專利名稱：基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器相干合成績(jī)屬領(lǐng)域，特別涉及一種多路激光相干合成測(cè)控裝置。
背景技術(shù)：
光纖激光器是當(dāng)今光電子技術(shù)研究領(lǐng)域中最前沿的研究課題之一，作為一種新型激光器 件，它具有轉(zhuǎn)換效率高、激光閾值低、可調(diào)諧范圍寬、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，并且散熱面積大、 體積小、壽命長(zhǎng)，同常規(guī)的體積龐大的氣體激光器和固體激光器相比，有顯著優(yōu)勢(shì)，已成為 激光在民用和工業(yè)應(yīng)用中的重要候選者。現(xiàn)在單根的輸出功率可以達(dá)到kW量級(jí)，吏大幅度
地提高單根光纖激光器的輸出功率相當(dāng)困難。為達(dá)到高的激光輸出功率和近衍射極限的光束 質(zhì)量，可能采用的技術(shù)途徑是利用光纖激光器陣列，對(duì)輸出激光束進(jìn)行相干合成。研究光纖 激光的相干合成技術(shù)，以獲得高功率的相干激光輸出，是今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。為實(shí)現(xiàn) 多個(gè)光纖放大器輸出光束的相干合成，必須實(shí)時(shí)測(cè)量與控制每一路光纖放大器的相位變化(主 要是平移相差)。目前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)常采用的傳統(tǒng)的平移相位的測(cè)量是采用針孔+光電探測(cè)器
的方式，如圖3所示讓幾束包含平移相位擾動(dòng)的光束通過透鏡聚焦，并在焦平面上挖一小 孔，用光電二極管探測(cè)電流信號(hào)輸出，再對(duì)這個(gè)電流輸出信號(hào)做頻譜分析得出，或者利用高
速CCD相機(jī)探測(cè)小孔后的焦斑信號(hào)，再對(duì)該光斑信號(hào)做頻譜分析得出(參見文獻(xiàn)1 "coherent beam combination of two polarization maintaining ytterbium fibre amplifiers" Hou J.etal. Chinese physics letters，VoI22，No9(2005)2273)。這種測(cè)量方式(針孔+光電探測(cè)器)可以近似地表達(dá)平 移相位擾動(dòng)的頻譜特性，但是具有兩個(gè)不可忽視的缺點(diǎn):一是二極管與光強(qiáng)有關(guān)的輸出電流信 號(hào)或者CCD相機(jī)測(cè)量的光斑的強(qiáng)度信號(hào)與平移相位之間不具有一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，也即測(cè) 量的信號(hào)不能準(zhǔn)確表達(dá)平移相位信息；二是這種方式不能測(cè)量出平移相位擾動(dòng)的幅度值。在 控制方面，國(guó)內(nèi)外常采用的相位控制器為非線性光學(xué)器件，(如LiN03晶體)，如文獻(xiàn) 2"Incoherent combining of 100-W Yb-fiber laser beams by PTR Bragg grating", Advances in Fiber Devices, Proceedings of SPIE， Vol. 4974， 2003中公開的方法，就是采用非線性晶體以 及光折變晶體進(jìn)行相干或非相干光纖激光合成。這類器件的響應(yīng)頻率很高，卻存在兩個(gè)致命 硬傷低損傷閾值及無法調(diào)節(jié)各個(gè)子光束間的方向一致。這些現(xiàn)狀的不足，迫切需求一種新 的探測(cè)技術(shù)和控制方案，用來完成對(duì)多路激光器的相干合成的測(cè)量和控制。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題克服現(xiàn)有的激光相干合成相位探測(cè)技術(shù)的缺陷，提出一種能 夠準(zhǔn)確測(cè)量出多路激光平移相位的時(shí)間特性、幅度變化特性，能確定所需控制帶寬，并能完 成相干合成的新的相位探測(cè)裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所釆用的技術(shù)方案是基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)
