CN102540474B - 一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置的整形控制方法 - Google Patents

Abstract

一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置的整形控制方法，涉及一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置，还涉及整形控制方法。为了解决现有技术无法灵活设定位置整形光束，被整形光束的形状和口径不可灵活改变，以及边缘不陡峭且光束平顶光强波动大的问题。本发明的整形装置中的透镜位于光学相控阵所在面和输出面之间，光束通过光学相控阵再经过傅里叶变换透镜对光束进行整形，在输出面得到光场，强度分布采集模块对输出面的整形后的光场的光束强度分布进行采集并输给处理器模块，通过计算RMSE值并判断是否调整光学相控阵的相位。本发明装置由整形控制方法来实现对光束预期整形。本发明应用于衍射光学及激光整形技术领域。

Description

一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置的整形控制方法

技术领域

本发明属于衍射光学及激光整形技术领域，具体涉及一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置，本发明还涉及整形控制方法。

背景技术

平顶光束整形方法及装置，在激光直写、激光惯性约束核聚变、激光通信、激光雷达、激光加工等领域有着广泛应用。尤其在激光加工中需要做到在远场可人为设定的位置，实现激光束的形状任意且口径可变的平顶光束整形，且被整形光束的边缘陡峭同时光束平顶的光强波动极低。激光全息、激光材料加工、激光医疗等领域，常要求光强空间分布均匀的激光光束，而从激光器中直接出来的光束通常为高斯光束，而且对于小同的激光器，束腰半径是不相等的，因此需要通过激光光束整形装置，才能将高斯光束整形为光强均匀分布的平顶光束。但现有的技术对远场无法实现任意设定位置，平顶光束整形的激光束的形状和口径为不可变，被整形光束的边缘不陡峭且光束平顶的光强波动大的问题。

发明内容

本发明为了解决现有的技术对远场无法实现任意设定位置，平顶光束整形的激光束的形状和口径为不可变，被整形光束的边缘不陡峭且光束平顶的光强波动大的问题。

一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置，它包括光学相控阵、透镜、输出面、强度分析采集模块和处理器模块，透镜位于光学相控阵所在的面和输出面之间，透镜与相控阵和输出面之间的距离均为一倍焦距f，入射光束通过光学相控阵再经过透镜傅里叶变换对光束进行整形，在透镜的焦平面位置即输出平面得到整形后的光场，强度分布采集模块对输出面的整形后的光场的光束强度分布进行采集，将采集到的数据传输给处理器模块，处理器模块通过计算RMSE值并判断RMSE的值，从而决定是否调整光学相控阵的相位。

一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置的整形控制方法，它包括下述步骤：一、根据公式（1）获得初始相位φ₁，

φ₁=φ_F+2π(rand-0.5)sinc^-1(|A_F|)    (1)

φ_F为光束预期的强度分布I_T快速傅立叶变换后光场的空间相位分布，A_F为光束预期的强度分布I_T快速傅立叶变换后光场的空间振幅分布，rand为0到1之间的随机分布，sinc^-1为sinc函数的逆函数；

二、步骤一的φ₁根据公式（2）得到U_k，通过透镜的快速傅立叶变换计算出输出面的相位分布Φ_k，根据公式（4）算出输出面的实际获得的强度分布I_k，即强度分析采集模块采集到的强度分布I_k，实际获得的强度分布I_k逐步收敛逼近整形光束预期的强度分布为I_T，即理想情况下k=∞,I_k=I_T，

$U_k=\sqrt{I_G}\exp \left({\mathrm{i\φ}}_k\right)---\left(2\right)$

Φ_k=arg(FFT(U_k))    (3)

I_k=|FFT(U_k)|²    (4)

其中，I_G为入射激光束的强度分布，U_k为输出面出射的光场复振幅，k为迭代次数，k=1,2,…n,n≥2，arg为求复数的辐角的函数，FFT为快速傅立叶变换,exp表示e指数,i为复数中的对于虚数单位的定义；

三、根据步骤二的强度分布I_T和相位分布Φ_k通过步骤（5）计算出光场V_k，

$V_k=w_k\·\sqrt{I_T}\exp \left({\mathrm{i\Φ}}_k\right)$ (5)

其中，w_k为自适应权重w₁=1，k=1,2,…n,n≥2；

四、利用公式（6）计算的光强波动的均方根误差RMSE作为优化评估的标准，处理器模块用于计算当前的RMSE值并且判断当前的RMSE值是否满足用户要求的RMSE值，判断为是，则处理器模块停止向光学相控阵输送相位φ_k；判断为否，则继续进行下一次迭代，运行公式（7）和公式（8）计算载入光学相控阵的相位φ_k+1，***继续迭代直到处理器模块判断为是跳出，其表达式为：

