CN104678556A - 一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，包括：条形激光束产生元件，条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件，分光镜，光束质量探测元件及系统控制元件；本发明通过条形激光束产生元件发出条形光束并依次经过条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件进行整形和低阶像差补偿，分光镜分束，光束质量探测元件测量输出光束质量；系统控制元件根据实时测量的光束质量，控制条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件间的相对位置，完成对条形象散光束的实时整形与低阶像差补偿，有效弥补现有变形镜自适应光学系统有限校正行程对光束质量进一步提高的限制以及现有条形象散光束整形与准直装置不能实时进行光束整形和低阶像差补偿的不足。
Description
技术领域
本发明涉及光学控制技术领域，尤其涉及一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统。
背景技术
目前，同时获得高平均功率和高光束质量的全固态激光器在工业领域和军事领域均具有重要用途。板条形激光增益介质通过采用均匀的泵浦强度分布，大面散热以及之字形光路传播，被认为是同时获得高平均功率和高光束质量激光器最具前途的方案。然而，在高平均功率条件下，输出激光亮度和光束质量仍然受限于板条激光介质热畸变，这些畸变通常导致数十个波长的光程差。变形镜自适应光学利用能动镜面实时校正激光束波前畸变，并且成功的应用于多种光学系统中，显著提高激光光束质量。然而，自适应光学变形镜的校正行程通常只有15微米(Jan Pilar,et al.Design and optimization of an adaptive optics system for ahigh averagepowermulti-slab laser(HiLASE),Appl.Opt,2014vol.53,3255-6)，且优势主要集中在高阶像差的校正。随着激光器平均功率的继续增加，基于变形镜自适应光学的光束净化系统校正激光波前畸变后，光束仍有大量残余像差，难以获得衍射极限的光束质量(G.D.Goodno,et al.Coherent combination of high-power zigzag slab lasers,Opt.Lett,2006,vol.31,1247-1249)。值得注意的是，激光介质热效应导致的波前畸变主要为低阶像差包括离焦和象散(Xiang Zhang,et al.Analysis of thermal effect and experimental measurement of output wavefront properties with all-solid-state Nd:YAG laser,SPIE,2009,vol.7283,72833C1-72833C6)，这些像差都可以通过标准的光学元件进行校正。
为了充分利用板条形激光介质产生高平均功率的优势，必须对板条激光增益介质热效应导致的动态低阶像差进行实时补偿。专利(WO 99/08347)中介绍了一种两镜组光学成像系统用于CO2板条激光器光束整形和象散校正，其中第一面透镜分别对长条光束的两个方向进行聚焦和准直，第二面透镜对第一面透镜聚焦的方向进行准直，从而实现准直方光斑输出。专利(CN 102621694)中介绍了一种条形象散光束整形与准直装置，其中包括两面扩束柱透镜和一面补偿球透镜。其中扩束柱透镜对条形光束单向扩束、平衡条形光束水平和垂直方向的发散角，补偿球透镜将发散光束进行准直，从而实现准直方光斑输出。
但是以上方法和装置只能实现某个特定条件下条形象散光束的准直和单个方向光束整形，当入射条形象散光束发散角和光斑大小随板条激光增益介质热效应发生变化时，所设定的值就不再是最优值。因此，希望有一种装置能对板条形激光增益介质热效应导致的动态低阶像差进行实时补偿和两个方向的光束整形，与变形镜自适应光学高阶像差校正优势互补，提高板条激光器出光光束质量以及稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有变形镜自适应光学系统中变形镜有限校正行程对光束质量进一步提高的限制，以及现有条形象散光束整形与准直装置不能实时补偿板条激光增益介质热效应畸变导致动态低阶像差的不足，如何提供一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，能够具有可靠性强和适用范围广的 特点，适用于从毫瓦至数千瓦的连续或脉冲板条激光光束低阶像差补偿的关键问题。
为此目的，本发明提出了一种透镜组条形象光束实时整形与低阶像差补偿系统，包括：条形激光束产生元件、条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件、分光镜、光束质量探测元件、系统控制元件；
其中，所述条形激光束产生元件，用于发出条形光束，条形光束依次通过所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件；
所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件，用于对入射条形光束相互垂直的两个方向进行实时整形和低阶像差补偿，将输出光束整形为预定大小，准直的方形激光束；
所述分光镜，用于对整形后的光束进行分束，反射部分作为主激光输出，透射部分作为采样信号激光入射到所述光束质量探测元件；
所述光束质量探测元件，用于对所述透射采样信号激光进行探测，测量透射激光束的光束质量；
所述系统控制元件，用于通过数据采集卡和数据线与所述光束质量探测元件相连接，实时接收测量得到的光束质量数据。
进一步地，所述系统控制元件，还用于利用随机优化算法对光束质量进行计算，得到控制所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件的驱动信号。
