一种基于模拟退火法的软边光阑整形相位优化方法技术

本发明专利技术提供了一种基于模拟退火法的软边光阑整形相位优化方法，包括以下步骤：根据公式，确定软边光阑复振幅透射率分布；通过误差扩散法，确定软边光阑振幅值分布；通过双相位编码方法将振幅型软边光阑转化为相位型软边光阑；将通过双相位编码方法得到的相位分布作为模拟退火法的初始解，根据评价函数，以相传递面和光束传播一定距离的离焦面为优化目标，不断迭代得到所枚举权重因子下的最优解；更改权重因子，重复上一步骤，得到不同权重因子下的最优解；比较不同权重因子下的最优解，输出评价函数最小时对应权重因子下的最优解，得到软边光阑的最优相位值分布。本发明专利技术提供的方法可有效降低光束在传播过程中的衍射调制，提高光束分布的均匀性。光束分布的均匀性。光束分布的均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模拟退火法的软边光阑整形相位优化方法


[0001]本专利技术创造涉及光学元器件领域，具体涉及一种光阑，特别涉及一种基于模拟退火法的软边光阑整形相位优化方法。

技术介绍

[0002]为了实现惯性约束聚变（ICF），需要将高功率激光器中前端输出的激光光束不停地传输、放大以达到能量要求。当光束在空间强度分布上存在扰动时，受到非线性的影响，会在介质中形成一个相位光栅，导致微扰光束能量大幅度增加，从而发生小尺度自聚焦现象，会引起光学材料的破坏，这种现象已经成为目前高功率激光系统正常稳定运行的主要限制条件之一。为了尽可能降低小尺度自聚焦发生可能性，要求光束在传输过程中的光束强度的扰动尽可能的小，就需要尽可能去抑制保证光束在传输过程中由于菲涅尔衍射所带来的强度不均匀的现象，现有技术采用软边光阑截趾可有效获取超高斯光束，但振幅型软边光阑阈值损伤较低难以突破、整形精度不高。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种关于软边光阑的设计优化方法，通过误差扩散法和模拟退火法的结合对软边光阑进行多目标面整形精度优化，以试图解决软边光阑整形精度低的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于模拟退火法的软边光阑整形相位优化方法，包括以下步骤：S1、根据以下公式，确定软边光阑复振幅透射率分布：式中，t(x,y)表示复振幅透射率分布，w0表示超高斯软边光阑的束腰半径，n表示超高斯阶数；S2、通过误差扩散法，确定软边光阑振幅值分布；S3、通过双相位编码方法将振幅型软边光阑转化为相位型软边光阑；S4、将通过双相位编码方法得到的相位分布作为模拟退火法的初始解，根据评价函数，以相传递面和光束传播一定距离的离焦面为优化目标，不断迭代得到所枚举权重因子下的最优解；S5、更改权重因子，重复步骤S4，得到不同权重因子下的最优解；S6、比较不同权重因子下的最优解，输出评价函数值最小时对应权重因子下的最优解，得到软边光阑的最优相位值分布。
[0005]进一步的，所述步骤S1中的超高斯阶数n选取10~30之间的任意一整数。
[0006]进一步的，所述步骤S4中的评价函数形式为：式中，ω1、ω2为权重因子，且满足ω1+ω2=1；ε
rms
(i1)为相传递面均方根函数；ε
rms
(i2)为离焦面均方根函数。
[0007]进一步的，所述均方根函数形式为：式中，I
i
(x,y)表示第i个菲涅尔数位置处光强分布，I(x,y)表示理想光强分布。
[0008]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的软边光阑整形方法，以对衍射调制进行抑制为前提，结合模拟退火法、误差扩散法及双相位编码设计，有效的提高了软边光阑的整形精度，从而产生较为均为的光强分布。
附图说明
[0009]图1为本专利技术申请的方法流程示意图；图2为本专利技术申请所述误差扩散法的流程示意图；图3为通过双相位编码方法进行相位优化后的相位分布；图4为本专利技术申请实施例中通过误差扩散法的处理结果；图5为本专利技术申请实施例中权重因子分别为ω1=0.5，ω2=0.5时的优化结果。
具体实施方式
[0010]本申请的实施例将会被详细的描述在下文中。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。
