專利名稱：一種光束任意整形新方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光束任意整形新方法及裝置，尤其是一種利用隨機(jī)并行梯 度下降算法實(shí)現(xiàn)激光光束任意整形的新方法及裝置，可以在實(shí)現(xiàn)光束強(qiáng)度任意 整形的同時(shí)，校正整形后光束的波前相位分布。
背景技術(shù)：
在激光技術(shù)領(lǐng)域，通常對(duì)激光光束能量的分布有著較為嚴(yán)格的要求。如在
激光材料的處理和加工、慣性約束核聚變(ICF)等領(lǐng)域通常要求激光束能量分布 均勻，即平頂光束；而中心部分無(wú)能量分布的空心光束作為激光導(dǎo)管、光鑷和 光學(xué)扳手，目前己成為實(shí)現(xiàn)微觀粒子(如微米粒子、納米粒子和生物細(xì)胞等)精確 操縱和控制的有力工具。通常激光器發(fā)出的激光束的空間強(qiáng)度分布呈高斯分布， 即高斯光束。為此人們提出了許多光束整形的技術(shù)。目前比較常用的激光光束 整形技術(shù)有設(shè)計(jì)二元光學(xué)元件(毛文煒，傅振海.實(shí)現(xiàn)靈活光束轉(zhuǎn)換的二元光學(xué) 器件及其應(yīng)用.中國(guó)激光，1997， A24(4): 289 292)，光楔列陣聚焦光學(xué)系統(tǒng)(呂 百達(dá)，蔡邦維，張彬.強(qiáng)激光的空間整形和靶面均勻輻照技術(shù).紅外與激光工程， 1999， 28(1): 25~28)，使用液晶空間光調(diào)制器(陳懷新，隋展，陳禎培.采用液 晶空間光調(diào)制器進(jìn)行激光光束的空間整形.光學(xué)學(xué)報(bào)，2001， 21(9): 1101-1111)， 使用雙折射透鏡組(葉一東，呂百達(dá)，蔡邦維.強(qiáng)激光的時(shí)間整形和空間整形一 ——利用雙折射透鏡組實(shí)現(xiàn)激光束的空間整形.激光技術(shù)，1996， 20(6): 324~328) 等。其中二元光學(xué)元件具有衍射效率高、光斑輪廓可調(diào)的特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng) 光學(xué)難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等功能，其質(zhì)量水平受微精 細(xì)加工技術(shù)發(fā)展水平的制約，目前二元光學(xué)元件的激光損傷閾值較低，在強(qiáng)激 光系統(tǒng)的應(yīng)用上還有困難。光楔列陣聚焦光學(xué)系統(tǒng)加工工藝簡(jiǎn)單，做成大口徑、 高抗光損閾值的器件沒(méi)有材料和設(shè)備上的困難，但是實(shí)現(xiàn)均勻輻照的區(qū)域小， 且容易出現(xiàn)干涉斑紋。使用振幅型液晶空間光調(diào)制器是一種實(shí)時(shí)、可調(diào)控的光束空間整形新方法，可方便地獲得所需形狀近場(chǎng)光束，但是激光損傷閾值較低， 僅適用于高功率激光系統(tǒng)前級(jí)，并且系統(tǒng)能量利用效率比較低。使用雙折射透 鏡組靈活方便，可以隨著光束參數(shù)的變化靈活改變其透射率函數(shù)，而不像其他 方法僅針對(duì)特定的光束參數(shù)而設(shè)計(jì)，但是雙折射透鏡組的加工制作比較困難， 光能利用效率比較低?？傮w而言，目前常用的幾種激光光束整形的方法均有各 自的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和實(shí)5見的復(fù)雜程度，本發(fā)明融合光強(qiáng)整形和 波前相位校正于一體，提供了一種簡(jiǎn)單而有效的光束任意整形方法和裝置。本 發(fā)明利用隨機(jī)并行梯度下降算法，采用雙變形鏡級(jí)聯(lián)使用，分別用于校正光強(qiáng) 和補(bǔ)償相位分布，可以快速實(shí)現(xiàn)所需的光強(qiáng)分布，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器設(shè)備沒(méi)有 特殊要求，無(wú)需專門設(shè)計(jì)二元光學(xué)器件或者雙折射透鏡組等，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種光束任意整形新方法，該方法包含下列步驟
1、 采用擴(kuò)束或者縮束裝置將需要整形的入射光束尺寸變換到和變形鏡的尺
寸相匹配。