进一步地，所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件，还用于通过数据线与所述系统控制元件的输出端相连接，接收驱动信号，调节所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件间的相对位置，完成对条形象散光束的实时整形与低阶像差补偿。
具体地，所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件包括： 条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件以及象散调整运动元件。
具体地，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件为透镜，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件用于控制条形象散光束相互垂直方向的个数均不少于三个。
具体地，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件所使用的材料为入射激光高透过率低吸收率的透明材料，其中，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件的两个光学面均镀有针对入射激光的高透过率膜。
具体地，所述象散调整运动元件为多子同轴直线电机或步进电机。
具体地，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件和所述象散调整运动元件的连接方式为直接光胶或通过镜架连接，连接处选择与镜片热膨胀系数相同的材料。
具体地，所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件中的透镜沿系统光轴方向平移和/或沿系统光轴方向旋转，其中，所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件中的透镜沿系统光轴方向平移和/或沿系统光轴方向旋转均为实时自动控制调整方式。
具体地，所述光束质量探测元件为远场光斑能量探测仪或Shack-Hartmann波前探测仪或剪切波前干涉仪。
本发明公开了一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，包括：条形激光束产生元件，条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件，分光镜，光束质量探测元件及系统控制元件；本发明通过条形激光束产生元件发出条形光束并依次经过条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件进行整形和低阶像差补偿，分光镜分束，光束质量探测元件测量输出光束质量；系统控制元件根据实时测量得到的输出光束质量，控制条形象散光束实时整形与低阶像 差补偿元件间的相对位置，完成对条形象散光束的实时整形与低阶像差补偿，有效弥补现有变形镜自适应光学系统有限校正行程对光束质量进一步提高的限制以及现有条形象散光束整形与准直装置不能实时进行光束整形和低阶像差补偿的不足。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统的示意图；
图2(a)-(b)示出了本发明一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统中的条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件相互垂直两个方向示意图；
图3示出了本发明一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统中的输入输出光斑形状示意图；
图4(a)-(b)示出了本发明一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统中的工作前后激光波前对比图；
其中，1-01为条形激光束产生元件；1-02为条形激光束产生元 件发出激光束的形状；2-00为象散调整运动元件；2-01为条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件中X方向负柱透镜；2-02为条形象散光束整形与低阶像差补偿元件中正球透镜；2-03为形象散光束整形与低阶像差补偿元件中负球透镜；2-04为条形象散光束整形与低阶像差补偿元件中X方向正柱透镜；2-05为条形象散光束整形与低阶像差补偿元件中正球透镜；3-01为分光镜；3-02为透镜组条形象散光束整形与低阶像差补偿元件输出激光束形状；4-01为光束质量探测元件；5-01为系统控制元件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
为了更好的理解与应用本发明提出的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，以如下附图示例进行详细说明。
本发明提供了一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，包括：条形激光束产生元件、条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件、分光镜、光束质量探测元件、系统控制元件。
具体地，条形激光束产生元件用于发出条形光束，条形光束依次通过条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件；条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件用于对入射条形光束相互垂直的两个方向进行实时整形和低阶像差补偿，将输出光束整形为预定大小，准直的方形激光束；分光镜用于对整形后的光束进行分束，反射部分作为主激光输出，透射部分作为采样信号激光入射到所述光束质量探测元件；光束质量探测元件用于对透射采样信号激光进行探测，测量透射激光束的光束质量；系统控制元件用于通过数据采集卡和数据线与光束质量探测元件相连接，实时接收测量得到的光束质量数据。