控裝置，其特征在于包括種子激光器、準(zhǔn)直器、lxN分束器、激光預(yù)放級(jí)、激光放大級(jí)、 分離式變形鏡、空間壓縮器、聚焦透鏡、遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和高壓放大器，由種子激光 器輸出的激光束經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后經(jīng)過分束器，先后再經(jīng)過預(yù)放級(jí)和放大級(jí)兩級(jí)激光放大， 再通過分離式變形鏡反射到空間壓縮器，壓縮空間距離后的光束再經(jīng)過聚焦透鏡會(huì)聚到遠(yuǎn)場(chǎng) 成像系統(tǒng)上，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)的條紋特性提取算法用來分析計(jì)算機(jī)采集到的遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)上的 相干光斑條紋，計(jì)算機(jī)通過控制高壓放大器將所需的控制電壓施加在分離式變形鏡的各個(gè)電 極上，控制分離式變形鏡校正多路光束間的位相差。
所述的種子激光器是基模窄線寬的光纖激光器或者固體激光器。
所述的預(yù)放級(jí)和放大級(jí)兩級(jí)放大器都為光纖放大器。
所述的lxN分束器的N可以為2也可以為3。
所述的分離式壓電變形鏡的電極數(shù)目和lxN分束器中的N相同。
所述的空間壓縮器由四塊平面反射鏡組成，每塊反射鏡上鍍制了對(duì)參與合成的激光波長(zhǎng) 高反的膜系。
所述計(jì)算機(jī)控制高壓放大器將所需的控制電壓施加在分離式變形鏡的各個(gè)電極上，所采
用的控制算法為比例-積分-微分(PID)算法。
所述的遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)的核心成像器件是高速CCD相機(jī)或者CMOS相機(jī)。 本發(fā)明的原理是利用CCD相機(jī)探測(cè)多路激光相干合成的光斑條紋移動(dòng)特征，準(zhǔn)確測(cè)量 出多路激光間的平移相位的時(shí)變特性和幅變特性，并且通過對(duì)時(shí)變特性做頻譜分析，可以獲 得多路光束間平移相位擾動(dòng)的頻率特性，從而獲知整個(gè)相干系統(tǒng)需要的控制帶寬。結(jié)合已經(jīng) 獲得的頻率特性，利用經(jīng)典PID算法控制分離式壓電變形鏡補(bǔ)償各光束間的平移相位差，最 終在需要的位置得到穩(wěn)定清晰的多路激光相干合成條紋。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明裝置通過采用空間壓縮器不僅能在空間上壓縮各路光之間的相對(duì)距離，提高相干
合成效率，而且可以調(diào)整多路光之間的平行度并且基于所公開的條紋特征提取算法；本發(fā)明 裝置基于條紋特征提取算法進(jìn)行測(cè)控，只需要判斷光斑條紋移動(dòng)的方向，就能夠獲得準(zhǔn)確有 效的多路光的平移相位變化的頻率特性，通過判斷條紋移動(dòng)的距離，能夠獲得平移相位起伏
的幅值特性；同時(shí)，通過頻譜分析不僅能夠確定合成系統(tǒng)所需的控制帶寬，還能確定控制系 統(tǒng)所能達(dá)到的校正帶寬，再配合一塊與分束路數(shù)相匹配的分離式壓電變形鏡，能夠自動(dòng)校正 多路光之間的平移相位差；對(duì)多路激光相干合成的控制過程也更加簡(jiǎn)單有效。而現(xiàn)有的平移 位相測(cè)量方法往往難以同時(shí)獲得平移相位起伏的幅值特性和頻率特性。


圖l是基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置示意圖中l(wèi)為種子激光器，2為準(zhǔn)直器，3為lxN分束器，4為激光預(yù)放級(jí)，5為激光放大 級(jí)，6為分離式壓電變形鏡，7為空間壓縮器，8為聚焦透鏡，9為遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)，IO計(jì)算機(jī)， 11為高壓放大器；