2、 入射光束經(jīng)過(guò)第一面變形鏡，第一面變形鏡通過(guò)調(diào)制入射光束的相位分 布，對(duì)入射光束進(jìn)行空間強(qiáng)度整形，(在第二面變形鏡處形成所需的光強(qiáng)分布)。 由與第二面變形鏡對(duì)稱放置的圖像傳感器，探測(cè)整形后的光斑，并為系統(tǒng)提供 光強(qiáng)空間整形評(píng)價(jià)函數(shù)。
3、 光束入射第二面變形鏡，第二面變形鏡主要進(jìn)行相位校正，補(bǔ)償由于光 強(qiáng)整形所帶來(lái)的波前相位畸變和光學(xué)系統(tǒng)所帶來(lái)的相位畸變。由圖像傳感器或 者光電探測(cè)器，探測(cè)整形后的光束的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布，為系統(tǒng)提供相位校正評(píng)價(jià) 函數(shù)。
4、 利用隨機(jī)并行梯度下降算法控制施加在雙變形鏡所有驅(qū)動(dòng)器上的控制電 壓信號(hào)，直至光強(qiáng)空間整形評(píng)價(jià)函數(shù)和相位校正評(píng)價(jià)函數(shù)都取得全局極值，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，校正過(guò)程結(jié)束。
本發(fā)明提供了一套光束任意整形裝置。包括激光器l，擴(kuò)束鏡2，第一面
變形鏡3，分束鏡4，縮束鏡5，圖像傳感器6，第二面變形鏡7，分束鏡8，聚 焦透鏡9，圖像傳感器IO，算法控制器ll。其中激光器1位于擴(kuò)束鏡2之前， 第一面變形鏡3位于擴(kuò)束鏡2之后，分束鏡4位于第一面變形鏡3和第二面變 形鏡7之間，縮束鏡5位于分束鏡4和圖像傳感器6之間，聚焦透鏡9位于分 束鏡8和圖像傳感器10之間，算法控制器11與圖像傳感器6、圖像傳感器IO、 第一面變形鏡3、第二面變形鏡7連接。
激光器l出射激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束，入射第一面變形鏡3，第一面變形鏡 3在算法控制器11的控制下對(duì)入射光束進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的光束經(jīng)分束鏡4， 一部分采樣光束經(jīng)過(guò)縮束鏡5進(jìn)入圖像傳感器6，另一部分主光束入射第二面變 形鏡7，圖像傳感器6和第二面變形鏡7與第一面變形鏡3距離相同。由圖像傳 感器6實(shí)時(shí)采集圖像，并為系統(tǒng)提供光強(qiáng)空間整形評(píng)價(jià)函數(shù)。主光束經(jīng)過(guò)第二 面變形鏡7調(diào)制后，經(jīng)過(guò)分束鏡8分束， 一部分采樣光束經(jīng)過(guò)聚焦透鏡9聚焦 入射圖像傳感器IO，圖像傳感器10實(shí)時(shí)采集圖像，并為系統(tǒng)提供相位校正評(píng)價(jià) 函數(shù)。第一面變形鏡3和第二面變形鏡7由算法控制器11進(jìn)行控制，圖像傳感 器6和圖像傳感器10探測(cè)結(jié)果輸入算法控制器11，計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)，并實(shí)時(shí)反饋 控制變形鏡。
圖像傳感器可以為CCD， CMOS等器件。變形鏡可以為連續(xù)式變形鏡，也 可以為分離式變形鏡。優(yōu)化算法可以為隨機(jī)并行梯度下降算法，模擬退火算法， 遺傳算法，爬山法，高頻振動(dòng)法等。采用雙變形鏡整形光束和補(bǔ)償相位，可以 先對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行整形，然后再對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償，也可以光強(qiáng)整形和相位校正同時(shí) 進(jìn)行。算法控制器件可以是計(jì)算機(jī)，也可以是集成電路芯片。
隨機(jī)并行梯度下降算法控制器件產(chǎn)生控制電壓信息的過(guò)程為 首先定義評(píng)價(jià)函數(shù)^("u,^，Jw)和^("^^，J2M)分別作為光強(qiáng)整形評(píng)價(jià)函 數(shù)和相位校正評(píng)價(jià)函數(shù)，("n，^，jJ和(^，"^.i^J分別為作用于第一面變形鏡3和第二面變形鏡7上的控制電壓信恩，JV和M分別為第一面變形鏡3和第二 面變形鏡7的單元數(shù)目，為了保證光強(qiáng)整形和相位校正效果，理論上7V和M越 大越好。
假設(shè)/^,力為圖像傳感器6探測(cè)到的光強(qiáng)分布，/。(x，力為期望得到的光束能
