准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统及整形方法技术方案

本发明专利技术是准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统及整形方法。本发明专利技术建立系统包括SLM(1)，后级基频光放大装置(2)、倍频系统(3)、聚焦透镜(4)、取样镜(5)、CCD(6)和目标靶(7)。对SLM(1)加载具有特征定位孔的定位光阑、边缘软化的初始方光阑、基频光的整形光阑和聚焦光束的整形光阑，最终获得通过新光阑后的输出光场分布满足设定指标。基于SLM(1)的激光整形系统具备主动的光束整形能力，其与测量系统和计算系统一起形成的闭环负反馈式的系统结构具有便捷、易操作、高对比度和高分辨率等特点。

Cascade Fuzzy Matching Shaping System and Shaping Method for Quasi-near-field Focused Beams

【技术实现步骤摘要】
准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统及整形方法
本专利技术涉及光束整形
，是一种准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统及整形方法。
技术介绍
激光与物质相互作用，诸如激光熔覆、激光冲击强化等工业加工领域以及激光辐照下的材料损伤和高能量场物理研究领域，很多情况下都是既需要有足够的激光功率密度，又希望辐照光斑具有一定的面积，所以光束多以透镜汇聚后的锥光形态辐照于物质表面。这个处于锥光中尚未到达焦面的辐照面，其光斑轮廓是否规则，光强分布是否均匀，标志着实际激光辐照场的质量，是激光与物质作用重要的条件参数。然而，当激光束经透镜汇聚后，光场在聚焦后会按照空间角谱重新排布，在未到达焦面之前光场即已携带部分远场特性，光场中的调制会随着传播距离的增大迅速增强，使得光场劣化，表现为光斑的中低频强区的分裂和高频调制的增加。这种情况无论在工业应用和科学研究中都是不希望出现的，激光辐照面任何不受控的强区分布或强度奇点的出现，都会改变激光对材料辐照的实际效果或作用机理。因此，采取有效的技术方法，抑制锥光辐照面强区分裂和奇点问题，改善强度分布，具有重要的实际意义。现有的激光束整形技术，集中为未经聚焦的光束近场整形技术和聚焦焦平面的焦斑远场整形技术两类，本发面所述的准近场光束整形尚未见报道。以常见的“振荡级+放大级”构型的主振荡功率放大(MOPA)激光系统为例，在现有的激光近场的光束质量控制方面，主要利用非均匀膜光学元件、二元光学元件和可编程的液晶空间光调制器(SLMs)控制，以降低通量调制度，减小光斑口径内小尺度的自聚焦效应；在远场控制方面，即在焦斑控制方面，利用变形镜(DMs)和空间滤波器(SFs)来减小波前畸变，以在焦区得到更接近衍射极限的远场参数，获得更好激光束的远场分布。然而，位于聚焦路径上的光束截面光场，其特性介于近场与远场之间，强调制作用破坏了像面间的对应关系，传统的光束空间整形方法无法有效地改善其近场分布。前级光束中由衍射、波前畸变和局部调制带来的各段空间频率成分，会在后级聚焦光束截面上构成复杂的光场分布，并伴随着局部尖峰的出现，加剧光场的对比度和调制度。
技术实现思路
本专利技术为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统及整形方法，本专利技术提供了以下技术方案：一种准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统，所述系统包括SLM1，后级基频光放大装置2、倍频系统3、聚焦透镜4、取样镜5、CCD6和目标靶7；基频光通过SLM1出射端进入后级基频光放大装置2入射端，经由所述后级基频光放大装置2的出射端进入倍频系统3的入射端，通过所述倍频系统的出射端进入聚焦透镜4的入射端，聚焦透镜4的出射端将基频光汇聚在目标靶7的材料表面，所述聚焦透镜4与目标靶7中间设置有取样镜5，所述SLM1、后级基频光放大装置2、倍频系统3、聚焦透镜4、取样镜5和目标靶7构成主光路，所述CCD6位于主光路一侧，CCD6与取样镜5构成取样光路，通过取样镜5对主光路激光进行分束采样，CCD6对目标靶7处的聚焦光场图像进行采集。