进一步地，系统控制元件还用于利用随机优化算法对光束质量进行计算，得到控制条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件的驱动信号，条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件还用于通过数据线与系统控制元件的输出端相连接，接收驱动信号，调节条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件间的相对位置，完成对条形象散光束的实时整形与低阶像差补偿。
更进一步地，本发明中的条形光束产生元件为采用板条形激光介质的激光振荡器或激光放大器(MOPA)，发出长条形激光束；条形象散光束整实时形与低阶像差补偿元件包括条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件及象散调整运动元件；条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件控制条形象散光束相互垂直两个方向的透镜个数均不少于三个，可采用三个球透镜两个柱透镜、四个柱透镜一个球透镜或六个柱透镜，同时精确控制条形象散光束的光斑大小及低阶像差补偿。
更进一步地，条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件所使用的材料为入射激光高透过率低吸收率的透明材料，并且光学元件的两个光学面均镀有针对入射激光的高透过率膜。其中，象散调整运动元件为多子同轴直线电机或步进电机。
更进一步地，条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件和象散调整运动元件的连接方式为直接光胶或通过镜架连接，连接处选择与镜片热膨胀系数相同的材料，且条形象散光束整形与低阶像差补偿元件中的透镜可以沿系统光轴方向平移以及沿系统光轴方向旋转，且上述运动均为实时自动控制调整。
更进一步地，光束质量探测元件为远场光斑能量探测仪或Shack-Hartmann波前探测仪或剪切波前干涉仪。由此，提高了光束质量探测元件的多样性；系统控制元件为基于随机优化算法为遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、随机并行梯度下降算法或波前直 接耦合中一种的高性能计算机。由此，提高了控制的精准性与方式的多选择性。
为了更好的理解与应用本发明提出的一种透镜组条形象散光束整形与低阶像差补偿系统，本发明进行以下示例，且本发明不仅仅局限以下示例。
具体地，如图1与2所示：一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，包括：条形激光束产生元件1-01；透镜组条形象散光束实时整形与准直元件2-00～2-05；分光镜3-01；光束质量探测元件4-01；系统控制元件5-01。
进一步地，条形光束产生元件1-01为Nd:YAG板条形增益介质MOPA激光器，其输出光斑为3.2mm x 32mm，如图3所示，且沿Y方向光斑发散角大于沿X方向。条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件2-00～2-05，包括象散调整运动元件光栅定位型多子同轴直线电机2-00，直线电机参数为最大运动速度1.5m/s，分辨率0.5μm，重复精度1μm，最高接受脉冲频率20MHz；条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件2-01～2-05其透镜材料为熔融石英，且各透镜的光学面均镀有针对1064nm的高透过率光学膜，2-01为X方向平凹柱透镜、2-02为平凸球透镜、2-03为平凹球透镜、2-04为X方向平凸柱透镜和2-05平凸球透镜；Y方向由三个球透镜单独控制不受X方向柱透镜的影响，X方向由两个柱透镜和三个球透镜共同控制，控制条形象散光束相互垂直两个方向的透镜个数均不少于三镜组，同时精确控制条形象散光束的光斑大小及低阶像差补偿。
更进一步地，条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件2-01～2-05与象散调整运动元件2-00的连接方式为直接光胶连接，且光胶为与透镜材料热膨胀系数相近的材料，且分光镜3-01第一光学面镀有针对1064nm高反射率光学膜，第二光学面镀有针对1064nm高透过率光学膜。
更进一步地，光束质量探测元件4-01选用PHASICS高分辨率剪切波前干涉仪SID4-HR，且系统控制元件5-01选用基于随机并行梯度下降算法的高性能计算机。
更进一步地，打开MOPA结构Nd:YAG板条激光器1-01，根据激光器发出的条形光束精确地调整透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，使激光束光轴与光学元件光轴重合。条形光束依次经过条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件2-01～2-05进行光束整形及低阶像差补偿，分光镜3-01分束，反射光束作为主激光输出透射部分作为采样信号激光入射到光束质量探测元件4-01PHASICS剪切波前干涉仪SID4-HR相机的靶面上测量输出光束质量。系统控制元件5-01，通过数据采集卡和数据线与光束质量探测元件4-01相连；系统控制元件5-01利用随机并行梯度下降优化算法对光束质量探测元件4-01测量的光束质量进行计算，并得到控制条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件2-01～2-05的驱动信号；条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件2-01～2-05驱动器的输入端与系统控制元件5-01的输出端通过数据线相连接，接收驱动信号并将驱动信号转换为模拟电压信号，并将模拟电压信号送入象散调整运动元件2-00，完成对条形象散光束的实时整形与低阶像差补偿。