量分布，人可以定義為
或者為
其中/^，力和/。(w)分別為/^，力和/。(:c,j)的平均值。當(dāng)輸出光束已經(jīng)具備所 需的能量分布特性時(shí)，^取全局極值。
假如/2(^)為圖像傳感器IO探測(cè)到得光強(qiáng)分布，厶可以定義為
其中/。，為不存在波前畸變時(shí)圖像傳感器±理想遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像最亮點(diǎn)的光 強(qiáng)值，/2，_為光強(qiáng)整形后遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像最亮點(diǎn)的光強(qiáng)值。當(dāng)輸出光束已經(jīng)具備 所需的相位分布時(shí)，厶取全局極值。
整個(gè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)可以取為如下形式
當(dāng)輸出光束已經(jīng)具備所需的光強(qiáng)分布和相位分布時(shí)，J取全局極值。
在時(shí)間步長(zhǎng)A:時(shí)，隨機(jī)并行梯度下降算法控制器11主動(dòng)向第一面變形鏡3 和第二面變形鏡7施加隨機(jī)擾動(dòng)電壓"f,..^4，...)， A^是服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)變
量，滿足〈^/>，〉 = ^~且〈^^ = 0，其中^是Kronecker符號(hào)。隨機(jī)擾動(dòng)電壓可 以由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，也可以是集成電路芯片產(chǎn)生。在隨機(jī)擾動(dòng)電壓后，隨機(jī)并行 梯度下降算法控制器11根據(jù)接收到信息計(jì)算此時(shí)因隨機(jī)擾動(dòng)帶來(lái)的評(píng)價(jià)函數(shù)《/
變化量根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù) /變化量更新(",，j,，作為下一時(shí)刻作用于變形鏡的控制
電壓信息("rv.^1,..."-1，更新準(zhǔn)則為
"=《_
上式中r是人為定義的權(quán)重系數(shù)向量，依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況而定。
為了保證算法的控制效果，在實(shí)際系統(tǒng)中，也可以進(jìn)行雙邊擾動(dòng)，此時(shí) 控制電壓的更新準(zhǔn)則不變，仍為
通過(guò)向變形鏡施加隨機(jī)擾動(dòng)電壓，算法控制器實(shí)時(shí)計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)J變化量， 能夠不斷更新施加在變形鏡上的控制電壓信息，直至評(píng)價(jià)函數(shù)J取全局最優(yōu)值， 對(duì)應(yīng)光束整形和相位校正完畢。評(píng)價(jià)函數(shù)J的選取與所需的能量分布特性有關(guān)， 因此這種方法可以實(shí)現(xiàn)光束的任意整形。
采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果
1、 本發(fā)明提出的激光光束整形方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器設(shè)備沒(méi)有 特殊要求，不需要進(jìn)行二元光學(xué)器件或雙折射透鏡組的設(shè)計(jì)與計(jì)算，簡(jiǎn)化了系 統(tǒng)的構(gòu)成。
2、 本發(fā)明提出的激光光束整形方法適用范圍廣，理論上可以將任意光強(qiáng)分 布入射光束整形成為任意能量分布的光束。
3、 本發(fā)明提出的激光光束整形方法，集光束整形和相位校正于一體，可以 在快速實(shí)現(xiàn)光束整形的同時(shí)校正相位分布。


圖1為光束整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。 圖2為單光電探測(cè)器遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。 圖3為雙光電探測(cè)器遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由待整形激光器1，擴(kuò)束鏡2，第一面變形鏡3，分 束鏡4，縮束鏡5，圖像傳感器6，第二面變形鏡7，分束鏡8，聚焦透鏡9，圖 像傳感器10，算法控制器11組成。其中激光器1位于擴(kuò)束鏡2之前，第一面變 形鏡3位于擴(kuò)束鏡2之后，分束鏡4位于第一面變形鏡3和第二面變形鏡7之 間，縮束鏡5位于分束鏡4和圖像傳感器6之間，聚焦透鏡9位于分束鏡8和 圖像傳感器10之間，算法控制器ll與圖像傳感器6、圖像傳感器IO、第一面 變形鏡3、第二面變形鏡7連接。
