
本申请适用激光调制技术领域，提供了一种基于波导阵列的激光出射与调制系统及调节方法，基于光波导代替空间光路进行波前的感知与调制，可有效降低“激光—结构—热量”等复杂边界影响，是兼顾宏观结构加工与微观材料精准创成，实现高精度、高效率激光加工的关键。其中利用自由空间与波导的耦合过程，可有效实现系统波前强度的调控，通过各路光纤的强度调节，可最终实现整体波前的强度调制。利用光学相控技术，通过改变特定分路的光程差，可实现局部波前斜率的调制，在反解计所需波前的基础上，进行离散化处理。
Description
技术领域
本发明属于激光调制技术领域，一种大动态范围的光子架构，尤其涉及一种基于波导阵列的激光出射与调制系统及调节方法。
背景技术
现有激光调制技术中，较慢的光学器件抑制了对亚细胞动态的基本了解和高效激光加工方法的实现，这些光学器件不可避免地与光敏生物的过度曝光和光信息的缓慢获取紧密相关。解决这些问题的关键是在所有三个维度上以极高的速度调制光的焦点，从而最大程度地减少了对生物体长时间的曝光，并提高了基于光的信息的获取率。例如亚细胞动态的视频速率光学显微镜，增加的激光微加工产量和光谱参数确定的物理参数，正在促进三维生物医学成像，工业制造和先进的光谱学领域的进步。
任何可调光学系统设计中的中心问题是，在空间的三个维度上控制光的焦点位置的速度有多快。对于成像应用，聚光控制可以确定从样品中检索3D信息的速率。对关键过程(例如神经元信号传导或分子扩散)的理解取决于此。在激光材料加工中，制造产量与一个或多个激光焦点可以在工件上移动的速度直接相关。尽管可以通过反射镜或光偏转器直接实现沿x和y方向的光的快速控制，但是光学方面的经典问题一直是沿z方向获得相同的控制度。基于机械移动样本或光学组件的传统方法对z向焦点平移施加了严格的速度限制，其速度比沿x和y方向慢三个数量级。
目前，利用自适应光学进行光能结构精准调控主要有两条技术路线，分别是利用相位调制与强度投影。针对空间光调制而言，可以通过计算全息图的方式获得多个焦点的灵活分布，但是，受到傅里叶变换本身的特点以及空间光调制器像素之间的空白区域，零级像非常难消除，会分摊非常多的能量。同时，由于空间光调制器多采用液晶结构，其损伤阈值提升也存在瓶颈。同时，针对大尺度上的大规模结构创成，由于解算截断误差以及角度偏转带来的能量分布变化，会导致三维微纳结构的几何公差与外形一致性发生退化。现有技术存在不足。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于波导阵列的激光出射与调制系统及调节方法，旨在解决上述现有技术所存在的技术问题之一。
一方面，本申请提供了一种基于波导阵列的激光出射与调制系统，其激光出射光路包括激光器、分束器、光程延迟线和透镜；所述波导阵列包括网格架和多个半径相同和不同的光波导；所述光波导基于半径的区别组成不同的光波导单元；所述光波导单元插入所述网格架的网格中，实现所述波导阵列中每个光波导单元在空间位置上的调整。
进一步的，所述波导阵列中的多个光波导单元构成由内而外环环相套的圈层结构；实现不同深度的焦斑共轭，以提高加工的并行度与效率。
进一步的，所述波导阵列中的多个光波导单元构成矩阵结构或者相互嵌套的网格结构。
进一步的，不同半径的所述光波导采用共同的光程延迟线。
进一步的，所述透镜采用微透镜阵列结构；所述微透镜阵列与所述波导阵列的光路对应设置，在不同深度形成聚焦光斑，形成多层的焦点；或在同一深度聚焦多个焦点；以完成对激光光束的光强调制。
进一步的，所述光波导的光纤头通过旋转实现对光束的偏振调制。
