專(zhuān)利名稱：一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光束質(zhì)量控制領(lǐng)域，具體涉及為采用環(huán)形加熱器對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行加熱而改變激光傳輸特性的裝置。
背景技術(shù)：
激光經(jīng)過(guò)多半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。在激光各種系統(tǒng)中，人們普遍比較關(guān)心它的光束質(zhì)量，或者是它的傳輸特性。對(duì)于激光傳輸系統(tǒng)而言，激光源光束質(zhì)量會(huì)隨著激光功率的增大而變差，同時(shí)激光束在經(jīng)過(guò)光學(xué)元件傳輸中，不可避免的由于熱吸收而產(chǎn)生熱畸變，此種熱畸變會(huì)使傳輸?shù)募す夤馐|(zhì)量變差，造成整體激光系統(tǒng)的性能下降。此外，由于光學(xué)設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)的激光傳輸系統(tǒng)同樣會(huì)使激光束的波前產(chǎn)生畸變，也是激光光束質(zhì)量變差的重要因素。因此，針對(duì)光束質(zhì)量變差的激光束修正系統(tǒng)就變得尤為重要。光束質(zhì)量變差實(shí)質(zhì)上是激光光束波前發(fā)生畸變，偏離了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)，在激光束波前引入了像差而使光束質(zhì)量變差。以往對(duì)于激光系統(tǒng)中畸變的光束采用光束凈化系統(tǒng)進(jìn)行光束波前質(zhì)量的校正，光束凈化系統(tǒng)通常采用變形鏡的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。自適應(yīng)光學(xué)的校正效果主要體現(xiàn)在系統(tǒng)校正后殘余像差的大小，主要取決于波前傳感器采集和處理波前信息的精度、變形鏡的控制算法及變形鏡的校正單元數(shù)。通常情況下，變形鏡的單元數(shù)越高，其校正波前畸變和像差的能力越強(qiáng)，但同時(shí)也帶來(lái)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)時(shí)性變差，控制上不易實(shí)現(xiàn)等諸多困難，同時(shí)對(duì)于強(qiáng)激光系統(tǒng)，還要考慮變形鏡的激光損傷閾值問(wèn)題。因此在很大程度上限制了自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用于激光系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有強(qiáng)激光系統(tǒng)中的光束畸變修正問(wèn)題，提供一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置。一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置，該裝置包括環(huán)形加熱器、光學(xué)元件、真空箱、分束器、透鏡、溫控設(shè)備、CCD相機(jī)和四象限探測(cè)器；所述帶有激光窗口的真空箱內(nèi)設(shè)置帶有環(huán)形加熱器的光學(xué)元件，激光光束經(jīng)環(huán)形加熱器的光學(xué)元件后被分束器分為兩路光束，一路光束被四象限探測(cè)器接收，另一路光束經(jīng)透鏡聚焦后在CCD相機(jī)上成像，計(jì)算機(jī)對(duì)CCD相機(jī)的成像信息解算后傳入溫控設(shè)備，所述溫控設(shè)備根據(jù)接收的信息對(duì)環(huán)形加熱器進(jìn)行溫度控制。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明利用環(huán)形加熱器對(duì)透鏡等光學(xué)元件進(jìn)行邊緣加熱，對(duì)通過(guò)的光束傳輸特性進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，利用環(huán)形加熱器的光熱效應(yīng)實(shí)時(shí)的改變光學(xué)元件的面形和折射率，具有快速消除波前畸變及修正光束方向的使用效果。具體的指標(biāo)為激光波前畸變的修正程度可達(dá)80%，溫控范圍為_(kāi)130°C 90°C?？刂频男Ч梢酝ㄟ^(guò)四象限探測(cè)器和CCD相機(jī)進(jìn)行監(jiān)視反饋，從而實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)改變激光束傳輸特性的目的。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明利用光熱效應(yīng)快速改變激光束的傳輸特性，可以通過(guò)探測(cè)器監(jiān)視光斑中心的位置和波前畸變，利用光熱效應(yīng)改變光學(xué)元件的面形和折射率，使其滿足一定的梯度分布，這樣就可以引入和畸變光束相反的波前畸變，達(dá)到抵消光束波前畸變的目的。由此方法沒(méi)有可動(dòng)的機(jī)械單元，不需要復(fù)雜的算法，相比于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在一些應(yīng)用場(chǎng)合將更加實(shí)用和可靠。本發(fā)明可用于多種波長(zhǎng)激光器波前畸變的修正，具有響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍大、可靠性高、適應(yīng)范圍廣、光譜響應(yīng)范圍寬和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所述的一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置的原理示意圖；圖2為本發(fā)明所述的一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置中帶有環(huán)形加熱器的單一光學(xué)元件的示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1和圖2說(shuō)明本實(shí)施方式,一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置，激光光束I發(fā)射帶有波前激光的激光束進(jìn)入帶有激光窗口的真空箱2，真空箱2的目的是防止環(huán)形加熱器對(duì)附近空氣加熱產(chǎn)生對(duì)流，對(duì)流會(huì)引起局部的湍流，而引入額外的光束波前畸變。