1、 首先搭建如圖l所示的平臺(tái)，激光器1出射激光經(jīng)擴(kuò)束鏡2擴(kuò)束后入射 到第一面變形鏡3上面，第一面變形鏡3在算法控制器11的控制下對(duì)入射光束 進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)第一面變形鏡3反射后的光束經(jīng)分束鏡4分束， 一部分采樣光束 經(jīng)縮束鏡5入射圖像傳感器6，圖像傳感器6和第二面變形鏡7相對(duì)于第一面變 形鏡3對(duì)稱放置(兩位置處具有相同的光強(qiáng)分布)，由圖像傳感器6實(shí)時(shí)采集圖 像，為算法控制器11提供整形后光束的光強(qiáng)分布信息。
2、 主光束入射第二面變形鏡7，第二面變形鏡7在算法控制器11的控制下 對(duì)入射的光束進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)第二面變形鏡7反射后的光束經(jīng)分束鏡8分束，一 部分采樣光束經(jīng)聚焦透鏡9聚焦后入射圖像傳感器10，圖像傳感器10實(shí)時(shí)采集 遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布信息，并實(shí)時(shí)反饋給算法控制器11。變形鏡為連續(xù)面型、分離面 型中的一種。
3、 算法控制器11根據(jù)圖像傳感器6和圖像傳感器10反饋回的信息，生成 控制電壓信息，并將此信息傳回第一面變形鏡3和第二面變形鏡7。
4、 系統(tǒng)重復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程，經(jīng)過(guò)一定得時(shí)間后，算法控制器產(chǎn)生的控制電 壓信息將趨于恒定不變，評(píng)價(jià)函數(shù) /取全局極值，表明光束整形完畢，輸出光 速的光強(qiáng)分布和相位分布已經(jīng)滿足要求。
光束整形探測(cè)裝置可以為CCD或者CMOS。相位校正的遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)裝置為CCD、 CMOS或者光電探測(cè)器，所使用的探測(cè)方案可以為如圖1所示由聚焦透鏡9和圖 像傳感器IO構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)，也可以為如圖2和圖3所示的結(jié)構(gòu)。圖2所示整形后經(jīng)變形鏡7調(diào)制后的光束經(jīng)透鏡9聚焦，然后入射針孔12，透過(guò)針孔的光束 入射光電探測(cè)器13，評(píng)價(jià)函數(shù)為透過(guò)小孔后光電探測(cè)器13探測(cè)的能量。圖3所 示整形后經(jīng)變形鏡7調(diào)制后的光束經(jīng)透鏡9聚焦，經(jīng)分束鏡14分束， 一部分光 束入射光電探測(cè)器17，另一部分光束經(jīng)過(guò)針孔15后入射光電探測(cè)器16。評(píng)價(jià) 函數(shù)為光電探測(cè)器16和光電探測(cè)器17探測(cè)能量之比。針孔的大小應(yīng)小于或者 等于無(wú)波前畸變光束遠(yuǎn)場(chǎng)愛(ài)麗斑大小。
權(quán)利要求
1、一種光束任意整形新方法及裝置，該方法包含下列步驟①、采用擴(kuò)束或者縮束裝置將需要整形的光束尺寸變換到和變形鏡的尺寸相匹配。②、入射光束經(jīng)過(guò)第一面變形鏡，第一面變形鏡通過(guò)調(diào)制入射光束的相位分布，對(duì)入射光束進(jìn)行空間強(qiáng)度整形，在第二面變形鏡處形成所需的光強(qiáng)分布，由與第二面變形鏡對(duì)稱放置的圖像傳感器探測(cè)整形后的光斑分布，并為系統(tǒng)提供光強(qiáng)空間整形評(píng)價(jià)函數(shù)。③、光束入射第二面變形鏡，第二面變形鏡主要進(jìn)行相位校正，補(bǔ)償由于光強(qiáng)整形所帶來(lái)的波前相位變化和光學(xué)系統(tǒng)自身所帶來(lái)的相位畸變。由圖像傳感器或者光電探測(cè)器，探測(cè)整形后的光束的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布，為系統(tǒng)提供相位校正評(píng)價(jià)函數(shù)。