一种基于分离模式控制和优化算法的多变形镜控制方法，其利用变形镜的影响函数和波前畸变模式，建立优化算法模式优化扰动信号和变形镜驱动信号的控制响应方程，合理分配各个变形镜所需校正的波前畸变模式和校正量。在执行优化算法中，以目标光强分布为评价函数，该评价函数与光束质量为同一判据，根据光束质量的评价方法，对各个变形镜实施闭环控制，使得光束质量的判据达到极值，从而实现多变形镜的有效控制。本发明专利技术系统结构简单，可以合理分配各变形镜的校正模式，利用现有的变形镜制造技术有效增加波前校正行程，且具有可扩展性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种多变形镜控制方法，尤其是，适用于激光应用技术等领域中的波前畸变校正。
技术介绍
在激光应用技术等领域中，良好的光束质量是追求的主要目标之一。比如在需要使用大功率的激光器，如激光切割和加工、惯性约束核聚变(ICF)等领域中通常要求激光器拥有较好的光束质量，又如在激光大气通信中需要激光传输克服大气湍流的作用，以上都能通过波前相位校正这一自适应光学的核心技术来实现。在这些领域的发展当中，对变形镜的变形量需求也在增加，例如，在激光光束净化领域，某些大型激光器的波前畸变更是达到15pm以上。而受制于现有的制造技术，变形镜的大行程和高空间分辨率往往不 能同时得到满足。为此，人们研究了双变形镜乃至多变形镜的控制技术，2004年ThomasWeyrauch等提出基于随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法的多变形镜控制技术(见于Thomas Weyrauch, Mikhail A. Vorontsov, Leonid Beresnevand Ling Liu，Atmospheric compensation over a 2. 3km propagation path with amulti-conjugate(piston-MEMS/modal DM)adaptive system,Proc. of SPIE Vol. 5562.P73-82)，2005年胡诗杰等提出的双变形镜自适应光学像差的限定校正算法(见于胡诗杰，许冰，吴健，姜文汉，双变形镜自适应光学系统像差解稱研究，光学学报，pl687-1692),但上述已有方法存在的缺点主要体现在Thomas Weyrauch等提出的方法中并没有考虑两个变形镜在校正波前畸变时会产生的耦合问题，这有可能使得校正后结果变差；限定校正算法虽然能够有效避免两个变形镜校正像差时出现耦合，但需要使用哈特曼-夏克波前传感器测量待校正波前斜率，增加了系统的复杂性，并且要求两个变形镜的驱动器排布方式均需与哈特曼-夏克波前传感器子孔径优化匹配，在某些并不能有效测量波前畸变的应用场合，该方法并不适用。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是克服现有技术的不足之处，提供，该方法能够应用在波前校正领域中无法测量波前畸变的场合，并且避免了制造同时满足大行程量和高空间分辨率的变形镜，计算简单，工程容易实现。本专利技术的技术方案是，其特点在于步骤如下(I)给变形镜的各驱动器施加控制信号，采用波前探测设备测量变形镜各驱动器的影响函数，需分别测量每一块变形镜驱动器的影响函数矩阵；(2)利用步骤(I)中测量的变形镜驱动器的影响函数矩阵和待校正的波前畸变模式，建立优化算法模式优化扰动信号和变形镜驱动信号的控制响应方程；(3)根据先验知识预估待校正波前畸变，选取待校正的波前畸变模式阶数，执行优化算法，将待校正波前畸变合理分配到各变形镜，利用步骤(2)得到的控制响应方程，生成各变形镜驱动器的控制信号；(4)利用(3)生成的控制信号施加于各变形镜，利用探测器获取远场光强信号，以目标光强分布为评价函数计算光束质量评价指标，对系统进行反馈控制，直至评价函数达到最优，也即是光束质量达 到最优，校正过程结束。本专利技术与现有技术相比的优点在于(I)本专利技术利用优化算法控制变形镜校正波前畸变，并利用评价函数作为反馈信号控制多变形镜，摆脱了对波前探测器的依赖，在不能测量波前畸变的应用场合同样适用，系统结构简单。(2)利用静态时波前探测器测量得到的各变形镜驱动器的影响函数矩阵与待校正波前畸变Zernike模式矩阵，建立优化算法模式优化扰动信号和变形镜驱动信号的控制响应方程。利用该控制响应方程实现多变形镜的控制。(3)波前畸变的校正模式和校正量能够在各变形镜间合理分配，多变形镜控制能够避免制作同时满足大行程量和高空间分辨率要求的变形镜。总之，本专利技术能够有效分配校正模式和校正量到各变形镜，利用优化算法控制多变形镜实现波前畸变的控制，无需复杂的波前探测系统测量波前像差。系统简单，工程易于实现，极具实用性。