CN112180616A - 一种高密度无串扰激光焦场阵列调控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高密度无串扰激光焦场阵列调控方法及装置，依据初始源平面上光束的关联结构中的参数与目标焦场强度分布的对应关系，通过调控关联结构中的参数，达到精确控制光束在焦场处形成需要的高密度无串扰激光阵列；将权重函数进行离散抽样得到一组模式后，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，然后给空间光调制器按时间连续放映足够多的不同的全息图，实现不同模式的非相干叠加，从而高效的产生需要的激光阵列。本发明克服了传统方法能量利用率低的问题，能够使得聚焦的光斑较小，能量够大，并且分辨率高。

Description

一种高密度无串扰激光焦场阵列调控方法及装置

技术领域

本发明涉及阵列光强分布调控技术，特别是一种高密度无串扰激光焦场阵列调控方法及装置。

背景技术

由于高能量激光在工业生产、医疗、国防、科学研究等领域具有重要应用，对它的研究一直被各国政府所重视，现在它已经成为激光光学研究的一个重要方面。因为高功率密度会导致光学元件的损坏和非线性效应。所以要想从单一激光器中输出高能量，同时保持高光束质量和激光器的稳定性是非常困难的。阵列激光束相关技术则为解决这个矛盾提供了一条可行的途径。

阵列激光束除了在高能武器、高功率***上的应用，还在激光加工、微粒操控等其它方面有着重要的应用，因此越来越受到人们的重视。近些年来，人们从理论和实验上对激光束阵列进行了广泛的研究。激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。而阵列激光束则提供了一种同时将多个光斑打在同一材料上的方法，能够更加有效的进行激光加工。由于光场的强度梯度可以将高折射率微粒束缚在光场强度最大处，这可以用来实现对微粒的捕获与驱动。阵列激光可以产生多个光阱,从而可实现复杂的多微粒操纵。阵列激光束的广泛应用前景，使如何灵活产生合适的阵列光强分布具有很高的实用价值。

传统方法是利用干涉产生的阵列激光子斑，由于激光的高相干性，在比较紧凑时会产生多光束干涉效应，从而会存在一定的干涉杂斑，而且得到的阵列激光束的光强形状是固定的，无法灵活的改变阵列激光的形状，这在一定程度上影响了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高密度无串扰激光焦场阵列调控方法及装置，操控光束在通过透镜传输后自***，在焦场处形成高密度无串扰的阵列光强分布。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高密度无串扰激光焦场阵列调控方法，调控部分相干光束的关联结构，来操控光束在焦场处的形成高密度阵列光强分布；在源平面处产生具有关联结构

的光束，具有该关联结构的光束可在通过透镜传输过程中自***，在焦场产生高密度阵列光强分布；其中r₁＝(x₁,y₁)，r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，σ_x和σ_y分别表示该结构x和y方向的关联宽度，a_x和a_y是可调控的间距参数，调控阵列光强x和y方向上各子斑之间的距离，N和M控制阵列激光光斑的个数。

进一步的，根据权重函数

在权重函数有值的地方离散取值，即在权重函数中的每一个高斯函数的束腰宽度的两倍范围内分立取一定数量的值，也就是v_x,v_y的取值均匀离散的分布在这个区间内

和

从而将连续变量进行离散抽样，得到一组模式；其中C为归一化系数。

进一步的，根据权重函数进行离散抽样得到一组模式后，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，其透过率函数为

其中，

是一个N维的随机矢量，

表示均匀分布在区间[0,2π]内的随机相位，L表示全息图的数目，N表示模式的数目，p(v_n)和K(r,v_n)表示相应的权重和模式，C为归一化系数；由不同模式之间的相干度绝对值和全息图的数目之间的关系

可知，不同模式间的相干度的绝对值随着L的增加而减少，最后减少变为0，即模式之间是不相干的，其中m≠n；将全息图以时间放映的形式加载到空间光调制器上，再对时间做统计平均，即可近似得到连续积分得到的交叉谱密度函数结构。

本发明还提供一种产生高密度激光焦场阵列的装置，包括激光器、扩束镜、线偏振片、反射镜、空间光调制器、薄透镜、小孔光阑、薄透镜、薄透镜和电荷耦合相机；

首先激光器发出的激光束经过一个扩束镜控制光斑尺度大小，再经过一线偏振片，形成完全相干的线偏振光束，使得光束偏振方向和空间光调制器上的液晶分子方向一致，然后通过反射镜，再用空间光调制器对光束进行相位调制，获得需要的阵列关联结构，接着让调制后得到的部分相干光束传输，并经过薄透镜，小孔光阑，薄透镜组成的4f***进行空间滤波使得其一级衍射光通过，再由薄透镜进行聚焦，最后通过电荷耦合相机沿着光轴测量光强；

