一种焦斑控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种焦斑控制方法及其系统。

背景技术

波前畸变严重影响了激光光束质量，为了消除波前畸变，波前控制技术被广泛使用。其中，为了减少光路的复杂性，很多波前控制技术中不使用波前传感器而使用焦斑探测器，通过随机并行梯度下降算法、模拟退火算法、遗传算法等随机算法对远场焦斑直接进行波前闭环控制，达到优化光束质量的效果(一、“自适应光学系统几种随机并行优化控制算法比较”，《强激光与粒子束》,第20卷，11页-16页,2008年；二、“Comparison of severalstochastic parallel optimization algorithms for adaptive optics systemwithout a wavefront sensor”,《Optics&Laser Technology》,Vol.43,pp.630-635,2011.)。现有的基于远场焦斑利用随机算法的波前控制技术虽然对波前畸变的校正效果较好，但是受到焦斑尺寸小且在探测器上分辨率低的影响，导致焦斑控制的精度较低。因此，现有的波前控制技术在焦斑控制精度方面具有很大的改进空间。

因此，现有技术还有待进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种焦斑控制方法及其系统，以解决现有技术存在的问题。

为达到上述技术目的，根据本发明的第一方面，提供了一种焦斑控制方法，包括：

将标准点光源放置在待校正激光光束的焦斑位置，对标准点光源条件下的标准焦斑进行模糊成像，利用焦斑探测器对标准光斑所形成的模糊成像进行测量，根据测量结果计算得到标准焦斑所形成的模糊成像的空间分布规律，基于空间分布规律控制变形镜对待校正激光光束条件下的待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制，实现对待校正激光光束的校正。

具体地，所述模糊成像通过透镜和静态相位板实现。

具体地，所述透镜和静态相位板依次设置且放置于焦斑之后的光路上，对焦斑进行模糊成像。

具体地，所述根据测量结果计算得到标准焦斑的空间分布规律具体为：

根据焦斑探测器的测量结果，计算得到标准焦斑所形成的模糊成像的空间强度分布函数FT(exp[jφ

具体地，所述基于空间分布规律控制变形镜对待校正激光光束条件下的待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制具体为：

利用焦斑探测器对待校正搅拌所形成的模糊成像进行测量，根据测量结果计算得到待校正焦斑所形成的模糊成像的空间分布函数，以待校正焦斑闭环控制的目标函数为目标，对待校正焦斑所形成的模糊图像进行波前闭环控制。

具体地，所述利用焦斑探测器对待校正焦斑所形成的模糊成像进行测量，根据测量结果计算得到待校正焦斑所形成的模糊成像的空间分布函数包括：

计算得到焦斑的模糊成像的空间分布函数

其中，φ

具体地，所述基于空间分布规律控制变形镜对待校正激光光束条件下的待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制还包括：

利用卷积运算的扩散作用，对待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制。

具体地，所述利用焦斑探测器对待校正焦斑所形成的模糊成像进行测量包括：

利用焦斑探测器对待校正焦斑所形成的模糊成像进行测量，根据测量结果计算得到待校正焦斑所形成的模糊图像的空间强度分布函数

具体地，所述控制变形镜以待校正焦斑闭环控制的目标函数为目标，对待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制包括：

使光路像差φ

根据本发明的第二方面，提供了一种焦斑控制系统，包括：

焦斑探测器，用于对标准点光源条件下的标准焦斑的模糊成像进行测量；

控制模块，用于根据测量结果计算得到标准焦斑所形成的模糊成像的空间分布规律，基于空间分布规律控制变形镜对待校正激光光束条件下的待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制，实现对待校正激光光束的校正；

模糊成像模块，用于对标准点光源条件下的标准焦斑进行模糊成像；

变形镜，用于进行波前闭环控制。

本发明的有益效果：

通过放置在焦点之后的透镜和静态相位板对焦斑进行模糊成像，控制模块根据焦斑探测器测量到的焦斑控制变形镜进行波前闭环控制，通过透镜和静态相位板对激光光束焦斑进行模糊成像，提高了焦斑的空间分辨率，依据傅里叶光学理论，焦斑的模糊成像的空间强度分布计算如下：

