CN110501826A - 基于相位载波的提高光束质量的方法 - Google Patents

基于相位载波的提高光束质量的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于相位载波的提高近场光束质量的方法，该方法只需要在光路中设置反射式相位型空间光调制器，并在反射式相位型空间光调制器上加载一个合适的空间频率的矩形相位载波，即可解决空间滤波器中堵孔尺寸与滤波尺寸的矛盾问题，保证滤波效果，提高近场光束质量。本发明具有结构简单、操作方便的特点。

Description

基于相位载波的提高光束质量的方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体地说，本发明是涉及一种基于相位载波的提高近场光束质量的方法。
背景技术
高功率激光***中，光束在数百米的传输过程中，由于光学元件质量、环境中的灰尘、污染颗粒物等原因会给近场光束引入各种各样的振幅调制和相位调制，这不仅降低了***的光束质量，而且增加了光学元件损伤的概率，也提高了***的运行和维护成本。这些调制主要分为由单一的局域遮拦物引起的调制、非周期性的随机分布调制和周期性调制三种类型。其中，周期性调制除了给近场引入周期性的调制外，还会对远场引入旁瓣，其对应于周期性调制的空间频率。在高通量运行环境下，当考虑介质的非线性效应时，某些周期性调制的空间频率会出现非线性迅速增长，引起小尺度自聚焦现象，且会激发后续光学元件的损伤。空间滤波器是滤除周期性调制最常用的方法，其结构示意图如图1所示，由两个透镜和和一个滤波小孔组成。但在高功率激光***中，为了获得更好的滤波效果，通常设定的滤波小孔的半径很小，而滤波小孔过小时，除了会给输出近场引入低频衍射环外，还很容易在焦面处造成周期性调制的旁瓣与小孔边缘材料发生作用产生堵孔问题，堵孔问题是影响高功率激光器负载能力提升的一个重要因素。增加滤波小孔的尺寸在一定程度上可以避免堵孔问题的发生，但同时降低了滤波的要求，不能达到理想的滤波效果。2004年Bagnoud V和Zuegel J D[参见Bagnoud V,Zuegel J D.Independent phase and amplitude controlof a laser beam by use of a single-phase-only spatial light modulator[J].Optics letters,2004,29(3):295-297]提出利用矩形相位载波方法控制近场光束的振幅和相位，从而对光束进行整形。但是，最后所加载的矩形相位载波分布需要两个不同空间频率的一维矩形相位载波的叠加且未考虑周期性调制光束。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相位载波的提高近场光束质量的方法，该方法只需要在光路中设置反射式相位型空间光调制器，并在反射式相位型空间光调制器上加载一个空间频率的矩形相位载波，即解决空间滤波器中堵孔尺寸与滤波尺寸的矛盾问题，保证了滤波效果，提高近场光束质量。
为了实现上述发明目的，本发明的的技术解决方案如下：
一种基于相位载波的提高光束质量的方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
1)空间滤波器由第一透镜、滤波小孔和第二透镜组成，在所述的空间滤波器之前的周期性调制光束的光路中依次放置第一反射镜、第二反射镜、偏振片和分光棱镜，该分光棱镜将入射光分为透射光和反射光，在所述的反射光方向设置探测器，在所述的透射光方向设置反射式相位型空间光调制器，在所述的反射式相位型空间光调制器的反射光方向依次是所述的分光棱镜、第三反射镜和所述的空间滤波器，所述的探测器的输出端与计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端与所述的反射式相位型空间光调制器的控制端相连，使所述的偏振片的偏振方向和所述的反射式相位型空间光调制器液晶面板的长轴方向一致，所述的反射式相位型空间光调制器位于第一透镜的前焦面，所述的分光棱镜到所述的探测器的距离与分光棱镜到反射式相位型空间光调制器的距离相等；
2)所述的探测器探测光束的光强分布和相位分布，即反射式相位型空间光调制器处入射光束的光强分布I0(x0,y0)和相位分布并输入所述的计算机；
3)所述的计算机根据入射光束的光强分布拟合一理想的高斯光束，作为目标光束的光强分布It(x0,y0)，目标波前不含像差；
4)根据反射式相位型空间光调制器处入射光束的光强分布I0(x0,y0)、相位分布和目标光束的光强分布It(x0,y0)，确定矩形相位载波相位幅度的下限和上限随位置的变化分别为：
