阅读说明：本技术 基于一体化校正器的阵列光束波前校正系统和方法 (array beam wavefront correction system and method based on integrated corrector ) 是由 宁禹 张明 范占斌 何宇龙 张阳 孙全 刘文广 许晓军 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于一体化校正器的阵列光束波前校正系统,包括一体化变形镜、一体化传感器、第一分光镜、第二分光镜、缩束望远镜、计算机和高压放大器,一体化变形镜各凹槽的空间排布与阵列光束各子光束的空间排布一一对应,阵列光束经一体化变形镜反射至一体化传感器,一体化传感器将阵列光束波前畸变信息反馈给计算机,计算机根据波前畸变信息控制高压放大器各通道电压,输出给一体化变形镜各凹槽内的驱动器,实现阵列波束各子光束波前的独立校正。该系统将传统阵列光束自适应光学系统中对应各子光束的多套独立波前校正装置进行一体化集成,结构简单,易于装配控制,大大提高了系统工作效率,本发明可广泛应用于非相干或相干阵列光束领域。(The invention discloses an array beam wavefront correction system based on an integrated corrector, which comprises an integrated deformable mirror, an integrated sensor, a first spectroscope, a second spectroscope, a beam-shrinking telescope, a computer and a high-voltage amplifier, wherein the spatial arrangement of each groove of the integrated deformable mirror corresponds to the spatial arrangement of each sub-beam of an array beam one by one, the array beam is reflected to the integrated sensor through the integrated deformable mirror, the integrated sensor feeds back the wavefront distortion information of the array beam to the computer, and the computer controls the voltage of each channel of the high-voltage amplifier according to the wavefront distortion information and outputs the voltage to a driver in each groove of the integrated deformable mirror, so that the independent correction of the wavefront of each sub-beam of the array beam is realized. The system integrates a plurality of sets of independent wavefront correction devices corresponding to all sub-beams in the traditional array beam self-adaptive optical system, has a simple structure, is easy to assemble and control, greatly improves the working efficiency of the system, and can be widely applied to the field of incoherent or coherent array beams.)

基于一体化校正器的阵列光束波前校正系统和方法

技术领域

本发明涉及自适应光学领域，尤其是一种结构紧凑的用于阵列光束的自适应光学系统。

背景技术

将多路较低功率的激光合成为一束输出，是提升激光发射系统远场能量集中度的有效途径。而实际的光束合成过程，会不可避免地引入像差，影响光束质量。以光纤激光器匹配准直器输出为例，当在轴向方向装配存在误差时，光束焦点会产生轴向偏移，出现离焦像差，焦点位置不能准确定位于目标处；当在垂轴方向装配存在误差时，将产生像散、彗差等像差，使光束的远场光斑弥散，其能量集中度受到影响。因此，对阵列光束的像差校正是合成阵列光束系统提高光束质量的关键。

自适应光学系统利用波前校正器和传感器配合实现光束像差校正，是提高光束质量有效途径。对于阵列光束的波前校正，有两点基本要求。第一，阵列光束是多单子光束的阵列集合，相对于单光束而言，其光束口径比较大，对应的波前校正器和传感器也需要做成大口径。通常的波前校正器，比如微机电变形镜、空间光调制器、双压电片变形镜等，其口径大小受到制作工艺限制，不能满足大口径的需要。第二，多光束中各子光束是相互独立的，为了快速实现正确的波前校正，各子光束需要被独立校正。而传统的波前校正器，其电极和基底都分布均匀，连续镜面各区域的形变存在交连，难以实现各区域的独立形变。所以，这种情况下，针对阵列光束的波前校正，通常的做法是为各子光束配置独立的自适应光学装置。如此，传统的阵列光束波前校正系统变得非常庞大复杂，每一束子光束都独立配置一套波前校正器和波前传感器，光路复杂，系统的调整、组装和维修非常耗时，控制程序也相当繁琐。

发明内容

为了解决现有阵列光束波前调控系统的庞大、复杂、组装难、控制难的问题，本发明提供一种基于一体化校正器的阵列光束波前校正系统，该系统结构简单紧凑，装配难度低，易于控制，从而解决该问题。

本发明实施例所采用的技术方案是：

一种基于一体化校正器的阵列光束波前校正系统，包括一体化变形镜、一体化传感器、第一分光镜、第二分光镜、缩束望远镜及控制单元；

所述第一分光镜，用于将阵列光束反射至所述一体化变形镜，使所述阵列光束正入射至所述一体化变形镜；

所述一体化变形镜包括基底、所述基底上的反射层、所述基底背面的凹槽、所述凹槽内的驱动器及电连接组件，所述一体化变形镜用于对入射在所述反射层的阵列光束各子光束独立进行波前校正；