[0011]本专利技术申请提供了一种基于模拟退火法的软边光阑相位优化方法，如图1流程图所示，包括以下步骤：S1、根据以下公式，确定软边光阑复振幅透射率分布：式中，t(x,y)表示复振幅透射率分布，w0表示超高斯软边光阑的束腰半径，n表示超高斯阶数；所述超高斯阶数n选取10~30之间的任意一整数，选择此范围的超高斯阶数有利于提高光场的均匀性，同时保证较小的光束强度扰动。
[0012]S2、通过误差扩散法，确定软边光阑振幅值分布；更为具体的，如图2所示，软边光阑复振幅透射率t(x,y)表示输入的灰度图像像素值，与阈值0.5比较，按照从上到下从左往右的处理顺序量化输出实际数据s(x,y)，量化过程产生的误差e(x,y)按不同的比例扩散至相邻的未被处理的像素，设c(a,b)为扩散系数，将叠加了误差的像素点再次与阈值比较，重复上述过程，完成软边光阑的复振幅透射率分布的优化，最终软边光阑的振幅值为0或1。为了保证半色调图像的灰度总值与原图灰度总值一样，需要满足，，，，。
[0013]S3、通过双相位编码方法将振幅型软边光阑转化为相位型软边光阑；根据双相位编码原理，任何复振幅透射率t(x,y) 可以分解为具有固定振幅0.5和不同相位、的两个向量的和（这里的透射强度保持不变而相位是发生变化的），转化之后复振幅透射率函数为：其中d为密度函数，且，由此可得到软边光阑的相位分
布如图3所示。
[0014]S4、将通过双相位编码方法得到的相位分布作为模拟退火法的初始解，根据评价函数，以相传递面和光束传播一定距离的离焦面为优化目标，不断迭代得到所枚举权重因子下的最优解；其中，所述步骤S4中的评价函数形式为：式中，ω1、ω2为权重因子，且满足ω1+ω2=1；ε
rms
(i1)为相传递面均方根函数；ε
rms
(i2)为离焦面均方根函数。
[0015]其中，所述均方根函数形式为：式中，I
i
(x,y)表示第i个菲涅尔数位置处光强分布，I(x,y)表示理想光强分布。
[0016]具体的，基于模拟退火法获得所枚举权重因子下最优解的过程如下：以通过双相位编码方法得到的相位分布作(0,π)为初始解，以评价函数作为目标函数，计算初始解的目标函数值，随机扰动产生新解，并计算新解的目标函数值，对比新解的目标函数值与历史目标函数值，若新解目标函数值小，则接受新解作为当前解；否则按照Metropolis准则接受新解，不断迭代重复扰动和接受的过程，输出最优解。
[0017]S5、更改权重因子，重复步骤S4，得到不同权重因子下的最优解；S6、比较不同权重因子下的最优解，输出评价函数值最小时对应权重因子下的最优解，得到软边光阑的最优相位值分布。
[0018]实施例1选取口径为10mm、软边因子为0.1的软边光阑，选取超高斯阶数n=10，束腰半径w0=4.9mm，则软边光阑的复振幅透射率分布为：采用误差扩散法，对软边光阑的复振幅投射率分布进行处理优化，处理结果如图4所示，可明显看出软边光阑的复振幅透射率只有0和1两种分布，其振幅值为0或1。通过双相位编码方法将振幅型软边光阑转化为相位型软边光阑，相位转化后的相位分布为0或π。对相传递面和光束传递1m的离焦面同时进行相位优化，此时均方根函数中的i取值分别为1、2，则ε
rms
(1)、ε
rms
(2)分别表示像传递面处和离焦1m面的均方根误差，根据均根方公式计算得到ε
rms
(1)=1.47%，ε
rms
(2)=3.57%，此时总体评价函数为：优化过程中希望两个面都能同时获得接近理想的光强分布，且两个面之间误差相差倍数不多，因此枚举权重因子ω本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模拟退火法的软边光阑整形相位优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据以下公式，确定软边光阑复振幅透射率分布：式中，t(x,y)表示复振幅透射率分布，w0表示超高斯软边光阑的束腰半径，n表示超高斯阶数；S2、通过误差扩散法，确定软边光阑振幅值分布；S3、通过双相位编码方法将振幅型软边光阑转化为相位型软边光阑；S4、将通过双相位编码方法得到的相位分布作为模拟退火法的初始解，根据评价函数，以相传递面和光束传播一定距离的离焦面为优化目标，不断迭代得到所枚举权重因子下的最优解；S5、更改权重因子，重复步骤S4，得到不同权重因子下的最优解；S6、比较不同权重因子下的最优解，输出评价函数值最小时对应权重因子...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚明亮，
申请(专利权)人：南通智能感知研究院，
类型：发明
国别省市：