СПОСОБ ФАЗОВОЙ КОРРЕКЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ АДАПТИВНОГО ЗЕРКАЛА
METHOD OF LASER PHASE EQUALISING USING AN ADAPTIVE MIRROR

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для создания адаптивных оптических систем. Изобретение может найти применение как в различных областях техники, например, изобретение позволяет компенсировать фазовые искажения лазерного пучка в процессе его формирования в лазерной системе и негативное влияние турбулентности при прохождении лазерного пучка через оптически-неоднородную среду.
Актуальность технического решения заключается в том, что получение непрерывного высокоинтенсивного лазерного излучения с малой расходимостью в одноканальных лазерах без применения адаптивных оптических систем затруднительно, поскольку лучевая прочность активных элементов лазера ограничена, а увеличение их поперечных размеров с целью уменьшения расходимости либо невозможно (в оптоволоконных лазерах), либо ведет к появлению фазовых искажений на апертуре из-за ухудшения терморежима активной среды.
На данный момент наиболее распространенным является способ фазовой коррекции лазерного излучения с помощью адаптивного зеркала с использованием датчика волнового фронта тина Шака-Гартманна [Platt B.C., Shack R., J. of Refractive Surgery 17. Sep.-Oct.. 573 (2001). 1]. Главными элементами данного датчика являются ПЗС-камера и линзовый растр. Линзовый растр представляет собой матрицу микролинз, которая разбивает приходящий лазерный пучок на субапертуры, фокусирующиеся затем на ПЗС-камере. Принцип действия датчика волнового фронта основан на восстановлении волнового фронта лазерного излучения из измеренных локальных наклонов волнового фронта, которые пропорциональны локальным смещениям фокальных пятен [David L. Fried. J. Opt. Soc. Am..67. 370-375. 1977]. Датчик волнового фронта Шака-Гартманна восстанавливает волновой фронт лазерного излучения по значениям матрицы градиентов фазы, которые определяются экспериментально по смешению центров тяжести фокальных пятен. После измерения волнового фронта вычисляются и подаются соответствующие напряжения на актюаторы адаптивного зеркала - форма поверхности адаптивного зеркала становится сопряженной волновому фронту лазерного излучения. В результате после отражения от адаптивного зеркала фазовые искажения компенсируются и лазерное излучение приобретает дифракционное качество, т.е. его угловая расходимость принимает дифракционное или близкое к нему значение. Недостатком данного способа является низкая эффективность фазовой коррекции лазерного излучения в условиях слабого лазерного сигнала, так как мощность сигнала, необходимая для регистрации смещения одного фокального пятна обратно пропорциональна числу субапертур датчика волнового фронта Шака-Гартманна.
В качестве прообраза, реализующего заявляемый способ фазовой коррекции лазерного излучения с помощью адаптивного зеркала, был выбран способ [М.А. Vorontsov. V.P. Sivokon. "Stochastic parallel-gradient-descent technique for hight-resolution wave-front phase-distortion correction". J. Opt. Soc. Amer., V.15, №10. (1998). 2745-2758. 2]. Данный способ фазовой коррекции лазерного излучения состоит в управлении волновым фронтом лазерного излучения с помощью адаптивного зеркала по значению сигнала с фотоприемника, который измеряет целевую функцию (например, долю мощности лазерного излучения в заданном угле). Для этого лазерное излучение направляется на адаптивное зеркало. Часть излучения после отражения от адаптивного зеркала отводится при помощи светоделительной пластины и фокусируется линзой на фотоприемник. Перед фотоприемником помещают диафрагму заданного углового размера. Угловой размер диафрагмы определяет требуемое качество фазовой коррекции лазерного излучения - требуемый уровень угловой расходимости лазерного излучения. Управление волновым фронтом лазерного излучения происходит путем итерационной подачи управляющих напряжений на актюаторы адаптивного зеркала согласно трехэтапному методу стохастического градиентного спуска. Первые два этапа заключаются в последовательной подаче пробных малых по амплитуде напряжений