其中，φ

附图说明

图1是本发明具体实施例中提供的焦斑控制方法的流程图；

图2是本发明具体实施例中提供的焦斑控制方法采用的硬件的结构图；

图3是本发明具体实施例中提供的成像透镜的像差图；

图4是本发明具体实施例中提供的静态相位板的波前分布图；

图5是本发明具体实施例中提供的点光源条件下模糊成像后的焦斑强度分布图；

图6是本发明具体实施例中提供的波前闭环前的激光光束模糊成像后的焦斑强度分布图；

图7是本发明具体实施例中提供的波前闭环后的激光光束模糊成像后的焦斑强度分布图；

图8是本发明具体实施例中提供的闭环前的激光光束波前畸变图；

图9是本发明具体实施例中提供的闭环后的激光光束波前畸变图；

图10是本发明具体实施例中提供的焦斑控制系统的结构图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

请参阅图1-图2，本发明提供一种焦斑控制方法，包括：

S100、将标准点光源放置在待校正激光光束的焦斑位置，对标准点光源条件下的标准焦斑进行模糊成像。

这里需要说明的是，将激光光束1通过分光镜2分为两束，一束由控制模块9利用变形镜3控制，一束经由反射镜4和聚焦透镜5后通过成像透镜6和静态相位板7进行模糊成像，由焦斑探测器8对焦斑的空间强度分布函数进行测量。所述标准点光源有光纤激光器10产生。

优选地，本实施例所采用的各器件参数如下：

激光光束1为激光波长1053nm、光束口径50mm×50mm的激光光束；变形镜3的参数见表1；聚焦透镜5的口径为100mm、焦距为500mm；成像透镜6的口径为75mm、焦距为250mm；静态相位板7的口径为75mm；焦斑探测器8的参数见表2；光纤激光器10的参数为：激光波前1053nm、功率100mW、单模光纤输出。

表1变形镜主要技术参数

表2焦斑探测器主要技术参数

具体地，所述进行模糊成像包括:利用模糊成像模块11对待校正光束焦斑进行模糊成像，所述模糊成像模块包括透镜6和静态相位板7，即利用透镜6和静态相位板7对待校正光束焦斑进行模糊成像。

具体地，所述透镜6和静态相位板7依次设置且放置于焦斑之后的光路上，对焦斑进行模糊成像。

具体地，所述的透镜6和静态相位板7依次设置，所述的透镜6和静态相位板7均放置在待校正激光光束聚焦的焦点之后，对待校正焦斑进行模糊成像。

这里需要说明的是，所述光纤激光器10设置于激光光束的焦斑位置，用于产生标准点光源条件下的目标光斑并利用成像透镜6和静态相位板7对目标光斑进行模糊成像，利用焦斑探测器对目标光斑进行测量，得到标准焦斑的空间空间强度分布函数FT(exp[jφ

S200、利用焦斑探测器对标准光斑所形成的模糊成像进行测量，根据测量结果计算得到标准焦斑所形成的模糊成像的空间分布规律。

具体地，依据傅里叶光学理论，计算得到模糊成像后待校正焦斑的空间强度包括：

其中，φ

具体地，对标准点光源条件下的焦斑进行模糊成像，利用焦斑探测器进行测量，得到标准焦斑的空间强度分布函数FT(exp[jφ

具体地，利用卷积运算的扩散作用，对待校正焦斑进行波前闭环控制。

可以理解的是，通过透镜和静态相位板对光束焦斑进行模糊成像后，焦斑强度的空间分布函数由原来的FT(exp[jφ

S300、基于空间分布规律控制变形镜对待校正激光光束条件下的待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制，实现对待校正激光光束的校正。

具体地，移除点光源，在待校正激光光束通光条件下对待校正焦斑进行模糊成像，利用焦斑探测器对待校正焦斑进行测量，并利用控制模块控制变形镜以所述目标函数作为目标，对待校正焦斑进行波前闭环控制。