④、利用隨機(jī)并行梯度下降算法控制施加在雙變形鏡所有驅(qū)動(dòng)器上的控制電壓信號(hào)，直至系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，也即光強(qiáng)空間整形評(píng)價(jià)函數(shù)和相位校正評(píng)價(jià)函數(shù)都取得全局極值，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，校正過(guò)程結(jié)束。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光束任意整形新方法及裝置，其特征在于所 使用的優(yōu)化算法為隨機(jī)并行梯度下降算法、模擬退火算法、遺傳算法、爬山法、 高頻振動(dòng)法中的一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光束任意整形新方法及裝置，其特征在于采 用雙變形鏡整形光束和補(bǔ)償相位，可以先對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行整形，然后再對(duì)相位進(jìn)行 補(bǔ)償，也可以光強(qiáng)整形和相位校正同時(shí)進(jìn)行。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光束任意整形新方法及裝置，其特征在于該 裝置包括激光器(1)、擴(kuò)束鏡(2)、第一面變形鏡(3)、分束鏡(4)、縮束 鏡(5)、圖像傳感器(6)、第二面變形鏡(7)、分束鏡(8)、聚焦透鏡(9)、 圖像傳感器(10)、算法控制器(11)，其中激光器(1)位于擴(kuò)束鏡(2)之前，第一面變形鏡(3)位于擴(kuò)束鏡(2)之后，分束鏡(4)位于第面變形鏡(3) 和第二面變形鏡(7)之間，縮束鏡(5)位于分束鏡(4)和圖像傳感器(6) 之間，聚焦透鏡(9)位于分束鏡(8)和圖像傳感器(10)之間，算法控制器 (11)與圖像傳感器(6)、圖像傳感器(10)、第一面變形鏡(3)、第二面變形 鏡(7)連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光束任意整形新方法及裝置，其特征在于算 法控制器件可以是計(jì)算機(jī)，也可以是集成電路芯片。
6、 根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種光束任意整形新方法及裝置，其特征在于所 使用的光束整形探測(cè)裝置為CCD、 CMOS的一種；相位校正的遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)裝置為 CCD、 CMOS和光電探測(cè)器中的一種。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光束任意整形新方法及裝置，其特征在于變 形鏡為連續(xù)面型、分離面型中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光束任意整形新方法及裝置，可用于將入射光束的光強(qiáng)整形成所需的分布，并且能夠有效地補(bǔ)償光強(qiáng)整形和光學(xué)系統(tǒng)自身所帶來(lái)的光束波前相位變化。本發(fā)明采用雙變形鏡、雙圖像傳感器結(jié)合隨機(jī)并行梯度下降算法實(shí)現(xiàn)器件構(gòu)成自適應(yīng)閉環(huán)整形系統(tǒng)，由圖像傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)整形后的光束的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)光強(qiáng)分布信息，經(jīng)算法控制器反饋控制變形鏡，校正入射光束的光強(qiáng)分布和相位分布。本發(fā)明具有效率高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101614876SQ20091004399
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者習(xí)鋒杰, 劉澤金, 吳武明, 樸 周, 姜宗福, 霄 李, 汪曉波, 王小林, 舒柏宏, 許曉軍, 郭少鋒, 陳金寶, 馬浩統(tǒng), 馬閻星 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)