на актюаторы и регистрации соответствующих сигналов с фотоприемника. Эти малые напряжения выбирают таким образом, что они являются статистически независимыми величинами. На первом этапе малые напряжения подают на актюаторы и измеряют сигнал с фотоприемника. На втором этапе на актюаторы адаптивного зеркала подают такие же напряжения, но с обратным знаком, после чего снова измеряют сигнал с фотоприемника. На третьем этапе проводят анализ изменений сигнала с фотоприемника на пробных этапах (вычисляют разность между измеренными сигналами), рассчитывают и подают новые напряжения на актюаторы адаптивного зеркала, причем эти напряжения пропорциональны параметру, контролирующему скорость сходимости (количество итераций, необходимых для достижения требуемого качества лазерного излучения), разности между измеренными сигналами с фотоприемника и напряжениям, подаваемых на актюаторы на пробных этапах. Результатом такой итерационной подачи напряжений является увеличение сигнала с фотоприемника, а достижение максимума сигнала говорит о получении заданного качества лазерного излучения (т.е. требуемого уровня угловой расходимости лазерного излучения). К недостаткам способа-прототипа фазовой коррекции лазерного излучения с помощью адаптивного зеркала можно отнести наличие трех этапов в каждой итерации, что увеличивает время одной итерации, и как следствие, полное время процедуры фазовой коррекции лазерного излучения, что при наличии высокочастотных фазовых искажений на оптическом пути может негативным образом сказаться на эффективности фазовой коррекции.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в получении лазерного излучения заданного качества в условиях слабого сигнала (как и в прототипе) при упрощении и ускорении процедуры по сравнению с прототипом за счет уменьшения количества этапов в итерации и использования адаптивного параметра, уменьшающего количество требуемых итераций.
Технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного спасибо фазовой коррекции лазерного излучения с помощью адаптивного зеркала, включающегося в том, что
- лазерное излучение направляют на адаптивное зеркало.
- часть лазерного излучения после отражения от адаптивного зеркала отводят от общего потока излучения и далее осуществляют регистрацию этой части излучения с помощью фоторегистратора,
причем до фоторегистрации отведенной части излучения его диафрагмируют с обеспечением требуемого качества фазовой коррекции лазерного излучения - требуемого уровня угловой расходимости лазерного излучения,
- осуществляют подачу управляющих напряжений на актюаторы адаптивного зеркала, обеспечивая управление волновым фронтом лазерного излучения, и регистрируют соответствующие сигналы с фоторегистратора,
- после чего рассчитывают и осуществляют подачу новых управляющих напряжений на актюаторы адаптивного зеркала,
- при этом подачу управляющих напряжений производят в итерационном режиме.
- расчет значений управляющих напряжений для актюаторов адаптивного зеркала производят на основе итерационного стохастического алгоритма,
- причем для каждой итерации при расчете управляющих напряжений, подаваемых на актюаторы адаптивного зеркала, используют значения зарегистрированных сигналов с фоторегистратора.
- результатом итерационного режима подачи управляющих напряжений является уменьшение угловой расходимости лазерного излучения, а о достижении требуемого уровня фазовой коррекции судят по максимальному значению сигнала с фотоприемника, о заявленном способе осуществляют управление волновым фронтом лазерного излучения согласно стохастическому параллельному градиентному (СПГ) алгоритму, для чего
- подачу управляющих напряжений на актюаторы адаптивного зеркала производят в итерационном режиме в два этапа, один пробный и один корректирующий.
- на первом пробном этапе осуществляют подачу на актюаторы адаптивного зеркала малых управляющих напряжений,
- после подачи управляющих напряжений измеряют изменение сигнала с фоторегистратора относительно значения до подачи управляющих напряжений на пробном этапе,
- далее осуществляют подачу управляющих напряжений на корректирующем этапе.