进一步的，还包括曲率传感，所述曲率传感对所述波导阵列进行检测，通过不同离焦位置的两幅光强能量分布分别计算各光路之间的相位差，通过相位差对系统误差进行标校。
另一方面，本申请还提供了一种基于波导阵列的激光出射与调制系统，其激光出射光路包括激光器、分束器、光程延迟线和透镜；所述延迟线和所述透镜之间还包括基于级联型光波导调制器件；所述基于级联型光波导调制器件由导出光纤、变形镜和耦合光纤构成，起到大范围调节偏振和光强的作用。
另一方面，本申请还提供了一种如上述任一项所述的激光出射与调制系统所采用的调节方法，包括以下步骤：
s1.对单个光波导进行偏振调节，获得对应光路的偏振调节响应；
s2.根据不同的偏振需求依次调节所有光波导，以获得所有光路的光程调节灵敏度。
进一步的，所述步骤s1中利用复光场理论对单一波长的波前进行调节或者利用曲率的方法对单一波长的波前进行调节。
本申请基于光波导代替空间光路进行波前的宏观调制，并进一步基于光波导的空间位置调整，基于复光场理论或者用曲率的方法进行检测对单一波长的波前进行光波导的微观调节，是兼顾宏观结构加工与微观材料精准创成，实现高精度、高效率激光加工的关键。
利用自由空间与波导的耦合过程，可有效实现系统波前强度的调控，通过各路光纤的强度调节，可最终实现整体波前的强度调制。利用光学相控技术，通过改变特定分路的光程差，可实现局部波前斜率的调制，在反解计所需波前的基础上，进行离散化处理。
附图说明
图1是本申请实施例一提供的基于波导阵列的激光出射与调制系统的架构示意图；
图2是本申请实施例三提供的基于波导阵列的激光出射与调制系统的调节方法的实现流程图；
图3是本申请轴外像差补偿机理示意图；
图4是本申请激光分层聚焦机理示意图；
图5是本申请基于曲率传感的调节方法机理示意图。
附图说明：1、激光器；2、分束器；3、光程延迟线；4、透镜；5、波导阵列；6、波导阵列截面轮廓。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
以下结合具体实施例对本申请的具体实现进行详细描述：
实施例一：
图1示出了本申请实施例一提供的基于波导阵列5的激光出射与调制系统架构，为了便于说明，仅示出了与本申请实施例相关的部分，详述如下：
本申请提供了一种基于波导阵列5的激光出射与调制系统，其激光出射光路包括激光器1、分束器2、光程延迟线3和透镜4；所述光程延迟线3和所述透镜4之间还包括波导阵列5；所述波导阵列5包括网格架和多个半径相同和不同的光波导；所述光波导基于半径的区别组成不同的光波导单元；所述光波导单元插入所述网格架的网格中，实现所述波导阵列5中每个光波导单元在空间位置上的调整。
其中，光波导采用保偏光纤。
进一步的，所述波导阵列5中的多个光波导单元构成由内而外环环相套的圈层结构；实现不同深度的焦斑共轭，以提高加工的并行度与效率。
进一步的，所述波导阵列5中的多个光波导单元构成矩阵结构或者相互嵌套的网格结构。
进一步的，不同半径的所述光波导采用共同的光程延迟线3。
进一步的，所述透镜4采用微透镜4阵列结构；所述微透镜4阵列与所述波导阵列5的光路对应设置，在不同深度形成聚焦光斑，形成多层的焦点；或在同一深度聚焦多个焦点；以完成对激光光束的光强调制。
进一步的，所述光波导的光纤头通过旋转实现对光束的偏振调制。
进一步的，还包括曲率传感，所述曲率传感对所述波导阵列5进行检测，通过不同离焦位置的两幅光强能量分布分别计算各光路之间的相位差，通过相位差对系统误差进行标校。
进一步的，所述光波导采用几何相位材料或家电陶瓷材料，通过光纤拉伸可调节系统的波前相位。