一种准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形方法，所述方法基于准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统实现的，包括如下步骤：步骤一：对SLM1加载具有特征定位孔的定位光阑，通过分析定位孔的位置，确定CCD6测量光斑与SLM1的空间转换关系；步骤二：对SLM1加载边缘软化的标准方形灰度光阑，获得初始辐射光场分布输出光场和对应的输出基频光场，根据输出光场与基频光场得到补偿光阑；步骤三：对SLM1加载基频光的整形光阑，获得第一整形后的输出光场，对CCD6采集得到的聚焦光场图像进行滤波模糊预处理，得到处理后的光场分布，根据处理后的光场分布结合整形光阑获得修正的传递函数，根据修正的传递函数与目标光场反演运算获得新的整形光阑；步骤四：对SLM1上加载聚焦光束的整形光阑，获得整形后的输出光场，将整形后的输出光场与目标光场相对比，最终获得通过新光阑后输出光场分布满足设定指标。优选地，测量光斑与SLM1的空间转换关系包括所述测量光斑的轴向伸缩和旋转；通过对前后及光斑中特征定位孔圆心位置的变化获得光斑的空间变形信息，通过定位孔间夹角的变化获得光斑旋转，轴向伸缩通过定位孔间距的改变计算。优选地，所述步骤二具体为：第一步：对SLM1上加载边缘软化因子为20％的标准方形灰度光阑S1(x,y)，CCD6获取初始辐射光场分布输出光场IO1(x,y)，同时，对应输出基频光场I1ω(x,y)；第二步：输出基频光场I1ω(x,y)结合边缘软化因子为20％的标准方形灰度光阑S1(x,y)，获得对应的基频光放大的传递函数H1ω(x,y)，通过下式表示H1ω(x,y)：H1ω(x,y)＝I1ω(x,y)/S1(x,y)1其中，I1ω(x,y)为输出基频光场，S1(x,y)边缘软化因子为20％的标准方形灰度光阑，H1ω(x,y)基频光放大的传递函数H1ω(x,y)；第三步：将基频光放大到的传递函数H1ω(x,y)与对应的基频光目标光场进行比照，得到基频光的整形光阑S2(x,y)，通过下式表示S2(x,y)：S2(x,y)＝I1ωf(x,y)/H1ω(x,y)2其中，I1ωf(x,y)为目标基频光场，S2(x,y)为基频光的整形光阑，H1ω(x,y)基频光放大的传递函数。优选地，所述步骤三具体为：第一步：SLM1上加载基频光的整形光阑S2(x,y)，获取第一次整形后的输出光场IO2(x,y)；第二步：对CCD6采集得到的聚焦光场图像IO2(x,y)进行滤波模糊预处理，处理后的光场分布记为IO2*(x,y)；第三步：处理后的光场分布结合整形光阑可以获得修正的系统传递函数H*(x,y)，通过下式表示H*(x,y)：H*(x,y)＝IO2*(x,y)/S2(x,y)3其中，H*(x,y)为修正的系统传递函数，IO2*(x,y)为处理后的光场分布，S2(x,y)为基频光的整形光阑；第三步：将H*(x,y)与目标光场反演运算获得新的整形光阑S3(x,y)，通过下式表示S3(x,y)：S3(x,y)＝IOf(x,y)/H*(x,y)4其中，S3(x,y)为H*(x,y)与目标光场反演运算获得新的整形光阑，IOf(x,y)为目标光场分布，H*(x,y)为修正的系统传递函数。优选地，所述滤波模糊预处理采用高斯滤波模糊。优选地，所述步骤四具体为：SLM1上加载准近场聚焦光束的整形光阑S3(x,y)，获取整形后的输出光场IO3(x,y)，将IO3(x,y)与目标光场IOf(x,y)相比照，若不满足设定指标，则在IO3(x,y)的基础上对光场继续整形，调节滤波窗口，迭代新的整形光阑，直到通过新光阑后的输出光场分布满足设定指标。本专利技术具有以下有益效果：该准近场聚焦光束整形方案是基于修改前级系统中SLM1上写入的灰度图像提出的。在前级激光系统中，激光的通量相对较低，光斑尺寸较小。因此，这意味着对于系统元器件的损伤阈值要求更低，整形元件尺寸更小。考虑到整形器件的工业加工水平和加工成本问题，前级光束整形方案可以有效规避这个问题，节约整形成本。