调控部分相干光束的关联结构，来操控光束在焦场处的形成高密度阵列光强分布；在源平面处产生具有关联结构

的光束，具有该关联结构的光束可在通过透镜传输过程中自***，在焦场产生高密度阵列光强分布；其中r₁＝(x₁,y₁)，r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，σ_x和σ_y分别表示该结构x和y方向的关联宽度，a_x和a_y是可调控的间距参数，调控阵列光强x和y方向上各子斑之间的距离，N和M控制阵列激光光斑的个数。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明通过控制部分相干光束关联结构中的相干参数σ_x和σ_y，间距参数a_x和a_y，可以对光束在通过透镜传输后的焦场处的光强分布进行精确控制，进而获得高密度无串扰的阵列激光分布；按照以往的部分相干光束的合成方式搭建的实验装置，产生方法是通过空间光调制器调制完全相干光束的统计特性来实现不同模式的非相干叠加，该实验方案克服了能量利用率低的问题，能够使得聚焦的光斑较小，能量够大，并且分辨率高，有望应用于激光加工和微粒操控等领域。

附图说明

图1是本发明的高密度无串扰激光焦场阵列调控装置结构示意图。

图2是不同模式之间的相干度绝对值和全息图数目的关系图。

图3是理论模拟101*101的阵列激光焦平面的强度分布图。

图4是理论模拟21*21的阵列激光焦平面的强度分布图。

图5是实验产生11*11的阵列激光焦平面的强度分布图。

图6是实验产生21*21的阵列激光焦平面的强度分布图。

图中：1-激光器，2-扩束镜，3-线偏振片，4-反射镜，5-空间光调制器，6-薄透镜，7-小孔光阑，8-薄透镜，9-薄透镜，10-电荷耦合相机

具体实施方式

本发明涉及一种高密度无串扰激光焦场阵列调控方法，其技术核心在于初始源平面上光束的关联结构中的参数与目标焦场强度分布的对应关系，通过调控关联结构中的参数，达到精确控制光束在焦场处形成需要的高密度无串扰激光阵列。实验上通过将权重函数进行离散抽样得到一组模式后，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，然后给空间光调制器按时间连续放映足够多的不同的全息图，来实现不同模式的非相干叠加，从而高效的产生需要的激光阵列。

首先在源平面产生具有阵列关联的光束，其关联结构

具有该关联结构的光束可以通过透镜传输后自***，从而在焦场处形成阵列光强分布。其中r₁＝(x₁,y₁)，r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，σ_x和σ_y分别表示该结构x和y方向的关联宽度，a_x和a_y是可调控的间距参数，调控阵列光强x和y方向上各子斑之间的距离，N和M能分别决定产生的矩形阵列激光在纵向和横向的子斑数目。

这种携带阵列关联特性的部分相干光束的交叉谱密度表达式为：

具有这种交叉谱密度的部分相干光束便可在焦场处形成需要的阵列光强度分布。

根据权重

将连续变量进行离散抽样，得到一组模式，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，然后继续给这组模式添加不同的随机相位叠加形成另一张全息图，同理可得到一定数目的全息图，然后将这些全息图按时间连续加载到空间光调制器上，再对时间做统计平均，即可近似得到连续积分得到的交叉谱密度函数结构。为了确保所有模式都是互相无关的，需要足够多的具有随机相位的全息图，可根据实际情况适当减少加载的全息片数量，即通过空间光调制器调制完全相干光束的统计特性来实现不同模式的非相干叠加。

下面对本发明的调控方法以及其原理进行详细说明。

本发明提出一种高密度无串扰激光焦场阵列调控方法及装置；首先构造具有高斯谢尔模型空间阵列的权重函数，表达式为：

其中，v＝(v_x,v_y)表示随机变量，C＝(2N+1)×(2M+1)。在上式的权重函数有值的地方分立取值，即在权重函数中的每一个高斯函数的束腰宽度的两倍范围内分立取一定数量的值，也就是v_x,v_y的取值均匀离散的分布在此区间

和

内，从而将连续变量进行离散抽样，得到一组模式。核函数表达式为：

由该权重和核函数在源平面上产生的部分相干光场交叉谱密度表达式为：

其中r₁＝(x₁,y₁)，r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上两点的位置矢量，w_x和w_y表示光强横向x和y方向的宽度，σ_x和σ_y分别表示该结构x和y方向的关联宽度，a_x和a_y是可调控的间距参数，调控阵列光强x和y方向上各子斑之间的距离，M、N表示阵列光强的光斑个数相关的参数。而交叉谱密度函数中的关联结构通过空间光调制器对光束进行随机相位的调制获得。

