一种激光光斑形状控制方法及系统与流程

本发明提出了一种激光光斑形状控制方法及系统，属于光学领域。

背景技术：

1、激光光斑形状控制是激光加工、增材制造、医疗等领域的核心技术需求，不同应用对光斑形状要求各异，需实现多模式、可编程的精确控制。

2、目前，主流整形方案包括基于衍射光学元件、空间光调制器、变形镜等方法。为兼顾各元件优势，现有技术已将上述元件进行多级级联，如先以变形镜粗调，再以空间光调制器精修。然而，此类级联方案仍存在以下根本性局限：首先，级间物理量失配导致协同效率低下。现有级联方案中各单元按先粗后精或先低频后高频的分工逻辑独立优化，上游整形元件以本级输出光斑逼近目标光斑为优化目标，完全不考虑下游合成机构对入射光场空间相干性的特定需求，经上游整形后，光束的空间相干特性与下游合成需求严重失配，导致合成效率降低、光斑质量退化；其次，误差传递依赖数字闭环，响应带宽受限。现有方案中，各级残差须经光电检测、模数转换、数字运算、数模转换、重新加载等环节才能传递给下一级，闭环带宽受限于探测器帧率和处理器速度，难以满足动态误差补偿对响应速度的要求；最后，光束合成领域的相干合成技术虽可实现多子束的高效合束，但其追求完全相干合成以获得峰值功率，从未将部分相干光束合成引入光斑形状调控，更未将空间相干度作为可主动调控的自由度来服务光斑整形目标。综上所述，现有技术中尚未提出一种将空间相干度作为级间传递与主动管理的核心物理量、且能在光学物理层实现误差信息高速传递的激光光斑形状控制方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种激光光斑形状控制方法及系统，用以解决上述提到的问题：

2、本发明提出的一种激光光斑形状控制方法，所述方法包括：

3、根据目标光斑强度分布，通过优化求解得到下游矢量合成所需的局部空间相干度分布，对入射激光束进行波前相位调制，使调制后光束的空间相干度分布与所述局部空间相干度分布相匹配，获取部分相干光束；

4、将所述部分相干光束分割为多个子光束，其中至少包含信号子光束和一个误差传递子光束；对所述信号子光束的振幅、相位和偏振态进行独立调控，并将所述误差传递子光束的偏振态按残差分布进行编码；将调控后的信号子光束与编码后的误差传递子光束进行矢量合成，得到携带偏振编码误差信息的合成光场；

5、采用偏振敏感型可编程超表面对所述合成光场进行调制，利用所述超表面在不同入射偏振态下的差异化相位响应，对所述合成光场同时进行信号光斑修形和误差补偿，输出最终目标光斑。

6、进一步地，所述通过优化求解得到下游矢量合成所需的局部空间相干度分布，包括：

7、建立以各子束对复相干度为变量的优化模型：

8、

9、

10、约束条件：

11、其中，表示第i 个和第j 个子光束之间的复相干度，表示预先给定的目标光斑强度分布，表示第i个子光束在合成平面上的复振幅分布，表示第j个子光束在合成平面上的复振幅分布的复共轭，n表示子光束的总数；