所述第二分光镜，用于将校正后的所述阵列光束分成至少两束，包括第一光束和第二光束，所述第一光束经所述缩束望远镜缩束，入射至所述一体化传感器；

所述一体化传感器，用于探测校正后的阵列光束的各子光束的光斑形态，获取各子光束的波前畸变信息；

所述控制单元与所述一体化传感器，所述控制单元与所述一体化变形镜均为电性连接，所述控制单元用于接收所述一体化传感器探测到的波前畸变信息，并用于控制所述一体化变形镜凹槽内的所述驱动器的电压。

进一步地，该系统还包括质量评估单元，所述质量评估单元设置于所述第二光束的光路上，用于获取校正后的非相干阵列光束的到靶光斑图像。

更进一步地，所述质量评估单元包括透镜和CCD相机，所述第二光束经透镜会聚至CCD相机靶面上。

更进一步地，所述控制单元与所述CCD相机为电性连接，所述控制单元还用于接收所述质量评估单元获取的到靶光斑图像并根据所述到靶光斑图像进行光斑质量评估。

优选地，所述控制单元包括高压放大器和计算机，所述高压放大器的通道数量不小于所述一体化变形镜的凹槽数量，所述一体化变形镜各凹槽内的驱动器通过所述电连接组件与所述高压放大器各通道分别电性连接。

优选地，所述一体化变形镜各凹槽内的驱动器包括双压电片驱动器、微机电驱动器、空间光调制驱动器。

优选地，所述一体化变形镜各蜂窝镜体的空间位置与所述非相干阵列光束各子光束的空间位置一一对应。

本发明还提供了一种基于一体化变形镜的非相干阵列光束的自适应波前调控方法，该方法应用于上述自适应波前调控系统，包括以下步骤：

S1:调节第一分束镜，使阵列光束正入射至一体化变形镜；

S2:转动一体化变形镜，使阵列光束各子光束与一体化变形镜各蜂窝一一对应；

S3:调节第二分束镜，将校正后的阵列光束进行分束，使第一光束经透镜会聚至CCD相机，第二光束入射至缩束望远镜；

S4:调节缩束望远镜，将校正后的阵列光束的第二光束缩束至一体化传感器；

S5:调用计算机程序，接收所述CCD相机的到靶光斑图像，并根据所述到靶光斑图像对阵列光束的光斑质量进行评估；

S6:如果所述光斑质量不达标，执行步骤S8，如果所述光斑质量达标，执行步骤S7；

S7:保持高压放大器各通道电压不变，执行步骤S5；

S8:调用计算机程序，接收一体化传感器的波前畸变信息；

S9:判断波前畸变信息是否满足校正要求，若满足，使用波前复原算法，将所述波前畸变信息转化为电压信息输出给高压放大器各通道，执行步骤S8，若不满足，执行步骤S7。

本发明的有益效果是：

本发明利用一体化变形镜其镜面形变的分区隔离特性，克服传统的阵列光束波前调控系统的庞杂性问题，解决了阵列光束各子光束波前的独立调控与系统简化的矛盾，提供了一种结构简单、易于实施、能独立控制各子光束波前的阵列光束自适应调控系统。

附图说明

图1是本发明中一种基于一体化变形镜的阵列光束自适应波前调控系统示意图；

图2是本发明中一种阵列光束空间排布示意图；

图3是本发明中一种一体化变形镜的后视结构示意图；

图4是本发明中一种一体化变形镜的立体结构示意图；

图5是本发明中一种基于一体化变形镜的阵列光束自适应波前调控方法的流程示意图

附图标记说明：

1.一体化变形镜；2.一体化传感器；3.质量评估单元；4.控制单元；41.计算机；42.高压放大器；6.第一分束镜；7.第二分束镜；8.缩束望远镜；9.第一光束；10.第二光束；11.中心凹槽；12.中心子光束；13.一体化变形镜中心轴；22.驱动器；31.透镜；32.CCD相机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，在本实施例中，基于一体化校正器的阵列光束波前校正系统，包括一体化变形镜1、一体化传感器2、质量评估单元3、控制单元4、第一分光镜6、第二分光镜7、缩束望远镜8，其中控制单元4包括计算机4和高压放大器5，质量评估单元3包括透镜31、和CCD相机32，阵列光束经第一分光镜6反射，第二分光镜7透射至一体化变形镜1，其入射方向为正入射，一体化变形镜1由高压放大器5各通道电压控制发生形变，对入射其上的阵列光束各子光束独立地进行波前相位校正，将校正后的阵列光束反射至第二分光镜7。第二分光镜7将校正后的阵列光束分成两束光，包括反射的第一光束9和透射的第二光束10，其中第一光束9经过透镜31聚焦，会聚至CCD相机32的靶面成像，CCD相机32将获取的到靶光斑图像发送给计算机4。其中第二光束10经第一分光镜6透射，再经缩束望远镜8缩束，入射至一体化传感器2。一体化传感器2通过探测阵列光束的各子光束的光斑形态，计算其光轴偏移量，获取各子光束的波前畸变信息，并发送给计算机4。计算机4根据CCD相机32发送的到靶光斑图像进行光束质量评估，根据光束质量判断是否启动波前校正程序，若启动，则使用复原算法将接收到来自一体化传感器2的波前畸变信息转化为电压信息输出给高压放大器5，所述高压放大器5各通道与所述一体化变形镜1各凹槽内的驱动器22分别电连接，用于向各驱动器22的提供驱动电压，以使各驱动器22在不同的电压环境下发生不同的形变量，并牵扯各驱动器22所在位置的基底反射层发生形变，以校正阵列光束中相对应的各子光束的波前像差；若不启动，则保持高压放大器5各通道电压不变。该系统采用一体化的设计方法，将一体化变形镜1用于阵列光束的波前校正，将一体化传感器2用于阵列光束的波前信息探测，相比于传统阵列光束自适应光学系统，本发明实施例提供的波前校正系统，在结构上得到极大的简化，将原来用于各子光束波前校正的多套独立波前校正设备进行集成，用一体化变形镜和一体化传感器替代多个变形镜和多个传感器，不仅大大节省了系统占用的空间，且降低了系统调试和装配难度，使系统易于控制和维护，提高系统工作效率。在本实施例中，系统使用CCD相机32对到靶光斑图像进行光束质量评估，一方面监控波束质量，另一方面避免自适应光学装置一直处于工作状态，提高系统效率。