圖2是本發(fā)明中條紋特征提取算法的原理示意圖3是利用針孔+光電探測(cè)器測(cè)量多束激光合成相位得出的結(jié)果圖3 (a)表示開環(huán)時(shí) 小孔內(nèi)的光強(qiáng)起伏，圖3 (b)表示閉環(huán)時(shí)小孔內(nèi)的光強(qiáng)起伏。圖3 (c)對(duì)應(yīng)開環(huán)、閉環(huán)的光 強(qiáng)起伏頻譜；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中利用條紋特征提取算法提取多束激光相位得到的開閉環(huán)情況下的 合成光斑的平移相差隨時(shí)間的變化曲線圖，其中圖4 (a)對(duì)應(yīng)開環(huán)圖，圖4(b)對(duì)應(yīng)閉環(huán)圖， 圖4 (c)對(duì)應(yīng)開閉環(huán)情況下平移相差的頻譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。
本實(shí)施例的一種基于條紋特征提取算法的多路激光相干合成光束相位測(cè)控裝置如圖1所 示，由種子激光器1輸出的激光束經(jīng)過準(zhǔn)直器2后，再經(jīng)過lxN分束器3，這里N取3個(gè)； 接著先后經(jīng)過預(yù)放級(jí)4和放大級(jí)5兩次放大，再通過分離式壓電變形鏡6反射到空間壓縮器 7，空間壓縮器7—方面壓縮光束間的空間距離，同時(shí)調(diào)整各路光之間的平行度，使各光束盡 量平行(平行度越好的多路光，其遠(yuǎn)場(chǎng)干涉光斑條紋越具有特征規(guī)律)，壓縮空間距離后的準(zhǔn) 平行光束再經(jīng)過聚焦透鏡8會(huì)聚到成像系統(tǒng)9上，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)10的條紋特性提取算法用來 分析計(jì)算機(jī)采集到的成像系統(tǒng)9上的遠(yuǎn)場(chǎng)相干光斑條紋，根據(jù)相干條紋左右移動(dòng)特性，可以 準(zhǔn)確獲得多路激光束間的平移相位的時(shí)變特性，通過對(duì)該時(shí)變特性作功率譜變換，可以獲得 平移相位的頻率變化特性，從而獲知控制系統(tǒng)校正該位相差需要達(dá)到的控制帶寬，計(jì)算機(jī)io 通過控制算法(PID)控制高壓放大器11,將所需的控制電壓施加在分離式壓電變形鏡6各 個(gè)電極上，控制分離式壓電變形鏡6校正多路激光之間的平移位相差，最終使多路激光在需 要完成相干合成的位置形成穩(wěn)定清晰的相干條紋。
現(xiàn)有的平移相位的測(cè)量是利用針孔+光電探測(cè)器測(cè)控多束激光合成相位的裝置，測(cè)控兩束
激光得出的開閉環(huán)小孔內(nèi)的光強(qiáng)起伏圖分別如圖3所示；圖3 (a)對(duì)應(yīng)開環(huán)圖，圖3 (b)對(duì) 應(yīng)閉環(huán)圖，圖3 (c)是小孔內(nèi)光強(qiáng)起伏的頻譜隨時(shí)間的變化特性。圖3 (c)可以知道，開閉 環(huán)情況下對(duì)應(yīng)的頻譜基本一樣，也即這類通過測(cè)量小孔后光強(qiáng)起伏來確定光束間平移相位差 的方式，得出的光強(qiáng)起伏頻譜圖不能表征出系統(tǒng)的校正帶寬。
本發(fā)明中測(cè)量多光束平移相差所采用的條紋特征提取算法的具體實(shí)現(xiàn)方式如下 因?yàn)楫?dāng)多光束間平移相位為O的時(shí)候，遠(yuǎn)場(chǎng)干涉光斑的峰值光強(qiáng)最大，次級(jí)大光強(qiáng)趨于 最小，當(dāng)平移相位增大的時(shí)候峰值位置向左或是向右移動(dòng)，當(dāng)峰值位置移動(dòng)到次級(jí)大位置的 時(shí)候平移相位變化的幅度為一個(gè)波長(zhǎng)，基于此原理，對(duì)圖像進(jìn)行了處理，其具體方法如下-
(1) 首先處理采集到的第一幅CCD圖像，將二維數(shù)據(jù)沿縱向相加得到一維向量。如圖 2所示，然后對(duì)一維向量進(jìn)行樣條插值(如果不進(jìn)行樣條插值，兩幀圖像不能進(jìn)行有效的比對(duì) 和判斷條紋運(yùn)動(dòng)方向，在處理中，設(shè)置插值倍數(shù)為K(KHO且K為整數(shù))，也就是在兩個(gè)數(shù)據(jù) 間再插入K個(gè)數(shù)據(jù))；
(2) 搜索此一維光強(qiáng)序列，找到最大光強(qiáng)和其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)pO;
(3) 從最大光強(qiáng)坐標(biāo)pO開始，沿左和沿右搜索，找到兩個(gè)極小值，然后再?gòu)膬蓚€(gè)極小 值位置再分別左右搜索找到兩個(gè)次級(jí)大值以及對(duì)應(yīng)的兩個(gè)坐標(biāo)pmaxL和pmaxR;