附图说明图I为本专利技术中涉及到的控制方法流程图；图2为本专利技术中所适用的双波前校正器自适应光学系统示意图；图3为本专利技术中适用的39单元变形镜示意图；图4为待校正入射激光原始波前；图5为第一块变形镜上校正的波前畸变；图6为第二块变形镜上校正的波前畸变；图7为入射激光校正后波前；图8为算法评价指标收敛曲线；图9为入射激光校正后远场效果。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。在此实施例中用两块变形镜作为波前校正器，该方法同样适用于多波前校正器的波前校正系统。实施例I :如图2所示，适用于该多变形镜控制方法的系统由激光器1，倾斜镜2，第一块变形镜3，第二块变形镜4，分光镜5，聚集透镜6，探测器7，处理器8和驱动设备9组成，根据实际情况，激光器I后可增加缩扩束整形系统11，如第一块变形镜3和第二块变形镜4相隔较远则中间增加4f传像系统10。其中，激光器I位于缩扩束整形系统11之前，倾斜镜2位于缩扩束整形系统11和第一块变形镜3之间，4f传像系统10位于第一块变形镜3和第二块变形镜4之间,分光镜5位于第二块变形镜4之后,聚焦透镜6位于分光镜5和探测器7之间，探测器7和驱动设备9与处理器8连接，倾斜镜2、第一块变形镜3和第二块变形镜4与驱动设备9连接，本例中所应用的变形镜驱动器排布如图3所示。激光器I出射激光，经过缩扩束整形系统11扩束后入射到倾斜镜2，再由倾斜镜2反射到第一块变形镜3，经过4f传像系统10后入射到第二块变形镜4，主光束经第二块变形镜4反射后通过分光镜5后发射，采样光束经聚焦透镜6聚焦后由探测器7采集并输入到处理器8，光强信号经处理器8处理后输出控制信号到驱动设备9发出驱动信号，实现对倾斜镜2、第一块变形镜3和第二块变形镜4的反馈控制。本专利技术的具体步骤如下( I)将驱动设备连接至变形镜，依次给各变形反射镜的驱动器施加控制信号，利用波前探测设备测量并记录变形反射镜的面型变化，将该面型变化与驱动器控制信号归一化 处理后，便得到该驱动器影响函数，例如第n块变形镜第j个驱动器的影响函数为Vi^x, y)。(2)建立优化算法模式优化扰动信号和变形镜驱动信号的控制响应方程。首先，待校正的波前畸变的数学表达式为O (X，y), ￠(-^,>0 = Sa<A(^V)，其中 m=\6m(x, y)代表第m阶波前畸变的模式，k为待校正波前畸变模式的最高阶数，am代表第m阶波前畸变模式的系数，m代表模式阶数，由表达式乏XO，JO = =，其 ./=1m 二I中Uiy.代表第n块变形镜第j个驱动器的控制信号，N代表第n块变形镜的驱动器个数； Nk其次’将表达式乙^匕仅力二^^刃二乏^义介…简写为^ = ^! 6，其中u代表 M附二 I第n块变形镜控制信号向量(unl，un2，un3...，UnN)，Vn代表第n块变形镜影响函数矩阵，a代表波前畸变模式系数向量( , a2, a3. . .，ak)，6代表波前畸变模式矩阵，有u = a S Vn+, Vn+为第n块变形镜影响函数矩阵的广义逆，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于分离模式控制和优化算法的多变形镜控制方法，其特征在于步骤如下 (1)给变形镜的各驱动器施加控制信号，采用波前探测设备测量变形镜各驱动器的影响函数，需分别测量每一块变形镜驱动器的影响函数矩阵； (2)利用步骤(I)中测量的变形镜驱动器的影响函数矩阵和待校正的波前畸变模式，建立优化算法模式优化扰动信号和变形镜驱动信号的控制响应方程； (3)根据先验知识预估待校正波前畸变，选取待校正的波前畸变模式阶数，执行优化算法，将待校正波前畸变合理分配到各变形镜，利用步骤(2)得到的控制响应方程，生成各变形镜驱动器的控制信号； (4)利用步骤(3)生成的控制信号施加于各变形镜，利用探测器获取远场光强信号，以目标光强分布为评价函数计算光束质量评价指标，对系统进行反馈控制，直至评价函数达到最优，也即是光束质量达到最优，校正过程结束。2.根据权利要求I所述的基于分离模式控制和优化算法的多变形镜控制方法，其特征在于所述步骤(2)中的控制响应方程的建立步骤为 (2. I)待校正的波前畸变的数学表达式为3.根据权利要求I所述的基于分离模式控制和优化算法的多变形镜控制方法，其特征在于 所述步骤(3)中根据先验知识预估待校正波前畸变，选取待校正波前畸变的模式阶数根据待校正的波前畸变对象的远场光斑分布和形态...
【专利技术属性】
技术研发人员：雷翔，王帅，杨平，许冰，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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