本发明实施例提供了一种阵列光束的空间排布，如图2所示，该阵列光束由七束子光束合成，子光束12位于中心，其余六束子光束均匀排布在中心子光束12的周围。在另一些实施例中，子光束的数量和排布方式可以根据需要进行设计。本发明实施例中，阵列光束的合成选用光纤激光器作为光源，各光纤激光器用于输出高功率激光子光束，这些子光束经过准直系统准直，使光轴方向相互平行，再经合束装置进行空间组束输出给本发明实施例的波前校正系统的第一分束镜6。

基于阵列光束的子光束的空间排布，本实施例具体选用的一体化变形镜，其结构示意图如图3和图4所示。本实施例中的一体化变形镜1具体结构同发明申请专利CN109725415A。如图3所示的一体化变形镜1后视结构示意图，一体化变形镜1包括基底，基底一般选用具有一定厚度的陶瓷材料，基底具有上下或前后两面，其中一面敷涂反射层，作为变形镜镜面，另一面设置至少一个凹槽，本实施例中，对应七束所述凹槽内的驱动器及电连接组件，所述一体化变形镜用于对入射在所述反射层的阵列光束各子光束独立进行波前校正；

由基底材料上开设七个槽，采用大小相同的正六边形状，其中一个槽置于基底中心位置处，其余六个槽紧密均匀排布在其周围。各槽底设置一圆形凸台，用于连接各压电驱动器。各槽口尺寸设置为大于阵列光束各子光束的大小，各六边形槽的空间分布与阵列光束的子光束的空间分布一致，即当阵列光束的子光束12正入射至一体化变形镜中心蜂窝槽11对应的镜面区域时，只需将一体化变形镜绕其中心轴线13转动适当角度，就能使各子光束与各蜂窝镜体一一对应。

本发明实施例所述一体化变形镜的为蜂窝槽具体结构并不限定，还可为圆形、方形等，蜂窝槽的数量也不作限定，可根据合成光束阵列的空间排布及数量进行随机调整。另外，本发明实施例的自适应波前调控系统对阵列光束的空间排布及相干性没有限定，不限于上述一些实施例中的非相干阵列光束的空间排布，也不限于上述实施例中的子光束数量。本发明实施例中一体化变形镜的每个蜂窝槽驱动器，不限于上述实施例中的双压电片结构，还可为微机电、集成式等多种方式。

本发明还是一种基于一体化校正器的阵列光束波前校正方法，参见图5，具体是在上述基于一体化校正器的阵列光束波前校正系统中运行，步骤如下：

S1:调节第一分束镜，使阵列光束正入射至一体化变形镜；

S2:转动一体化变形镜，使阵列光束各子光束与一体化变形镜各蜂窝一一对应；

S3:调节第二分束镜，将校正后的阵列光束进行分束，使第一光束经透镜会聚至CCD相机，第二光束入射至缩束望远镜；

S4:调节缩束望远镜，将校正后的阵列光束的第二光束缩束至一体化传感器；

S5:调用计算机程序，接收所述CCD相机的到靶光斑图像，并根据所述到靶光斑图像对阵列光束的光斑质量进行评估；

S6:如果所述光斑质量不达标，执行步骤S8，如果所述光斑质量达标，执行步骤S7；

S7:保持高压放大器各通道电压不变，执行步骤S5；

S8:调用计算机程序，接收一体化传感器的波前畸变信息；

S9:判断波前畸变信息是否满足校正要求，若满足，使用波前复原算法，将所述波前畸变信息转化为电压信息输出给高压放大器各通道，执行步骤S8，若不满足，执行步骤S7。

本发明实施例阵列光束各子光束波前畸变，既可由光纤激光器产生，也可由其他种类激光器产生，并不限于高功率范围。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。