然后光束通過(guò)環(huán)形加熱器的透射光學(xué)元件3，經(jīng)過(guò)修正的激光束通過(guò)分束器4分成兩束，其中一路被四象限探測(cè)器5監(jiān)視光束方向，另一束經(jīng)過(guò)透鏡6聚焦到CXD相機(jī)7上，CXD相機(jī)7可以前后移動(dòng)，在離焦面和焦面上得到多幅光斑圖像可以復(fù)原光束的波前信息，此波前信息可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8對(duì)波前信息解算，然后通過(guò)精密的溫控設(shè)備9來(lái)精確控制環(huán)形加熱器的溫度變化。這樣就實(shí)現(xiàn)了利用光熱效應(yīng)的自適應(yīng)控制光束傳輸特性的目的。本實(shí)施方式還包括測(cè)溫元件，測(cè)溫元件與環(huán)形加熱器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件3的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量。本實(shí)施方式所述的四象限探測(cè)器5根據(jù)接收的光束，判斷光學(xué)元件的光斑位置變化，CCD相機(jī)根據(jù)接收的激光光斑圖像信息，判斷激光束的傳輸特性(即光斑模式、分布、光束質(zhì)量等信息)，計(jì)算機(jī)采用自適應(yīng)算法SP⑶(stochastic parallel gradient descentcontol algorithm,隨機(jī)并行梯度下降算法)對(duì)接收的光斑重心位置信息及激光束的傳輸特性信息進(jìn)行解算，將解算結(jié)果傳入溫控設(shè)備，溫控設(shè)備自適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形加熱器的加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件的不同方向進(jìn)行精確溫度控制。結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施，所述光學(xué)元件可由四片獨(dú)立加熱片進(jìn)行加熱，溫控設(shè)備可以對(duì)四片獨(dú)立的加熱片單獨(dú)調(diào)整供電功率，以調(diào)整各自的溫度，所述加熱片之間的間隔對(duì)光學(xué)兀件的圓心的夾角為5°。這樣的環(huán)形加熱器不僅可以修正對(duì)稱性質(zhì)的波前畸變,也可以在一定程度上修正圓柱形非對(duì)稱的波前畸變?？刂萍す馄靼l(fā)出一束帶有熱畸變的激光束，計(jì)算機(jī)8采用自適應(yīng)算法產(chǎn)生的電壓信號(hào)控制溫控設(shè)備9，溫控設(shè)備9控制加熱片對(duì)光學(xué)元件3進(jìn)行實(shí)時(shí)加熱，激光束通過(guò)光學(xué)元件3進(jìn)入分束器4，分束器4產(chǎn)生的兩束激光束，一路進(jìn)入CXD相機(jī)7或波前質(zhì)量分析儀，另一路進(jìn)入四象限探測(cè)器5，經(jīng)四象限探測(cè)器5、CCD相機(jī)7或波前質(zhì)量分析儀得到的測(cè)量信號(hào)傳遞回給計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8利用這些反饋信號(hào)控制帶有熱畸變的激光束及溫控設(shè)備以得到消除波前熱畸變后的激光束。
權(quán)利要求
1.一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置，該裝置包括環(huán)形加熱器、光學(xué)元件(3)、真空箱(2)、分束器(4)、透鏡(6)、溫控設(shè)備(9)、C⑶相機(jī)(7)和四象限探測(cè)器(5);帶有激光窗口的真空箱(2)內(nèi)設(shè)置光學(xué)元件(3)，所述環(huán)形加熱器設(shè)置在光學(xué)元件的圓周上，激光光束(I)經(jīng)光學(xué)元件(3)后被分束器分為兩路光束，一路光束被四象限探測(cè)器(5)接收，另一路光束經(jīng)透鏡(6 )聚焦后在C⑶相機(jī)(7 )上成像，計(jì)算機(jī)(8 )對(duì)接收的CXD相機(jī)(7 )的成像信息和四象限探測(cè)器(5)的光束信息解算后傳入溫控設(shè)備(9)，所述溫控設(shè)備(9)根據(jù)接收的信息對(duì)環(huán)形加熱器進(jìn)行溫度控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置，其特征在于，所述環(huán)形加熱器由多個(gè)加熱片(10)組成，所述多個(gè)加熱片(10)均勻分布在光學(xué)元件(3)的邊緣位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置，其特征在于，所述溫控設(shè)備(9)對(duì)多個(gè)加熱片(10)進(jìn)行單獨(dú)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置，其特征在于，還包括測(cè)溫元件，所述測(cè) 溫元件與環(huán)形加熱器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件(3)的溫度測(cè)量。
全文摘要
一種利用光熱效應(yīng)改變激光傳輸特性的裝置，涉及激光光束質(zhì)量控制領(lǐng)域，解決現(xiàn)有強(qiáng)激光系統(tǒng)中的光束畸變修正問(wèn)題，該裝置包括環(huán)形加熱器、光學(xué)元件、真空箱、分束器、透鏡、溫控設(shè)備、CCD相機(jī)和四象限探測(cè)器；所述帶有激光窗口的真空箱內(nèi)設(shè)置帶有環(huán)形加熱器的光學(xué)元件，激光光束經(jīng)環(huán)形加熱器的光學(xué)元件后被分束器分為兩路光束，一路光束被四象限探測(cè)器接收，另一路光束經(jīng)透鏡聚焦后在CCD相機(jī)上成像，計(jì)算機(jī)對(duì)CCD相機(jī)的成像信息解算后傳入溫控設(shè)備，所述溫控設(shè)備根據(jù)接收的信息對(duì)環(huán)形加熱器進(jìn)行溫度控制。本發(fā)明可用于多種波長(zhǎng)激光器波前畸變的修正。
文檔編號(hào)G02B26/06GK103076674SQ20131001167
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者郭汝海, 郭勁 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所