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{\underset{p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_k-I_T)}^2/\underset{p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_T}---\left(6\right)$

φ_k+1=arg(IFFT(V_k))    (7)

w_k+1=w_k(I_T/|V_k|²)^c    (8)

其中，p=1,2....N，N≥2，为强度分布区域里的采用点数序列，C为优化因子，取值为0到1范围内，w_k+1为下一次算法迭代的自适应权重，IFFT为快速傅立叶逆变换，

用户要求的RMSE值和公式（8）中的C值的优化获取方法为：设定迭代次数k为一定数量，在C取值范围0到1内，C值从0开始，调整步进为0.01，每完成设定次数的算法迭代后C增加0.01，直到C=1优化结束，选取C值优化调整过程中最小的RMSE为用户要求的RMSE值，此时对应的C值被公式（5）采用。

本发明的优点是：在远场可人为设定的位置，实现激光束的任意形状且口径可变的平顶光束整形；被整形光束的边缘陡峭；被整形光束的光强波动低；可实现实时自适应形状任意且口径可变的平顶光束整形。本发明利用相位计算优化策略，依据整形需要，优化需相应的相位分布，然后把相位分布载入光学相控阵，从而达到实时自适应光束整形的目的。

附图说明

图1为一种实现边缘陡峭且光强波动很低的平顶光束整形自适应整形的装置结构示意图；图2为入射激光束强度分布图，图3为入射激光束强度分布的沿中心位置水平方向的截面图；图4为预期整形后光束的强度分布图；图5为预期整形后光束的强度分布的沿中心位置水平方向的截面图；图6为光束的强度波动RMSE随着C值的变化的曲线；图7为图6曲线图的放大；图8为基于整形装置和控制方法计算出满足整形需求的相位分布；图9为基于整形装置和控制方法计算出满足整形需求的相位分布沿中心位置水平方向的截面图；图10为基于整形装置和控制方法完成整形后在输出平面3上获得的平顶光束强度分布；图11为基于整形装置和控制方法完成整形后在输出平面3上获得的平顶光束强度分布沿中心位置水平方向的截面图；图12为以预期的128x128x(λ_f/D)um口径正方形强度分布为目标基于整形装置和控制方法完成整形后远场输出平面3上获得的强度分布沿中心位置水平方向的截面图；图13为以预期的96x96x(λ_f/D)um口径正方形强度分布为目标基于整形装置和控制方法完成整形后远场输出平面3上获得的强度分布沿中心位置水平方向的截面图；图14为以预期的64x64x(λ_f/D)um口径正方形强度分布为目标基于整形装置和控制方法完成整形后远场输出平面3上获得的强度分布沿中心位置水平方向的截面图；图15为以预期的47x(λ_f/D)um环半径圆环形强度分布为目标基于整形装置和控制方法完成整形后远场输出平面3上获得的强度分布沿中心位置水平方向的截面图；图16为以预期的37x(λ_f/D)um环半径圆环形强度分布为目标基于整形装置和控制方法完成整形后远场输出平面3上获得的强度分布沿中心位置水平方向的截面图；图17为以预期的27x(λ_f/DD)um环半径圆环形强度分布为目标基于整形装置和控制方法完成整形后远场输出平面3上获得的强度分布沿中心位置水平方向的截面图。

具体实施方式

具体实施方式一、一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置，它包括光学相控阵1、透镜2、输出面3、强度分析采集模块4和处理器模块5，透镜2位于光学相控阵1所在的面和输出面3之间，透镜2与相控阵1和输出面3之间的距离均为一倍焦距f，入射光束通过光学相控阵1再经过透镜2傅里叶变换对光束进行整形，在透镜2的焦平面位置即输出平面3得到整形后的光场，强度分布采集模块4对输出面3的整形后的光场的光束强度分布进行采集，将采集到的数据传输给处理器模块5，处理器模块5通过计算RMSE值并判断RMSE的值，从而决定是否调整光学相控阵1的相位。

透镜2起到傅立叶变化作用，本装置具有在远场可人为设定的位置，实现激光束的任意给定形状和给定口径的平顶光束整形特性。

具体实施方式二、针对具体实施方式一所述的一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置的整形控制方法，它包括下述步骤：

一、根据公式（1）获得初始相位φ₁，

φ₁=φ_F+2π(rand-0.5)sinc^-1(|A_F|)    (1)