(4) 條紋的周期估算為L(zhǎng)-(pmaxR-p0+ pO-pmaxL)/2=(pmaxR - pmaxL)/2;
(5) 陸續(xù)讀入圖像，依次轉(zhuǎn)化為一維數(shù)據(jù)并進(jìn)行樣條插值；第一次讀入圖像，設(shè)置pl，O， 由上一幀計(jì)算出的在最大值pl位置向左和向右搜索找到兩個(gè)值valL和valR,如圖2所示， 若valR〉valL,則可判斷條紋向右移動(dòng)，否則條紋向左移動(dòng)。如果條紋向右移動(dòng)，沿pl遞增 尋找到最大的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)pl'，并計(jì)算條紋位移量為psl-pr-pO，并更新pl,使pl-pl',對(duì) 于條紋向左移動(dòng)也是一樣的，條紋位移量同樣為psl=pl'-p0;因此條紋的移動(dòng)量有正有負(fù)；以 此類推，每一幀都以上一幀計(jì)算出來的最大值所在的坐標(biāo)pl來判斷條紋移動(dòng)方向，然后找到 此方向上距離pl最近的最大值所在的坐標(biāo)pl'，計(jì)算該坐標(biāo)與基準(zhǔn)的最大值坐標(biāo)差值psi;
(6) 將偏移量psi(i-l,2,3......n)與條紋周期L相除得到平移相位與幀數(shù)的關(guān)系，單位是
波長(zhǎng)；如果再與實(shí)際波長(zhǎng)單位相乘就是實(shí)際的平移相位擾動(dòng)量，可以得到平移相位隨時(shí)間的 變化曲線，開環(huán)和閉環(huán)曲線分別如圖4(a)和圖4(b)所示，其中，各圖中間那根粗線條對(duì)應(yīng)的 是平移相位擾動(dòng)的平均值。從圖4 (a)和圖4 (b)可以知道開環(huán)和閉環(huán)情況下，多路相干光 的平移相差隨著時(shí)間變化的頻率和幅度特性，從而大致確定出所需要的控制帶寬；
(7) 對(duì)圖4 (a)和圖4 (b)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)再做功率譜計(jì)算，就可以得到平移相位的頻率
變化特性如圖4(c)所示，其中實(shí)線對(duì)應(yīng)開環(huán)，虛線對(duì)應(yīng)閉環(huán)，從圖4 (c)可以看出在開環(huán)
和閉環(huán)條件下，平移相差的頻譜曲線是不同的，從兩條曲線的第一個(gè)交點(diǎn)可以知道系統(tǒng)的校
正帶寬，從頻譜圖上，容易得出該實(shí)例系統(tǒng)需要的控制帶寬為幾十Hz量級(jí)。 本發(fā)明的閉環(huán)算法采用PID算法，其實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)述如下-
計(jì)算機(jī)通過內(nèi)置的圖像采集卡采集CCD上的圖像，設(shè)初始幀參考光斑的最大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的 坐標(biāo)為P(O),而按照條紋特征提取算法計(jì)算得到的第("+ l)幀光斑的最大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo) 為P(n+l)，那么，其相對(duì)于參考光斑P(0)的移動(dòng)量為/^，^。 PID算法的控制目標(biāo)就是讓各
幀光斑的最大光強(qiáng)都能鎖定在參考光斑最大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的位置上；為了校正平移相差，電壓經(jīng) 過高壓放大器放大后需要同時(shí)加載到一個(gè)分塊小變形鏡的三個(gè)電極上的，設(shè)控制參數(shù)為 《,《,《,《，則此時(shí)的輸出電壓為^, +1，其表達(dá)式為
<formula>formula see original document page 7</formula> ( 1 )
/=1
按照公式(1 )，就可以最終將各幀光斑圖像的光強(qiáng)最大值都鎖定在參考光斑的光強(qiáng)最大值處。
權(quán)利要求
