基于純相位液晶空間光調(diào)制器的激光束敏捷控制技術(shù)研究.pdf

1、激光束敏捷控制技術(shù)指的是研究激光束分束數(shù)量、掃描位置、光斑形狀以及能量變化規(guī)律和可控性規(guī)律的技術(shù)。其特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)對(duì)于激光束的數(shù)量、光斑形狀、指向及聚焦位置的無(wú)機(jī)械慣量控制,充分發(fā)揮激光能量集中、指向性和相干性好的特性,在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用并正顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
　　該技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)加載于空間光調(diào)制器上的相位分布,使得經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器調(diào)制的激光束數(shù)量、光斑形狀、指向以及聚焦位置預(yù)期被控。然而,目前基于液晶空間光調(diào)制器的激光束敏捷

2、控制技術(shù)仍然存在以下兩個(gè)問(wèn)題:第一,如何在控制區(qū)域內(nèi)無(wú)顯著“鬼影光斑”及“噪聲光斑”的情況下,動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)一束入射激光分成多個(gè)激光束,并且每個(gè)激光束焦點(diǎn)在三維空間可預(yù)期獨(dú)立程控;第二,如何在保持高衍射效率的前提下,按照預(yù)期的任意形狀強(qiáng)度分布對(duì)每個(gè)激光束進(jìn)行較高精度遠(yuǎn)場(chǎng)整形。
　　針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題,本課題展開了如下相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)研究:
　　首先,針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題,提出一種基于多個(gè)獨(dú)立迭代平面的相位分布設(shè)計(jì)方法,并對(duì)該方法進(jìn)行理論仿真

3、和初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該方法把遠(yuǎn)場(chǎng)分為工作區(qū)和噪聲區(qū)且限制相位平面的頻譜帶寬,抑制工作區(qū)中的“噪聲光斑”;采用并行設(shè)計(jì)多個(gè)相位分布拼接形成用于多個(gè)光束獨(dú)立控制的最終相位分布,從而避免由串行設(shè)計(jì)多個(gè)相位分布引入的“鬼影光斑”,同時(shí),多相位分布拼接解決了抑制工作區(qū)中的“噪聲光斑”時(shí)造成的衍射效率降低的問(wèn)題。
　　其次,針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題,提出一種適用于遠(yuǎn)場(chǎng)不同形狀、不同口徑平頂光束整形的自適應(yīng)權(quán)重優(yōu)化相位分布設(shè)計(jì)方法,并對(duì)該方法進(jìn)行理論仿真。該

4、方法以被整形光束的光強(qiáng)分布均方根誤差(RMSE)和衍射效率(DE)兩個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自適應(yīng)權(quán)重優(yōu)化,在保證較高衍射效率前提下,大大減小光束強(qiáng)度分布的波動(dòng)。
　　為進(jìn)一步提高光束整形能力,能將激光束強(qiáng)度分布整形成任意預(yù)期的形狀,提出一種對(duì)被控光波前振幅、相位進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控的雙相分布級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)方法,并對(duì)該方法進(jìn)行理論仿真。該方法不同于常規(guī)相位恢復(fù)算法,它將傳統(tǒng)的一個(gè)相位迭代面改成兩個(gè)相位迭代面,第一個(gè)相位迭代面控制光波前的振幅分布,

5、第二個(gè)相位迭代面控制光波前的相位分布,由此克服傳統(tǒng)相位恢復(fù)算法中,只對(duì)振幅優(yōu)化而不能對(duì)相位加以控制的缺點(diǎn)。因?yàn)樵摲椒軐?duì)被控光場(chǎng)振幅、相位進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控,所以可高精度地在目標(biāo)平面構(gòu)建任意期望的強(qiáng)度分布。
　　最后,搭建實(shí)驗(yàn)裝置,采用上述三種方法設(shè)計(jì)相位分布圖加載于純相位液晶空間光調(diào)制器LCSLM(LiquidCrystalSpatialLlightModulator),分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論仿真一致,進(jìn)一步證明上述方法的可