如图4(a)和图4(b)为透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统闭环补偿前后波前信息对比图，图4(a)为3组透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统闭环补偿前激光束波前信息，图4(b)为相应透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统闭环补偿后的激光波前信息；从图中可以明显看出，经过透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统闭环补偿后激光束的低阶像差能显著地得到补偿；其中最大补偿范围为低阶像差由RMS＝18.11λ降低到RMS＝0.75λ。说明透镜组条形象散光束实时整 形与低阶像差补偿系统能实时补偿条形激光束产生元件1-01发出激光束的低阶像差。
本发明提出的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统与现有条形象散光束整形与准直装置相比，本发明采用将条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件与象散调整运动元件相连接构成条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件，并且控制条形象散光束相互垂直两个方向透镜数不少于三镜组设计，同时精确控制条形象散光束的光斑大小及低阶像差补偿。
进一步地，应用本发明透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统能补偿较大幅度的低阶像差，有效弥补现有变形镜自适应光学系统中变形镜有限校正行程对光束质量进一步提高的限制以及现有条形象散光束整形与准直装置不能实时对条形象散光束进行整形和低阶像差校正的不足，并且与变形镜自适应光学校正高阶像差的优势互补，提高激光器出光光束质量和稳定性。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施 例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
此外，还应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，包括：条形激光束产生元件、条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件、分光镜、光束质量探测元件、系统控制元件；
其中，所述条形激光束产生元件，用于发出条形光束，条形光束依次通过所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件；
所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件，用于对入射条形光束相互垂直的两个方向进行实时整形和低阶像差补偿，将输出光束整形为预定大小，准直的方形激光束；
所述分光镜，用于对整形后的光束进行分束，反射部分作为主激光输出，透射部分作为采样信号激光入射到所述光束质量探测元件；
所述光束质量探测元件，用于对所述透射采样信号激光进行探测，测量透射激光束的光束质量；
所述系统控制元件，用于通过数据采集卡和数据线与所述光束质量探测元件相连接，实时接收测量得到的光束质量数据。
2.如权利要求1所述的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，所述系统控制元件，还用于利用随机优化算法对光束质量进行计算，得到控制所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件的驱动信号。
3.如权利要求1所述的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件，还用于通过数据线与所述系统控制元件的输出端相连接，接收驱动信号，调节所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件间的相对位置，完成对条形象散光束的实时整形与低阶像差补偿。
4.如权利要求1所述的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件包括：条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件以及象散调整运动元件。
5.如权利要求1所述的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件为透镜，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件用于控制条形象散光束相互垂直方向的个数均不少于三个。
6.如权利要求4或5所述的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件所使用的材料为入射激光高透过率低吸收率的透明材料，其中，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件的两个光学面均镀有针对入射激光的高透过率膜。
7.如权利要求4所述的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，所述象散调整运动元件为多子同轴直线电机或步进电机。
8.如权利要求4-7任一项所述的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，所述条形象散光束整形与低阶像差补偿光学元件和所述象散调整运动元件的连接方式为直接光胶或通过镜架连接，连接处选择与镜片热膨胀系数相同的材料。
9.如权利要求1所述的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件中的透镜沿系统光轴方向平移和/或沿系统光轴方向旋转，其中，所述条形象散光束实时整形与低阶像差补偿元件中的透镜沿系统光轴方向平移和/或沿系统光轴方向旋转均为实时自动控制调整方式。
10.如权利要求1所述的一种透镜组条形象散光束实时整形与低阶像差补偿系统，其特征在于，所述光束质量探测元件为远场光斑能量探测仪或Shack-Hartmann波前探测仪或剪切波前干涉仪。
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