12、对所述优化模型进行求解获得最优复相干度矩阵，再将该离散矩阵通过空间插值，转换为连续的局部空间相干度分布。

13、进一步地，所述使调制后光束的空间相干度分布与所述局部空间相干度分布相匹配，包括：

14、利用空间相干度与波前随机相位起伏的定量关系：

15、

16、将目标相干度分布μ(x,y) 转换为所需的随机相位屏统计特性，生成随机相位分布，并与确定性相位叠加，得到第一级驱动相位：

17、

18、通过波前相位调制元件加载以产生所述部分相干光束。

19、进一步地，所述波前相位调制元件为变形镜，其驱动电压通过影响函数法确定。测量各致动器的影响函数，其中，表示第k 个致动器在单位电压下产生的镜面形变分布；

20、以第一级驱动相位为逼近目标，通过最小二乘拟合求解各致动器的权重系数，最小二乘的目标函数为：

21、

22、求解得到最优权重系数后，将线性转换为各致动器的驱动电压。

23、进一步地，将所述误差传递子光束的偏振态按残差分布进行编码的规则具体为：

24、定义归一化残差分布，其取值范围为[-1,1]，偏振椭圆方位角和椭率角按以下关系编码：

25、

26、

27、其中，表示基准偏振椭圆方位角，表示基准椭率角，表示偏振椭圆方位角的调制范围，表示椭率角的调制范围。

28、进一步地，所述偏振敏感型可编程超表面的相位响应曲线与所述编码规则预先匹配：

29、正残差区域对应右旋偏振态，超表面施加负相位补偿以降低光强；

30、负残差区域对应左旋偏振态，超表面施加正相位补偿以增强光强；

31、无残差区域对应线偏振态，超表面不引入额外相位。

32、进一步地，所述局部空间相干度分布与局部相干长度之间的转换关系为：

33、

34、其中，表示归一化常数，α表示与光源谱特性相关的指数，对于高斯谢尔模光束取α=2。

35、进一步地，所述超表面修形是在小于所述部分相干光束的局部相干长度的空间尺度上进行的相位补偿。

36、进一步地，所述方法还包括：

37、检测所述最终目标光斑，计算与目标光斑的残差；若不满足预设精度要求，则将残差信息反馈至第一级和第二级，更新局部空间相干度分布和子光束调控参数，并重复执行步骤一至步骤三，直至满足精度要求。

38、本发明提出的一种激光光斑形状控制系统，所述系统包括：

39、获取部分相干光束模块，用于根据目标光斑强度分布，通过优化求解得到下游矢量合成所需的局部空间相干度分布，对入射激光束进行波前相位调制，使调制后光束的空间相干度分布与所述局部空间相干度分布相匹配，获取部分相干光束；

40、得到合成光场模块，用于将所述部分相干光束分割为多个子光束，其中至少包含信号子光束和一个误差传递子光束；对所述信号子光束的振幅、相位和偏振态进行独立调控，并将所述误差传递子光束的偏振态按残差分布进行编码；将调控后的信号子光束与编码后的误差传递子光束进行矢量合成，得到携带偏振编码误差信息的合成光场；

41、输出光斑模块，采用偏振敏感型可编程超表面对所述合成光场进行调制，利用所述超表面在不同入射偏振态下的差异化相位响应，对所述合成光场同时进行信号光斑修形和误差补偿，输出最终目标光斑。

42、本发明有益效果：传统级联方案中上游只追求自身形状逼近，导致下游合成时子束间相干性失配、合成效率低下，发明第一级主动管理空间相干度，以最大化第二级合成效率为优化目标，使子束合成质量大幅提高，光斑能量利用率显著增强。误差补偿响应速度突破数字闭环瓶颈。 传统方案误差传递依赖检测-模数转换-运算-数模转换-加载的数字闭环链，响应速度受限于探测器帧率和处理器速度。本发明通过偏振复用机制，在光学物理层直接编码并传递误差信息，超表面自动解码补偿，实现微秒级响应，远快于传统数字闭环。光斑形状精度达到超分辨水平。，级递进式架构分别负责宏观相干度预设、介观矢量合成、微观超分辨修形，且第三级修形在小于局部相干长度的尺度上进行，确保相位补偿精确有效。三级协同后，光斑边缘陡度、均匀性、衍射纹波抑制等指标均优于传统单级或简单级联方案。光斑形状可连续平滑切换。 第二级对各子束振幅、相位、偏振态的独立调控与矢量合成，结合第一级相干度分布的连续可调，使光斑在不同形状之间可通过电控参数平滑过渡，无需机械更换元件，解决了传统衍射光学元件方案形状切换离散化的问题。兼顾高功率适用性与高精度调控。 第一级采用高损伤阈值的变形镜承受全功率激光，末级超表面仅承受经多级分束后的低功率，使得整个系统既能工作于高功率场景，又能实现高精度修形。