式(3)描述的光束经过一个傍轴ABCD聚焦光学***后，其在焦场处的光强度分布表达式可由下式表示：

其中，f代表傍轴ABCD聚焦光学***的焦距，将式(3)带入式(4)，可得到其在焦场处的光强度分布：

其中，有如下的参数代换：

其中ρ＝(ρ_x,ρ_y)是接收面上位置矢量。当初始光束经过的光学***是聚焦光学***时，通过(5)式可以计算得到光束通过透镜传输后在焦场处的强度分布。

在权重函数中的每一个高斯函数的束腰宽度的两倍范围内分立取一定数量的值，将连续变量进行离散抽样，得到一组模式，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，其透过率函数为

其中，

是一个N维的随机矢量，

表示均匀分布在区间[0,2π]内的随机相位，L表示全息图的数目，N表示模式的数目，p(v_n)和K(r,v_n)表示相应的权重和模式，C为归一化系数。如图2，由不同模式之间的相干度绝对值和全息图的数目之间的关系

可知，不同模式间的相干度的绝对值随着L的增加而减少，最后减少变为0，即模式之间是不相干的。为了确保所有模式都是互相无关的，需要足够多的具有随机相位的全息图，可根据实际情况适当减少加载的全息片数量。为了实现这种不同模式之间的非相干叠加，将这些全息图以时间放映的形式加载到空间光调制器上，再对时间做统计平均，即可近似得到连续积分得到的交叉谱密度函数结构。

本发明通过对部分相干光束进行调控产生阵列激光束的方法，其可以有效防止干涉杂斑的出现，并且通过调控其关联结构的参数，可以灵活的调控焦场的阵列光强分布，因此本发明通过调控部分相干光的关联结构来产生阵列激光束。实验上产生方法是通过空间光调制器按时间连续放映足够多的不同的全息图，来实现不同模式的非相干叠加，从而产生需要的激光阵列。不同于利用毛玻璃调制相干性的方法，该实验方案克服了能量利用率低的问题，能够使得聚焦的光斑较小，能量够大，并且分辨率高，具有非常实用的价值。

下面结合实施例对本发明进行详细描述。

实施例

如图1所示，为本发明提出的一种高密度无串扰激光焦场阵列调控技术的实验装置示意图，首先激光器1发出的激光束经过一个扩束镜2控制光斑尺度大小，再经过一线偏振片3，形成完全相干的线偏振光束，使得光束偏振方向和空间光调制器上的液晶分子方向一致，然后通过反射镜4，再用计算机控制空间光调制器5对光束进行相位调制，获得需要的阵列关联结构，接着让调制后得到的部分相干光束传输，并经过薄透镜6，小孔光阑7，薄透镜8组成的4f***进行空间滤波，再由薄透镜9进行聚焦，最后通过电荷耦合相机10沿着光轴测量焦场处的光强。其中薄透镜6的焦距为150mm，薄透镜8焦距为150mm，薄透镜9焦距为150mm。

如图2所示，为不同模式之间的相干度绝对值和全息图数目的关系图，可以发现不同模式间的相干度的绝对值随着L的增加而减少，最后减少变为0，0代表模式之间是不相干的。为了确保所有模式都是互相无关的，需要足够多的具有随机相位的全息图，在这里实验中采用放映200张全息图。

如图3所示，为理论模拟101*101的阵列激光焦平面的强度分布图，参数选取：λ＝632.8nm，f＝50mm，w_x＝1mm，w_y＝1mm，σ_x＝3mm，σ_y＝3mm，a_x＝0.6mm，a_y＝0.6mm，M＝N＝50，发现理论上在焦平面处可以得到高密度无串扰的激光阵列光强分布。

如图4所示，为理论模拟21*21的阵列激光焦平面的强度分布图，各参数取：λ＝632.8nm，f＝150mm，w_x＝0.78mm，w_y＝0.78mm，σ_x＝3mm，σ_y＝3mm，a_x＝0.7mm，a_y＝0.7mm，M＝N＝10，在焦平面处可以得到高密度无串扰的激光阵列光强分布。

如图5所示，实验产生11*11的阵列激光焦平面的强度分布图，此时的间距参数a_x＝a_y＝0.5mm，间距如预期被准确的控制。

如图6所示，当M＝N＝10时，在焦场处形成了21*21的阵列光斑，各子斑的间距如预期的参数设置一样靠的比较紧凑，并且没有出现串扰，和理论基本一致。这说明我们可以通过调控光束某些参数的方法，可以灵活的调控各子斑之间的距离以及子斑的数目，能够从实验上在焦平面处形成高密度无串扰的阵列激光。