- причем значения управляющих напряжений, подаваемых на актюаторы адаптивного зеркала на корректирующем этапе, определяют на основе СПГ алгоритма исходя из того, что значения их пропорциональны адаптивному параметру, контролирующему скорость сходимости, изменению сигнала с фоторегистратора на пробном этапе и управляющим напряжениям, подаваемым на актюаторы на пробном этапе, при этом адаптивный параметр, контролирующий скорость сходимости, обратно пропорционален значению сигнала с фоторегистратора на пробном этапе с коэффициентом обратно пропорциональным квадрату амплитуды напряжений, подаваемых на пробном этапе на актюаторы адаптивного зеркала.
Возможность использования разработанного технического подхода, реализующего СПГ-алгоритм может быть обеспечена путем осуществления заявляемой последовательности действий способа, придающих ему в совокупности особенность и преимущества по сравнению с техническим решением, описанным в прототипе, которые заключаются в том, что:
• управление волновым фронтом лазерного излучения посредством итерационной подачи управляющих напряжений на актюаторы адаптивного зеркала в основу расчета которых заложен двухэтапный СПГ алгоритм [Гаранин С.Г., Маначинский А.Н., Стариков Ф.А., Хохлов С.В. Фазовая коррекция лазерного излучения с помощью адаптивных оптических систем в РФЯЦ-ВНИИЭФ // Автометрия. 2012. Том 48. №2. С 30-37]. обеспечивающий возможность проведения одного пробного и одного корректирующего этапов на каждой итерации, что в полтора раза сокращает время проведения одной итерации:
• авторами установлена зависимость для управляющих напряжений, подаваемых на актюаторы адаптивного зеркала на корректирующем этапе, величина которых согласно этой зависимости пропорциональна адаптивному параметру, контролирующему скорость сходимости, изменению сигнала с фоторегистратора (относительно значения до подачи напряжений) на первом пробном этапе и напряжениям, подаваемых на актюаторы на пробном этапе, причем адаптивный параметр, контролирующий скорость сходимости, обратно пропорционален значению сигнала с фотоприемника на пробном этапе, а коэффициент пропорциональности обратно пропорционален квадрату амплитуды пробных управляющих напряжений. В совокупности все эти признаки позволяют повысить скорость итерационной процедуры фазовой коррекции лазерного излучения с помощью адаптивного зеркала, то есть уменьшить требуемое количество итераций для достижения заданной угловой расходимости лазерного излучения (установлено расчетным образом и подтверждено в эксперименте).
Функциональная схема фазовой коррекции лазерного излучения приведена на фиг. 1, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - коллиматор, 3 - 26-элементное биморфное адаптивное зеркало, 4 - светоделительная пластина, 5 - фокусирующая линза, 6 - фотоприемник, 7 - блок управления актюаторами адаптивного зеркала, 8 - диафрагма.
На фиг. 2 показано гибкое 26-элементное биморфное зеркало.
На фиг. 3 показано распределение интенсивности в фокусе линзы 6 до коррекции.
На фиг. 4 показано распределение интенсивности в фокусе линзы 6 после коррекции 26-элементным адаптивным зеркалом.
На фиг. 5 показана зависимость сигнала Р с фотодиода 6 от номера N итерации в процессе коррекции волнового фронта лазерного пучка.
Техническое решение реализовано экспериментально на примере фазовой коррекции излучении лазера с помощью 26-элсментного биморфного адаптивного зеркала с использованием СПГ алгоритма.
Покажем, каким образом достигается указанный выше результат.
Лазерное излучение от источника 1 через коллиматор 2 направляют на адаптивное зеркало 3, часть лазерного излучения после отражения от адаптивного зеркала 3 отводят or общего потока излучения с помощью светоделительной пластины 4 и далее осуществляют регистрацию этой части излучения через фокусирующую линзу 5 с помощью фотоприемника (фоторегистратора) 6, причем до фоторегистрации отведенной части излучения его диафрагмируют посредством диафрагмы 8 с обеспечением требуемого качества фазовой коррекции лазерного излучения - требуемого уровня угловой расходимости лазерного излучения, осуществляют подачу управляющих напряжений с помощью блока управления 7 на актюаторы адаптивного зеркала 3, обеспечивая управление волновым фронтом лазерного излучения, и регистрируют соответствующие сигналы с фотоприемника 6.
