专利名称：提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及波面相位补偿，特别是一种提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿方法及装置。特别指通过设计合适的相位板对准直放大的单一横模激光进行小于光学衍射极限的光束发散度的压缩，但同时保证光束能量集中于压缩后的远场衍射主瓣中，使压缩后的能量密度增加的一种位相补偿校正技术，主要应用方向是激光通信和其它需要很小发散度的激光应用。
背景技术：
在远距离自由空间激光通信尤其是卫星之间的通信中，要求光通信接收端有足够的信号激光功率以保证所需的信息传输的误码率，这主要涉及激光的发射功率(接收功率与其成正比)，准直发射激光的发散度(接收功率与其平方成反比)，接收主镜的口径(接收功率与之平方成正比)，光接收机的灵敏度等。但由于激光器的本身结构和重量的原因以及卫星能够提供能源和重量的限制，最大可获得的单模激光发射功率有一定的极限值。接收光学口径的尺寸基本决定了光学终端的大小和重量，因为卫星负载重量和尺寸的限制使得接收光学口径有一定的取值范围，一般小于300毫米。此外，光接收机的灵敏度因为带宽受限也存在极限值，即量子极限灵敏度。因此，对于远距离激光通信在上述的各种限制条件下，应当要求激光准直发射光束的发散度尽量窄，即接近光学衍射极限，一般需要达到数个至数十个微弧度，才能保证光通信接收端具有足够高的接收功率。此外，较小发散度的激光光束控制技术在激光其它军事和民用应用方面也具有实际意义。
激光器输出的光束本身存在发散度最小的模式，即最低阶横向模式，通常用高斯光束来描述。单一最低阶横模状态下的激光输出也就是达到了光学衍射极限。为了进一步缩小光束发散度，一般采用望远镜系统进行光束的光学准直放大，但理想的望远镜系统存在口径限制下的最小发散度极限，即光学衍射极限，其反比于发射口径。因此单横模激光光束或者经过放大后的光束其最小发散度由横模高斯波腰和发射口径的衍射极限所决定，理想情况下，输出光束将达到或者非常接近高斯光束的衍射极限。本发明利用补偿相位板对单横模激光光束或者经理想准直放大后的扩束光进行超过光学衍射极限的波束发散度的压缩，同时也使得能量集中于压缩后的远场主瓣，从而得到不降低能量的和小于衍射极限发散度的远场发射主瓣。这对于远距离激光通信在最大可能获得的激光功率和灵敏度的限制条件下能够有效保证光通信接收端具有足够高的接收功率。
超衍射极限技术通常是指在成像光学中对由成像系统的点扩展函数产生的光斑尺寸，即艾里斑，进行压缩的技术，理想条件下点扩展函数由成象透镜的通光口径决定，(见1.Principles of Optics，M.Born and E.Wolf，7th(extened)，p464)。最早人们采用振幅型光瞳函数实现艾里斑的压缩(2.C.J.R.Sheppard，Optik 48，339(1977)，3.R.Boivin and A.Boivin，OPT.Acta 27，587(1980)，4.Z.S.Hegedus，Opt.Acta 32，815(1985))，但这种方法使传递的能量损失很大。之后又采用位相板方法(5.J.J.E.Wilkins，J.Opt.Soc.Am.40，222(1950)，6.T.R.M.Sales and G.M.Morris，in Joint International Symposium on OpticalMemory and Optical Data Storage，Vol.12 of 1996 OSA Technical DigestSeries(Optical Society of America，Washington，D.C.，1996)，pp.290-292，7.T.R.M.Sales and G.M.Morri s，Opt.Lett.，22，582(1997))，即使用位相型光瞳滤波器改变或补偿入射光束的空间位相分布来实现光斑的压缩，其原理基本与振幅型光瞳滤波器相同，但是它有效改善了使用振幅型光瞳滤波器时存在的传递能量损耗的问题。另外也有采用振幅和相位混合结构的光瞳滤波器实现远场光斑的压缩(8.Z.S.Hegedus and V.Sarafis，J.Opt.Soc.Am.A 3，1892(1982))。