而且基于SLM1的激光整形系统具备主动的光束整形能力，其与测量系统和计算系统一起形成的闭环负反馈式的系统结构具有便捷、易操作、高对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统，其特征是：所述系统包括SLM(1)，后级基频光放大装置(2)、倍频系统(3)、聚焦透镜(4)、取样镜(5)、CCD(6)和目标靶(7)；基频光通过SLM(1)出射端进入后级基频光放大装置(2)入射端，经由所述后级基频光放大装置(2)的出射端进入倍频系统(3)的入射端，通过所述倍频系统的出射端进入聚焦透镜(4)的入射端，聚焦透镜(4)的出射端将基频光汇聚在目标靶(7)的材料表面，所述聚焦透镜(4)与目标靶(7)中间设置有取样镜(5)，所述SLM(1)、后级基频光放大装置(2)、倍频系统(3)、聚焦透镜(4)、取样镜(5)和目标靶(7)构成主光路，所述CCD(6)位于主光路一侧，CCD(6)与取样镜(5)构成取样光路，通过取样镜(5)对主光路激光进行分束采样，CCD(6)对目标靶(7)处的聚焦光场图像进行采集。

【技术特征摘要】
1.一种准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统，其特征是：所述系统包括SLM(1)，后级基频光放大装置(2)、倍频系统(3)、聚焦透镜(4)、取样镜(5)、CCD(6)和目标靶(7)；基频光通过SLM(1)出射端进入后级基频光放大装置(2)入射端，经由所述后级基频光放大装置(2)的出射端进入倍频系统(3)的入射端，通过所述倍频系统的出射端进入聚焦透镜(4)的入射端，聚焦透镜(4)的出射端将基频光汇聚在目标靶(7)的材料表面，所述聚焦透镜(4)与目标靶(7)中间设置有取样镜(5)，所述SLM(1)、后级基频光放大装置(2)、倍频系统(3)、聚焦透镜(4)、取样镜(5)和目标靶(7)构成主光路，所述CCD(6)位于主光路一侧，CCD(6)与取样镜(5)构成取样光路，通过取样镜(5)对主光路激光进行分束采样，CCD(6)对目标靶(7)处的聚焦光场图像进行采集。2.一种准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形方法，所述方法基于权利要求1所述的准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形系统实现的，其特征是：包括如下步骤：步骤一：对SLM(1)加载具有特征定位孔的定位光阑，通过分析定位孔的位置，确定CCD(6)测量光斑与SLM(1)的空间转换关系；步骤二：对SLM(1)加载边缘软化的标准方形灰度光阑，获得初始辐射光场分布输出光场和对应的输出基频光场，根据输出光场与基频光场得到补偿光阑；步骤三：对SLM(1)加载基频光的整形光阑，获得第一整形后的输出光场，对CCD(6)采集得到的聚焦光场图像进行滤波模糊预处理，得到处理后的光场分布，根据处理后的光场分布结合整形光阑获得修正的传递函数，根据修正的传递函数与目标光场反演运算获得新的整形光阑；步骤四：对SLM(1)上加载聚焦光束的整形光阑，获得整形后的输出光场，将整形后的输出光场与目标光场相对比，最终获得通过新光阑后的输出光场分布满足设定指标。3.根据权利要求2所述的一种准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形方法，其特征是：测量光斑与SLM(1)的空间转换关系包括所述测量光斑的轴向伸缩和旋转；通过对前后及光斑中特征定位孔圆心位置的变化获得光斑的空间变形信息，通过定位孔间夹角的变化获得光斑旋转，轴向伸缩通过定位孔间距的改变计算。4.根据权利要求2所述的一种准近场聚焦光束的级联式模糊匹配整形方法，其特征是：所述步骤二具体为：第一步：对SLM(1)上加载边缘软化因子为20％的标准方形灰度光阑S1(x,y)，CCD(6)获取初始辐射光场分布输出光场IO1(x,y)，同时...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇芯，朱成禹，远航，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23