Далее рассчитывают и осуществляют подачу новых управляющих напряжений на актюаторы адаптивного зеркала, при этом подачу управляющих напряжений производят в итерационном режиме.
Расчет значений управляющих напряжений для актюаторов адаптивного зеркала производят на основе итерационного стохастического алгоритма, причем для каждой итерации при расчете управляющих напряжений, подаваемых на актюаторы адаптивного зеркала, используют значения зарегистрированных сигналов с фоторегистратора.
Результатом итерационного режима подачи управляющих напряжений является уменьшение угловой расходимости лазерного излучения, а о достижении требуемого уровня фазовой коррекции судят по максимальному значению сигнала с фотоприемника.
Конкретнее, осуществляют управление волновым фронтом лазерного излучения согласно стохастическому параллельному градиентному (СПГ) алгоритму следующим образом.
При фазовой коррекции лазерного излучения с помощью адаптивного зеркала 3 управление формой поверхности адаптивного зеркала (фиг. 1) осуществляет блок управления 7, путем подачи напряжений на актюаторы адаптивного зеркала, расчет значений этих напряжений происходит согласно СПГ алгоритму с использованием в качестве входных данных сигнала с фотоприемника 6, на который фокусируется линзой 5 часть излучения, отведенного от адаптивного зеркала при помощи светоделительной пластины 4. Фотоприемник (фоторегистратор) 6, расположенный в фокусе линзы 5, измеряет целевую функцию J, целевая функция зависит от значений напряжений на актюаторах адаптивного зеркала. Целевая функция выбирается таким образом, чтобы имелось однозначное соответствие между максимумом (или минимумом) целевой функции и угловой расходимостью лазерного излучения. Здесь в качестве целевой функции выбрана мощность лазерного излучения, которое попадает в диафрагму дифракционного размера 8.
0
0
СПГ алгоритм реализуется путем подачи управляющих напряжений на актюаторы адаптивного зеркала в итерационном режиме в два - одного пробного I и одного корректирующего II. На этапе I итерации СПГ алгоритма блок управления 7 производит пробную малую подачу управляющих напряжений δU на актюаторы адаптивного зеркала 3. Амплитуда пробных напряжений δU для всех актюаторов одинакова но модулю, знак пробных напряжений δU разыгрывается случайным образом. Далее блок управления 7 регистрирует изменение целевой функции δJ относительно значения, регистрируемого до подачи управляющих напряжений δU. На этапе II итерации СПГ алгоритма блок управления 7 производит корректировку управляющих напряжений на актюаторах адаптивного зеркала. Величина этих напряжений равна произведению адаптивного параметра, контролирующего теми (скорость) сходимости СПГ алгоритма, напряжений первою пробного этапа δU и изменению целевой функции на 1 этапе данной итерации δJ. Адаптивный параметр, определяющий темп (скорость) сходимости СПГ алгоритма, равен отношению коэффициента γ к величине целевой функции на момент начала данной итерации. Величина коэффициента γ обратно пропорциональна квадрату амплитуды пробных напряжений δU. На этом текущая итерация заканчивается, затем совершается очередная итерация и т.д. пока целевая функция не достигнет необходимого значения в случае статических фазовых искажений лазерного излучения. В случае динамических искажений СПГ алгоритм не останавливается.
За счет выполнения только одного пробного этапа, время каждой итерации по сравнению с прототипом сокращается в полтора раза. Использование адаптивного параметра, контролирующего скорость сходимости, в сочетании с указанными признаками позволяет повысить скорость итерационной процедуры коррекции волнового фронта лазерного пучка с помощью деформируемого адаптивного зеркала, то есть уменьшить количество итераций необходимое для достижения требуемого качества пучка. Результат экспериментальной апробации способа представлены на фиг. 2-5.
Таким образом, использующий вышеназванные преимущества способ фазовой коррекции лазерного излучения с помощью адаптивного зеркала на основе СПГ алгоритма позволит по сравнению с прототипом обеспечить более простую и быструю процедуру фазовой коррекции лазерного излучения за меньшее количество итераций.