则矩形相位载波的相位分布由下式表示：
式中，T为矩形相位载波的周期，n为矩形相位载波总宽度内包含的周期个数；
5)所述的计算机将所述的矩形相位载波的相位分布转换成对应的灰度图，并加载到所述的反射式相位型空间光调制器上；
6)所述的周期性调制光束经上述结构和处理后，从所述的空间滤波器输出高光束质量的输出光。
由于所述的分光棱镜到所述的探测器的距离与分光棱镜到反射式相位型空间光调制器的距离相等，所以，所述的探测器探测的光束强度分布和相位分布即是反射式相位型空间光调制器处近场的光束强度分布和相位分布。
所述的计算机将所述的矩形相位载波的相位分布转换成对应的灰度图，并加载到反射式相位型空间光调制器上，并用滤波小孔滤除经过反射式相位型空间光调制器后发生衍射的高阶光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明是在空间滤波器第一个透镜的前焦面加了一矩形相位载波，当滤波小孔不能有效地滤除空间周期性调制时，对近场光束实现有效的滤波，从而提高近场光束的光束质量；
在高功率激光***中，滤波小孔为了避免发生堵孔问题和给输出近场引入低频衍射环不能设置太小时，滤波效果会降低，利用本发明的方法可以提高滤波效果，并且解决了滤波小孔堵孔尺寸和滤波尺寸的矛盾问题；
总之，本发明只需要在光路中设置反射式相位型空间光调制器，并在反射式相位型空间光调制器上加载一个合适的空间频率的矩形相位载波，即可解决空间滤波器中堵孔尺寸与滤波尺寸的矛盾问题，保证滤波效果，提高近场光束质量。本发明具有结构简单、操作方便的特点。
附图说明
图1是现有空间滤波器的结构示意图；
图2是本发明基于相位载波的提高光束质量的方法的结构示意图；
图3是本发明基于相位载波的提高光束质量的测量装置图；
图4是本发明实施例中加载相位载波前后的激光近场光束对应的一维平均功率谱密度曲线图，其中(a)加载相位载波前，(b)加载相位载波后。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不应依次限制本发明的保护范围。
先请参阅图2，图2是本发明基于相位载波的提高光束质量的方法的结构示意图，由图可见，本发明基于相位载波的提高光束质量的方法，包括下列步骤：
1)空间滤波器由第一透镜2、滤波小孔3和第二透镜4组成，在所述的空间滤波器之前的周期性调制光束1的光路中依次放置第一反射镜6、第二反射镜7、偏振片8和分光棱镜9，该分光棱镜9将入射光分为透射光和反射光，在所述的反射光方向设置探测器10，在所述的透射光方向设置反射式相位型空间光调制器11，在所述的反射式相位型空间光调制器11的反射光方向依次是所述的分光棱镜9、第三反射镜12和所述的空间滤波器，所述的探测器10的输出端与计算机13的输入端相连，所述的计算机13的输出端与所述的反射式相位型空间光调制器11的控制端相连，使所述的偏振片8的偏振方向和所述的反射式相位型空间光调制器11液晶面板的长轴方向一致，所述的反射式相位型空间光调制器11位于第一透镜2的前焦面，所述的分光棱镜9到所述的探测器10的距离与分光棱镜9到反射式相位型空间光调制器11的距离相等；
2)利用所述的探测器10探测光束的光强分布和相位分布，即反射式相位型空间光调制器11处入射光束的光强分布I0(x0,y0)和相位分布并输入所述的计算机13；
3)所述的计算机13根据入射光束的光强分布拟合一理想的高斯光束，作为目标光束的光强分布It(x0,y0)，目标波前不含像差；
4)根据反射式相位型空间光调制器11处入射光束的光强分布I0(x0,y0)、相位分布和目标光束的光强分布It(x0,y0)，确定矩形相位载波相位幅度的下限和上限随位置的变化分别为：
则矩形相位载波的相位分布由下式表示：
式中，T为矩形相位载波的周期，n为矩形相位载波总宽度内包含的周期个数；
5)所述的计算机13将所述的矩形相位载波的相位分布转换成对应的灰度图，并加载到所述的反射式相位型空间光调制器11上；
6)所述的周期性调制光束1经上述结构和处理后，从所述的空间滤波器输出高光束质量的输出光。
图3是本发明方法一个实施例及其测量装置图，在第二透镜4的后焦面处放置光电耦合探测器CCD14，用来探测出射光束的光强分布，本实施例中，所述的周期性调制光束1的振幅调制度为0.1，空间频率为12mm-1，空间滤波器中的滤波小孔3的截止频率为13.35mm-1，其无法将光束中12mm-1的空间频率滤除，第一透镜2和第二透镜4的焦距都为17.5cm，分光棱镜9为5：5普通非偏振分光棱镜，反射式相位型空间光调制器11采用的是型号为LETO、1920×1080像素的纯相位空间光调制器，光电耦合探测器CCD14采用的是大恒DH-SV1411GM、1392×1040像素的黑白CCD；