光斑的有效压缩使该项技术已在光学信息存储(9.A.B.Marchant，Optical Recordinga TechnicalOverview(Addison-Wesley，Reading，Mass.，1990)Chp.5，p.101)、共焦显微术(10.T.Wilson，Confocal Microscopy(Academic，London，1990)，Chap.5，p.171)以及成像和激光印刷术等等方面获得了应用。但是，采用上述超分辨技术实现光波远场主瓣宽度压缩的同时，不可避免的是主瓣的能量不断地转移到了旁瓣中。因此，虽然缩小了衍射主瓣，但也降低了衍射主瓣的能量。这在成象光学中不会产生问题，因为其主要目的是为了提高分辨率。但用于激光发射光束的发散度压缩时，虽然主瓣宽度压缩了，但是当主瓣所包含的能量与原来束宽中的能量相比降低很多时，这种压缩毫无实际意义。此外，在成象光学的超分辨理论中，只定义了压缩前后的主瓣峰值强度比(Strehl比)，而没有定义压缩前后的主瓣能量比以及能量密度比，这就说明了上述超分辨技术中是不考虑主瓣能量转换的或者说主瓣能量的多少不是问题的关键。而且补偿位相板是对透镜的聚焦或会聚光束进行位相补偿，也就是在光学系统的最后一级实施超分辨改造。如果这种光束用于激光准直发射时，因发射光束需要附加透镜进行准直及放大，这就意味着相位板不是置于光学系统的最后，因此相位板以后的光学元件将破坏经过相位补偿的光束波面，使得达到超衍射极限的光束再次产生畸变，最终得到的光束等效于无超衍射极限的相位补偿的情况。此外，在成象光学的计算中超衍射极限技术采用了平面波模型，这一模型不适合于激光光束，在激光应用时更精确的是高斯传播光学。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的困难，提供一种提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿方法及装置，这种位相补偿的方法和装置可以以较小的发射光学口径达到较大口径的衍射极限发散度的效果，非常有利于空间激光通信终端的轻量化和小型化。
本发明的基本方案是一种提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿方法，其特征在于①在最低阶横模激光准直放大系统的最后采用补偿相位板对衍射极限光束进行相位补偿；②原理上采用高斯光束传播；③在确定相位板的结构时，首先采取反向传递算法由需要的远场压缩光束波面反推相位板的连续相位分布，再采用衍射理论由附加相位分布的高斯光束求取其远场分布，对相位板的分布进行优化；然后对优化的连续相位分布的位相板进行量子化，并同时用衍射理论进行优化处理，最终得到量子化分布的相位结构；④通过计算得到带边界的二环的相位板结构，该相位板结构满足光束主瓣的压缩比达到0.8，主瓣的能量损失比为0.93，能量密度比为1.16。
利用上述提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿方法而建立的提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿装置，其结构是它沿激光束前进方向依次包括激光器、整形准直系统、光束放大装置和补偿位相板。
所述的激光器是一最低阶单横模激光器。
这一结构意味着采用120mm口径的发射主镜即可以达到150mm口径的实际效果，它满足激光通信终端的轻量化和小型化的要求。
本发明的优点1、本发明的超衍射极限技术是采用相位分布的光学平板对于准直及放大的高斯激光光束进行补偿，使其发散角得到压缩，纯相位平板具有无吸收损耗的优点，采用高斯光学切合激光光束实际，因而补偿精度高。
2、相位板的设计上，采用反向传递算法并结合正向衍射的优化计算，具有能够实现全局最佳化计算的优点，其特征是能够比较容易地得到所需要的结果，特别是定义了主瓣能量比和能量密度比来判断经位相补偿得到的超衍射极限远场光斑的能量损失，既可以做到主瓣压缩又实现主瓣能量集中，使得该项技术的应用真正在原理上能够成立。考虑到相位板的制作工艺，所设计的相位分布进行了量子化及其优化，使得相位板容易制造。