φ_F为光束预期的强度分布I_T快速傅立叶变换后光场的空间相位分布，A_F为光束预期的强度分布I_T快速傅立叶变换后光场的空间振幅分布，rand为0到1之间的随机分布，sinc^-1为sinc函数的逆函数；

二、步骤一的φ₁根据公式（2）得到U_k，通过透镜2的快速傅立叶变换计算出输出面3的相位分布Φ_k，根据公式（4）算出输出面3的实际获得的强度分布I_k，即强度分析采集模块4采集到的强度分布I_k，实际获得的强度分布I_k逐步收敛逼近整形光束预期的强度分布为I_T，即理想情况下k=∞,I_k=I_T，

$U_k=\sqrt{I_G}\exp \left({\mathrm{i\φ}}_k\right)$

Φ_k=arg(FFT(U_k))    (3)

I_k=|FFT(U_k)|²    (4)

其中，I_G为入射激光束的强度分布，U_k为输出面出射的光场复振幅，k为迭代次数，k=1,2,…n,n≥2，arg为求复数的辐角的函数，FFT为快速傅立叶变换,exp表示e指数,i为复数中的对于虚数单位的定义；

三、根据步骤二的强度分布I_T和相位分布Φ_k通过步骤（5）计算出光场V_k，

$V_k=w_k\·\sqrt{I_T}\exp \left({\mathrm{i\Φ}}_k\right)$

其中，w_k为自适应权重w₁=1，k=1,2,…n,n≥2；

四、利用公式（6）计算的光强波动的均方根误差RMSE作为优化评估的标准，处理器模块5用于计算当前的RMSE值并且判断当前的RMSE值是否满足用户要求的RMSE值，判断为是，则处理器模块5停止向光学相控阵输送相位φ_k；判断为否，则继续进行下一次迭代，运行公式（7）和公式（8）计算载入光学相控阵的相位φ_k+1，***继续迭代直到处理器模块5判断为是跳出，其表达式为：

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{\underset{p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_k-I_T)}^2/\underset{p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_T}---\left(6\right)$

φ_k+1=arg(IFFT(V_k))    (7)

w_k+1=w_k(I_T/|V_k|²)^c    (8)

其中，p=1,2....N，N≥2，为强度分布区域里的采用点数序列，C为优化因子，取值为0到1范围内，w_k+1为下一次算法迭代的自适应权重，IFFT为快速傅立叶逆变换，用户要求的RMSE值和公式（8）中的C值的优化获取方法为：设定迭代次数k为一定数量，在C取值范围0到1内，C值从0开始，调整步进为0.01，每完成设定次数的算法迭代后C增加0.01，直到C=1优化结束，选取C值优化调整过程中最小的RMSE为用户要求的RMSE值，此时对应的C值被公式（5）采用。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一的区别在于：焦距f可以通过在光学相控阵1上叠加透镜2的相位分布与装置中的透镜2构成组合焦距达到轴向变焦，从而达到在轴向给定位置输出被整形光束强度分布的目的；通过人为设定整形光束预期的强度分布为I_T的形状和口径，可以在输出面3位置获得相应形状和口径的平顶光束。

本实施方式可以达到远场可人为设定的位置，实现激光束的任意给定形状和给定口径的平顶光束整形特性。入射光源为波长为λ的激光，它的光束强度分布可以表达为：

I_Gauss=exp[-2(x²+y²)/ω²]    (9)

ω为高斯光束在1/e²的半径，令ω=5mm，滤波器口径D为7.68mm；它们的采样点数512×512个点，入射激光束如图2和图3所示。波长为λ，焦距为f，则远场的输出平面的空间分辨率为λf/D，对于远场采用点数512×512个点情况，远场的空间范围为(λf/D)·512μm。令远场给定位置处的预期光束的强度分布范围为256×256×λf/D如图4和图5所示。根据具体实施方式二中步骤四中的用户要求的RMSE值和公式（5）中的C值优化策略，优化获取用户要求的RMSE值和公式（5）中的C值如下：设定迭代次数k为100次，C值从0开始，调整步进为0.01，每完成设定次数的算法迭代后C增加0.01，直到C=1优化结束。获得的光束的强度波动RMSE随着C值的变化曲线如图6和图7所示。图6和图7皆为获得的光束的强度波动RMSE随着C值的变化的曲线，其中图7是图6的放大。通过优化可以获得当C=0.49时，RMSE最小为0.0094；即用户要求的RMSE值为0.0094和公式（5）中的C值为0.49。利用具体实施方式一所述的一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置及具体实施方式二所述的整形控制方法计算出用于预期光束强度分整形的相位分布如图8和图9所示，整形完成后获得的远场强度分布，如图10和图11所示。通过人为设定整形光束预期的强度分布为I_T的为不同形状和口径，例如，预期的平顶光束分别为128×128×(λ_f/D)μm,96×96×(λ_f/D)μm,64×64×(λ_f/D)μm正方形强度分布及环半径分别为47×(λ_f/D)μm,37×(λ_f/D)μmand27×(λ_f/D)μm的环形强度分布.对于每个预期的强度分布分别利用上述步骤对于前述的入射激光束，如图2和图3所示分别实施整形，在给定远场即输出平面3处获得的光束强度分布沿中心位置水平方向的截面图分别对应为图12,图13，图14,图15，图16,图17所示。