1、基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置，其特征在于包括種子激光器、準(zhǔn)直器、1xN分束器、激光預(yù)放級(jí)、激光放大級(jí)、分離式變形鏡、空間壓縮器、聚焦透鏡、遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和高壓放大器，由種子激光器輸出的激光束經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后經(jīng)過分束器，先后再經(jīng)過預(yù)放級(jí)和放大級(jí)兩級(jí)激光放大，再通過分離式變形鏡反射到空間壓縮器，壓縮空間距離后的光束再經(jīng)過聚焦透鏡會(huì)聚到遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)上，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)的條紋特性提取算法用來分析計(jì)算機(jī)采集到的遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)上的相干光斑條紋，計(jì)算機(jī)通過控制高壓放大器將所需的控制電壓施加在分離式變形鏡的各個(gè)電極上，控制分離式變形鏡校正多路光束間的位相差。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于條紋特征提取算法的相千合成相位測(cè)控裝置，其特征在于 所述的種子激光器是基模窄線寬的光纖激光器或者固體激光器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置，其特征在于-所述的預(yù)放級(jí)和放大級(jí)兩級(jí)放大器都為光纖放大器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置，其特征在于所述的lxN分束器的N可以為2也可以為3。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置，其特征在于-所述的分離式壓電變形鏡的電極數(shù)目和lxN分束器中的N相同。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置，其特征在于 所述的空間壓縮器由四塊平面反射鏡組成，每塊反射鏡上鍍制了對(duì)參與合成的激光波長(zhǎng)高反 的膜系。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置，其特征在于所述計(jì)算機(jī)控制高壓放大器將所需的控制電壓施加在分離式變形鏡的各個(gè)電極上，所采用的控制算法為比例-積分-微分算法，即PID算法。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置，其特征在于 所述的遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)的核心成像器件是高速CCD相機(jī)或者CMOS相機(jī)。
全文摘要
基于條紋特征提取算法的相干合成相位測(cè)控裝置，由種子激光器輸出的激光束經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后經(jīng)過1xN分束器，再經(jīng)過預(yù)放級(jí)和放大級(jí)兩級(jí)激光放大，通過分離式變形鏡反射到空間壓縮器，壓縮空間距離后的光束再經(jīng)過聚焦透鏡會(huì)聚到遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)上，內(nèi)置于計(jì)算機(jī)的條紋特性提取算法分析遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)上采集到的遠(yuǎn)場(chǎng)相干光斑條紋，計(jì)算機(jī)通過控制高壓放大器將所需的控制電壓施加在分離式變形鏡的各個(gè)電極上，控制分離式變形鏡校正多路光束間的位相差，本發(fā)明基于條紋特征提取算法能夠直觀、準(zhǔn)確地測(cè)量出平移相位特性隨時(shí)間的變化曲線，通過功率譜分析，能夠確定出系統(tǒng)所需的控制帶寬，對(duì)多路激光相干合成的控制過程也更加簡(jiǎn)單有效。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101393376SQ20081022622
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者平 楊, 楊若夫, 鋒 沈, 冰 許 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所