Claims (6)

1.一种高密度无串扰激光焦场阵列调控方法，其特征在于，调控部分相干光束的关联结构，来操控光束在焦场处的形成高密度阵列光强分布；在源平面处产生具有关联结构

的光束，具有该关联结构的光束可在通过透镜传输过程中自***，在焦场产生高密度阵列光强分布；其中r₁＝(x₁,y₁)，r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，σ_x和σ_y分别表示该结构x和y方向的关联宽度，a_x和a_y是可调控的间距参数，调控阵列光强x和y方向上各子斑之间的距离，N和M控制阵列激光光斑的个数。

2.根据权利要求1所述的高密度无串扰激光焦场阵列调控方法，其特征在于，根据权重函数

在权重函数有值的地方离散取值，即在权重函数中的每一个高斯函数的束腰宽度的两倍范围内分立取一定数量的值，也就是v_x,v_y的取值均匀离散的分布在这个区间内

和

从而将连续变量进行离散抽样，得到一组模式。

3.根据权利要求2所述的高密度无串扰激光焦场阵列调控方法，其特征在于，根据权重函数进行离散抽样得到一组模式后，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，其透过率函数为

其中，

是一个N维的随机矢量，

表示均匀分布在区间[0,2π]内的随机相位，L表示全息图的数目，N表示模式的数目，p(v_n)和K(r,v_n)表示相应的权重和模式，C为归一化系数；由不同模式之间的相干度绝对值和全息图的数目之间的关系

可知，不同模式间的相干度的绝对值随着L的增加而减少，最后减少变为0，即模式之间是不相干的，其中m≠n；将全息图以时间放映的形式加载到空间光调制器上，再对时间做统计平均，即可得到连续积分得到的交叉谱密度函数结构。

4.一种产生高密度激光焦场阵列的装置，其特征在于，包括激光器(1)、扩束镜(2)、线偏振片(3)、反射镜(4)、空间光调制器(5)、薄透镜(6)、小孔光阑(7)、薄透镜(8)、薄透镜(9)和电荷耦合相机(10)；

首先激光器(1)发出的激光束经过一个扩束镜(2)控制光斑尺度大小，再经过一线偏振片(3)，形成完全相干的线偏振光束，使得光束偏振方向和空间光调制器上的液晶分子方向一致，然后通过反射镜(4)，再用空间光调制器(5)对光束进行相位调制，获得需要的阵列关联结构，接着让调制后得到的部分相干光束传输，并经过薄透镜(6)，小孔光阑(7)，薄透镜(8)组成的4f***进行空间滤波使得其一级衍射光通过，再由薄透镜(9)进行聚焦，最后通过电荷耦合相机(10)沿着光轴测量光强；

调控部分相干光束的关联结构，来操控光束在焦场处的形成高密度阵列光强分布；在源平面处产生具有关联结构

的光束，具有该关联结构的光束可在通过透镜传输过程中自***，在焦场产生高密度阵列光强分布；其中r₁＝(x₁,y₁)，r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，σ_x和σ_y分别表示该结构x和y方向的关联宽度，a_x和a_y是可调控的间距参数，调控阵列光强x和y方向上各子斑之间的距离，N和M控制阵列激光光斑的个数。

5.根据权利要求4所述的产生高密度激光焦场阵列的装置，其特征在于，根据权重函数

在权重函数有值的地方离散取值，即在权重函数中的每一个高斯函数的束腰宽度的两倍范围内分立取一定数量的值，也就是v_x,v_y的取值均匀离散的分布在这个区间内

和

从而将连续变量进行离散抽样，得到一组模式。

6.根据权利要求5所述的产生高密度激光焦场阵列的装置，其特征在于，根据权重函数进行离散抽样得到一组模式后，再给这组模式添加不同的随机相位叠加形成一张全息图，其透过率函数为

其中，

是一个N维的随机矢量，

表示均匀分布在区间[0,2π]内的随机相位，L表示全息图的数目，N表示模式的数目，p(v_n)和K(r,v_n)表示相应的权重和模式，C为归一化系数；由不同模式之间的相干度绝对值和全息图的数目之间的关系

可知，不同模式间的相干度的绝对值随着L的增加而减少，最后减少变为0，即模式之间是不相干的，其中m≠n；将全息图以时间放映的形式加载到空间光调制器上，再对时间做统计平均，即可得到连续积分得到的交叉谱密度函数结构。

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