2)利用探测器探测光束的光强分布和相位分布，即反射式相位型空间光调制器处入射光束的光强分布和相位分布；
3)利用计算机根据入射光束的光强分布拟合一理想的高斯光束，作为目标光束的光强分布，目标波前不含像差；
4)根据反射式相位型空间光调制器处入射光束的光强分布I0(x0,y0)、相位分布和目标光束的光强分布It(x0,y0)，可确定矩形相位载波相位幅度的下限和上限随位置的变化为：
则矩形相位载波的相位分布可由下式表示：
式中，T为矩形相位载波的周期，n为矩形相位载波总宽度内包含的周期个数，本实施例中，矩形相位载波的周期T设为2个反射式相位型空间光调制器像素，n的个数为960。
5)反射式相位型空间光调制器11是利用计算机13绘制的灰度图像的灰度数据来控制电极电压，进而控制单个液晶像素对光束相位的变化，相位和灰度数据是成线性关系的(参见：徐桂权,冯少彤,聂守平,等.反射式空间光调制器的相位调制特性测试[J].激光技术,2009,33(6):571-574.)，将所述的的矩形相位载波的相位分布利用计算机13转换成对应的灰度图，并加载到反射式相位型空间光调制器11上，并用滤波小孔3滤除经过反射式相位型空间光调制器11后发生衍射的高阶光，利用光电耦合探测器CCD14探测加载相位载波后输出光束的光强分布，并计算得到其对应的一维平均功率谱密度曲线图，如图4(b)所示，将加载在反射式相位型空间光调制器的灰度图的灰度数据全部设为0，相当于不加载相位载波，用光电耦合探测器CCD14探测输出光束的光强分布，并计算得到其对应的一维平均功率谱密度曲线图，如图4(a)所示，与图4(b)对比可知，空间频率为12.4mm-1处的强度下降了一个数量级，并降低到了本底值附近。
实验表明，本发明只需要在光路中设置反射式相位型空间光调制器，并在反射式相位型空间光调制器上加载一个合适的空间频率的矩形相位载波，即可解决空间滤波器中堵孔尺寸与滤波尺寸的矛盾问题，保证滤波效果，提高近场光束质量。本发明具有结构简单、操作方便的特点。
以上所述的仅为本发明的具体实施案例，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理和实现的前提下，可以做任何修改、替换或改进等，这些修改、替换或改进均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于相位载波的提高光束质量的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)空间滤波器由第一透镜(2)、滤波小孔(3)和第二透镜(4)组成，在所述的空间滤波器之前的周期性调制光束(1)的光路中依次放置第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、偏振片(8)和分光棱镜(9)，该分光棱镜(9)将入射光分为透射光和反射光，在所述的反射光方向设置探测器(10)，在所述的透射光方向设置反射式相位型空间光调制器(11)，在所述的反射式相位型空间光调制器(11)的反射光方向依次是所述的分光棱镜(9)、第三反射镜(12)和所述的空间滤波器，所述的探测器(10)的输出端与计算机(13)的输入端相连，所述的计算机(13)的输出端与所述的反射式相位型空间光调制器(11)的控制端相连，所述的偏振片(8)的偏振方向和所述的反射式相位型空间光调制器(11)液晶面板的长轴方向一致，所述的反射式相位型空间光调制器(11)位于第一透镜(2)的前焦面，所述的分光棱镜(9)到所述的探测器(10)的距离与分光棱镜(9)到反射式相位型空间光调制器(11)的距离相等；
2)利用所述的探测器(10)探测光束的光强分布和相位分布，即反射式相位型空间光调制器(11)处入射光束的光强分布I0(x0,y0)和相位分布并输入所述的计算机(13)；
3)所述的计算机(13)根据入射光束的光强分布拟合一理想的高斯光束，作为目标光束的光强分布It(x0,y0)，目标波前不含像差；
4)根据反射式相位型空间光调制器(11)处入射光束的光强分布I0(x0,y0)、相位分布和目标光束的光强分布It(x0,y0)，确定矩形相位载波相位幅度的下限和上限随位置的变化分别为：
则矩形相位载波的相位分布由下式表示：
式中，T为矩形相位载波的周期，n为矩形相位载波总宽度内包含的周期个数；
5)所述的计算机(13)将所述的矩形相位载波的相位分布转换成对应的灰度图，并加载到所述的反射式相位型空间光调制器(11)上；
6)所述的周期性调制光束(1)经上述结构和处理后，从所述的空间滤波器输出高光束质量的输出光。
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