Claims (1)

1.一种实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置的整形控制方法，所述的实现边缘陡峭且光强波动低的平顶光束整形装置包括光学相控阵（1）、透镜（2）、输出面（3）、强度分析采集模块（4）和处理器模块（5），透镜（2）位于光学相控阵（1）所在的面和输出面（3）之间，透镜（2）与相控阵（1）和输出面（3）之间的距离均为一倍焦距f，入射光束通过光学相控阵（1）再经过透镜（2）傅里叶变换对光束进行整形，在透镜（2）的焦平面位置即输出平面（3）得到整形后的光场，强度分布采集模块（4）对输出面（3）的整形后的光场的光束强度分布进行采集，将采集到的数据传输给处理器模块（5），处理器模块（5）通过计算RMSE值并判断RMSE的值，从而决定是否调整光学相控阵（1）的相位，

其特征在于：该方法包括下述步骤：

一、根据公式（1）获得初始相位φ₁，

φ₁=φ_F+2π(rand-0.5)sinc^-1(|A_F|)    (1)

φ_F为光束预期的强度分布I_T快速傅立叶变换后光场的空间相位分布，A_F为光束预期的强度分布I_T快速傅立叶变换后光场的空间振幅分布，rand为0到1之间的随机分布，sinc^-1为sinc函数的逆函数；

二、步骤一的φ₁根据公式（2）得到U_k，通过透镜（2）的快速傅立叶变换计算出输出面（3）的相位分布Φ_k，根据公式（4）算出输出面（3）的实际获得的强度分布I_k，即强度分析采集模块（4）采集到的强度分布I_k，实际获得的强度分布I_k逐步收敛逼近整形光束预期的强度分布为I_T，即理想情况下k=∞,I_k=I_T，

$U_k=\sqrt{I_G}\exp \left({\mathrm{i\φ}}_k\right)$

Φ_k=arg(FFT(U_k))    (3)

I_k=|FFT(U_k)|²    (4)

其中，I_G为入射激光束的强度分布，U_k为输出面出射的光场复振幅，k为迭代次数，k=1,2,…n,n≥2，arg为求复数的辐角的函数，FFT为快速傅立叶变换,exp表示e指数,i为复数中的对于虚数单位的定义；

三、根据步骤二的强度分布I_T和相位分布Φ_k通过步骤（5）计算出光场V_k，

$V_k=w_k\·\sqrt{I_T}\exp \left({\mathrm{i\Φ}}_k\right)$

其中，w_k为自适应权重w₁=1，k=1,2,…n,n≥2；

四、利用公式（6）计算的光强波动的均方根误差RMSE作为优化评估的标准，处理器模块（5）用于计算当前的RMSE值并且判断当前的RMSE值是否满足用户要求的RMSE值，判断为是，则处理器模块（5）停止向光学相控阵输送相位φ_k；判断为否，则继续进行下一次迭代，运行公式（7）和公式（8）计算载入光学相控阵的相位φ_k+1，***继续迭代直到处理器模块（5）判断为是跳出，

其表达式为：

$\mathrm{RMSE}=\sqrt{\underset{p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I_k-I_T)}^2/\underset{p=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_T}---\left(6\right)$

φ_k+1=arg(IFFT(V_k))    (7)

w_k+1=w_k(I_T/|V_k|²)^c    (8)

其中，p=1,2....N，N≥2，为强度分布区域里的采用点数序列，C为优化因子，取值为0到1范围内，w_k+1为下一次算法迭代的自适应权重，IFFT为快速傅立叶逆变换，

用户要求的RMSE值和公式（8）中的C值的优化获取方法为：设定迭代次数k为一定数量，在C取值范围0到1内，C值从0开始，调整步进为0.01，每完成设定次数的算法迭代后C增加0.01，直到C=1优化结束，选取C值优化调整过程中最小的RMSE为用户要求的RMSE值，此时对应的C值被公式（5）采用。