本申请实施例的基于波导阵列5的激光出射与调制系统包括其激光出射光路包括激光器1、分束器2、光程延迟线3和透镜4；所述光程延迟线3和所述透镜4之间还包括波导阵列5，基于光波导代替空间光路进行波前的感知与调制，可有效降低“激光—结构—热量”等复杂边界影响，是兼顾宏观结构加工与微观材料精准创成，实现高精度、高效率激光加工的关键。
实施例二：
本申请还提供了另一种基于波导阵列5的激光出射与调制系统，其激光出射光路包括激光器1、分束器2、光程延迟线3和透镜4；所述延迟线和所述透镜4之间还包括基于级联型光波导调制器件；所述基于级联型光波导调制器件由导出光纤、变形镜和耦合光纤构成，起到大范围调节偏振和光强的作用。
实施例三：
图2示出了一种如上述任一项所述的激光出射与调制系统所采用的调节方法，包括以下步骤：
s1.对单个光波导进行偏振调节，获得对应光路的偏振调节响应；
s2.根据不同的偏振需求依次调节所有光波导，以获得所有光路的光程调节灵敏度。
进一步的，步骤s1中利用复光场理论对单一波长的波前进行调节或者利用曲率的方法对单一波长的波前进行调节。最终实现对单个光波导进行的偏振调节。
实施例四：
激光调制领域中偏振像差表示为由于波前两个方向偏振态发生改变所引入的像差。由传统体光学器件所构成的大口径光学系统，偏振像差受到光学系统的结构以及镀膜特性的协同影响，其分析与抑制过程涉及参量多，过程受复杂边界条件影响，调制机理复杂，不利于激光系统性能的分析与提升。
本申请的基于波导阵列5进行激光出射与调制系统，基于光波导代替空间光路进行波前的感知与调制，其中利用保偏光纤(光波导)可保证系统偏振态在进行相位、振幅、带宽的等多维参量调控时，保持恒定。最终实现波前的完整性调控。
一般情况下，像差是由不均匀的折射率分布产生的，这种不均匀的折射率分布主要发生在对工件界面的激光加工过程中。如果像差已知，则可以通过位于物镜之前的自适应光学元件将相反的相位施加到激光束上，从而消除波前传播到焦点时的像差，以将系统性能维持在衍射极限。
基于此，本申请还提供了基于波导阵列5的激光出射与调制系统的调制结果检测和调节机理。
基于傅里叶光学的基本原理，可利用复光场针对单一波长的光波的干涉过程进行解析表达。在此基础上，利用非相干合成理论，得到非窄带情况下的合成复光场分布模型，通过对合成后光强与相位的解析式表达，为后续的基于光场的感知方法研究提供理论分析工具，具体来说:
利用复光场理论，单一波长的波前W(u)可表达为：
其中，λ为波长，A为单一相位空间频率分量幅值，u为光瞳内空间坐标，f为空间频域坐标，E为口径函数，
为初始相位。
假设W1与W2分别为两束异构子孔径所获得波前，复光场光束合成的过程可用下式表示：
Ws(u)＝W1(u)+W2(u) (2)
干涉条纹强度可通过复光场模的平方获得，如下式所示：
I＝|W(u)|2 (3)
在获得单一波长的表达后，可通过获得不同波长干涉强度I(λ，x)，其中P(λ)为矩阵其行对应于探测器的光谱响应函数。
λ为波长，滤波函数包括通带的形状与探测器的频率响应，基于此，可获得非窄带下的两路干涉所得条纹的定量描述。在此基础上，反复利用2式，可建立异构子孔径下的宽带条纹追踪理论模型。
针对系统标校，可利用锯齿波进行载波，
在优选的实施例中，本申请还提供一种利用曲率的方法对单一波长的波前进行调节。
曲率传感器由Roddier在1988年所提出，其基本原理是光瞳处波前局部的曲率变化，所对应的焦内像与焦外像的光强分布会发生对应的变化。根据近场电磁波的传输方程，可以解算出波前信息，曲率传感因具有非干涉(无需参考光)、结构简单、环境适应性好、解算稳定(无需迭代)、孔径遮拦影响小以及动态范围大(无需相位解缠)、等诸多独特优势，具有非常好的应用价值。
具体的，焦前光强发分布为：
焦后为：
则曲率信号为:
由于导星接近，因此，其波前为两个接近波前的组合：
则曲率信号为：
可见，交互部分受到本身的波前误差以及视场误差的耦合作用。其调制因子Q为：
本申请基于自适应光学原理实现焦点、波像差等光束参量的在线检测和动态补偿，是激光制造过程中光能结构精准调控的重要技术手段。
首先，在明晰超快激光加工机理的基础上，根据待加工的结构，设计对应的密排波导阵列。第二步，在考虑波导调节自由度的情况下，开展针对系统中体光学元件参数的优化设计。第三步，针对创成结构的边缘进行分析，从边缘去除函数的角度，分析何种迭代加工策略可以得到接近节约函数的边缘。
在上一步研究的基础上，针对设计好的架构，利用光学相控阵，在现有光路的基础上，分别施加二次相位分布，最终改变等效透镜的光焦度，实现多层聚焦与调控；第二步，针对设计好的波导对应关系，基于标量衍射理论，分析离散波导进行那些参量的调控可以达到最好的并行加工效果。
第三步，由于离散波导的特性，会形成超分辨的焦斑能量分布，同时，纵向的能量分布也会发生变化。在此，将在前两步研究的基础上，结合理论分析与实验，探索分层与多焦点两种调控下，最佳的调控能力分配方案。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于波导阵列的激光出射与调制系统，其激光出射光路包括激光器、分束器、光程延迟线和透镜；其特征在于，所述光程延迟线和所述透镜之间还包括波导阵列；所述波导阵列包括网格架和多个半径相同和不同的光波导；所述光波导基于半径的区别组成不同的光波导单元；所述光波导单元插入所述网格架的网格中，实现所述波导阵列中每个光波导单元在空间位置上的调整。
2.如权利要求1所述的激光出射与调制系统，其特征在于，所述波导阵列中的多个光波导单元构成由内而外环环相套的圈层结构。
3.如权利要求1所述的激光出射与调制系统，其特征在于，所述波导阵列中的多个光波导单元构成矩阵结构或者相互嵌套的网格结构。
4.如权利要求2或3所述的激光出射与调制系统，其特征在于，不同半径的所述光波导采用共同的光程延迟线。
5.如权利要求4所述的激光出射与调制系统，其特征在于，所述透镜采用微透镜阵列结构；所述微透镜阵列与所述波导阵列的光路对应设置，在不同深度形成聚焦光斑，形成多层的焦点；或在同一深度聚焦多个焦点；以完成对激光光束的光强调制。
6.如权利要求4所述的激光出射与调制系统，其特征在于，所述光波导的光纤头通过旋转实现对光束的偏振调制。
7.如权利要求4所述的激光出射与调制系统，其特征在于，还包括曲率传感，所述曲率传感对所述波导阵列进行检测，通过不同离焦位置的两幅光强能量分布分别计算各光路之间的相位差，通过相位差对系统误差进行标校。
8.一种基于波导阵列的激光出射与调制系统，其激光出射光路包括激光器、分束器、光程延迟线和透镜；其特征在于，所述延迟线和所述透镜之间还包括基于级联型光波导调制器件；所述基于级联型光波导调制器件由导出光纤、变形镜和耦合光纤构成。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的激光出射与调制系统所采用的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.对单个光波导进行偏振调节，获得对应光路的偏振调节响应；
s2.根据不同的偏振需求依次调节所有光波导，以获得所有光路的光程调节灵敏度。
10.如权利要求9所述的调节方法，其特征在于，所述步骤s1中采用利用复光场理论对单一波长的波前进行调节或者利用曲率的方法对单一波长的波前进行调节。
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