这里需要说明的是，利用焦斑探测器对焦斑空间强度分布函数

具体地，所述根据测量结果计算得到标准焦斑的空间分布规律具体为：

根据焦斑探测器的测量结果，计算得到标准焦斑所形成的模糊成像的空间强度分布函数FT(exp[jφ

具体地，所述基于空间分布规律控制变形镜对待校正激光光束条件下的待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制具体为：

利用焦斑探测器对待校正搅拌所形成的模糊成像进行测量，根据测量结果计算得到待校正焦斑所形成的模糊成像的空间分布函数，以待校正焦斑闭环控制的目标函数为目标，对待校正焦斑所形成的模糊图像进行波前闭环控制。

具体地，所述利用焦斑探测器对待校正焦斑所形成的模糊成像进行测量，根据测量结果计算得到待校正焦斑所形成的模糊成像的空间分布函数包括：

计算得到焦斑的模糊成像的空间分布函数

其中，φ

需要说明的是，所述基于空间分布规律控制变形镜对待校正激光光束条件下的待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制还包括：

利用卷积运算的扩散作用，对待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制。

需要说明的是，该技术通过放置在激光光束焦点之后的透镜和静态相位板对光束焦斑进行模糊成像，依据点光源条件下的焦斑光强空间分布作为目标函数，对光束焦斑进行波前闭环控制，该技术相比于传统方法显著提升了焦斑控制精度。

具体地，所述利用焦斑探测器对待校正焦斑所形成的模糊成像进行测量包括：

利用焦斑探测器对待校正焦斑所形成的模糊成像进行测量，根据测量结果计算得到待校正焦斑所形成的模糊图像的空间强度分布函数

需要说明的是，所述控制变形镜以待校正焦斑闭环控制的目标函数为目标，对待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制包括：

使光路像差φ

该方法的焦斑控制过程如下：

一、将点光源放置在激光光束的焦点位置，球面波经过透镜和静态相位板后模糊成像到焦斑探测器上。其中，成像透镜的像差分布如图3所示，其中：PV＝1λ,RMS＝0.29λ；静态相位板的波前分布如图4所示，其中：PV＝2.53λ,RMS＝0.41λ；点光源条件下的模糊成像焦斑如图5所示。

二、把点光源移开，在激光光束通光条件下，以点光源条件下的模糊成像焦斑作为闭环控制目标，控制模块控制变形镜利用随机算法进行焦斑闭环控制。其中，闭环前的光束焦斑如图6所示，闭环后的光束焦斑如图7所示。

三、为了验证该方法的焦斑控制效果，对焦斑闭环控制前后的激光光束波前畸变进行了测量。其中，闭环前的激光光束波前畸变如图8所示，其中：PV＝3.51λ,RMS＝0.69；闭环后的激光光束波前畸变如图9所示，其中：PV＝0.42λ,RMS＝0.02λ因此该方法可以实现波前畸变的高精度校正。

本发明通过放置在激光光束焦点之后的透镜和静态相位板对光束焦斑进行模糊成像，依据点光源条件下的焦斑光强空间分布作为目标函数，利用随机算法对光束焦斑进行波前闭环控制，该技术相比于传统方法显著提升了焦斑控制精度。

请参阅图10，本发明提出了一种具体实施例，提供了焦斑控制系统，包括：

焦斑探测器8，用于对标准点光源条件下的标准焦斑的模糊成像进行测量；

控制模块9，用于根据测量结果计算得到标准焦斑的空间分布规律，基于空间分布规律控制变形镜对待校正激光光束条件下的待校正焦斑所形成的模糊成像进行波前闭环控制，实现对待校正激光光束的校正；

模糊成像模块11，用于对标准点光源条件下的标准焦斑进行模糊成像；

变形镜3，用于进行波前闭环控制。

以上描述的各技术特征可以任意地组合。尽管未对这些技术特征的所有可能组合进行描述，但这些技术特征的任何组合都应当被认为由本说明书涵盖，只要这样的组合不存在矛盾。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。