总之，这种位相补偿的方法可以以较小的发射光学口径达到较大口径的衍射极限发散度的效果，非常有利于空间激光通信终端的轻量化和小型化。
图1为本发明的激光准直发射光束的超衍射极限相位补偿装置的结构框图。
图2为本发明中超衍射极限补偿位相板的数值计算过程示意3为本发明中反向算法确定的位相板的位相分布示意图。
图4为本发明中量子化位相板的结构示意图。
图5为本发明中激光准直发射光束在压缩前后的远场光强分布比较图。
具体实施方案请先参阅图1，图1是本发明的激光准直发射光束的超衍射极限相位补偿装置的结构框图。由图可见，本发明的装置结构包括激光器1、整形准直系统2、光束放大装置3和补偿位相板4。激光器1发出的单一最低阶横模光束，经整形准直系统2准直后成为均匀分布的高斯光斑，或者经光纤传输后输出一光点，准直后的光束经光束放大装置3放大后得到一定发射口径(即达到衍射极限光束)并且具有一定的发散度的高斯光束，这一高斯光束再经补偿位相板4的补偿，在远场得到空间分布压缩的远场光斑，该光斑的能量基本保持不变。假设经准直放大后的高斯光束的振幅为a(x，y)，补偿位相板4的位相分布为φ(x，y)，则光束经过补偿位相板4后的复振幅b(x，y)为b(x，y)＝a(x，y)exp(iφ(x，y)) (1)经位相补偿后激光光束在远场的复振幅分布B(fx，fy)可表示成以下形式，B(fx，fy)＝A(fx，fy)*Φ(fx，fy) (2)其中A(fx，fy)是a(x，y)的傅立叶谱，Φ(fx，fy)为输入位相分布exp(iφ(x，y))的傅立叶变换，因此，适当控制补偿位相函数φ(x，y)就有可能使补偿后光束的发散度小于光束原来的发散度。
本发明在评价光斑的压缩效果时仍采用成像光学中的两个参数，第一零点比G＝xs/x0和Strehl比S＝Ism/I0m，其中xs和x0分别表示有超分辨位相板和没有超分辩位相板下的远场衍射主瓣的第一零点值，Ism和Is0分别表示有超分辨位相板和无超分辨位相板时远场衍射主瓣中央点的光强值。此外为了衡量压缩后远场衍射主瓣能量的损失程度，定义远场衍射主瓣的积分能量比RI＝Is/I0，以及能量密度比TI=Is/xsI0/x0(=RI/G),]]>其中Is和I0分别为有超分辨位相板和没有超分辩位相板时的远场衍射主瓣积分能量值。
据文献Opt.Let.，1997，22(9)知在小信号近似下，远场光斑的压缩比与斯塔尔比的极大值具有如下的关系S=[A‾Σp=1∞(η1A)2p22p(p+1))(p!)2G2P]2...(3)]]>上式中A表示振幅透过率的最大值，η1A＝3.8325为爱里斑的第一零点的位置。
当远场光斑压缩比(即第一零点比G)G＜0.46时，随着光斑压缩比的降低，斯塔尔比也快速降低，即对于比较大的压缩时，Strehl比和第一零点比存在关系S＜G，这表明峰值光强下降的速率大于远场光斑的缩小，即能量损失较大，此时能量密度比TI＜1，这一理论结果对于激光通信而言是非常不利的。然而，当G＞0.46时，上述理论值已超出小信号近似的条件而失去其参考价值，这说明在较小的压缩比的情况下，S≥G完全有可能成立，即峰值光强下降的速率可小于远场光斑的缩小，能量密度比TI可大于1。为此本发明中的补偿位相板4是在较小的压缩比下(即G＞0.46)、Strehl比降低不明显、并且整个远场光斑的积分能量Is也降低不大和能量密度比TI＞1四个条件下得到的。
在相位板的设计上，本发明采用如图2所示的技术路线对补偿位相板的结构进行全局优化计算。它包括反向传递算法、最佳化位相板、位相板量子化、误差修正和位相板的输出等几部分组成。首先采用反向传递算法给出符合条件的位相板的结构，然后利用衍射理论计算准直放大后的高斯光束通过位相板后的远场分布，调整反向算法中的参数，并不断将它们远场分布的结果进行比较，得到与条件相符的最佳化位相板结构。通常反向传递算法给出的位相板的位相是在[-π，π]之间连续分布的，精确制作这样的位相板，在技术上会有相当的难度甚至无法做出，因此必须将连续分布的位相板的结构进行位相板量子化，即将连续的位相分布量化为台阶型的位相分布。使用量子化之后的位相板进行位相补偿获得的远场光斑可能会与使用连续位相分布的补偿位相板得到的远场光斑有一定的偏差，因此量子化后的位相板还需要再进行进一步的误差修正。再次利用衍射理论计算激光光束通过量子化的补偿位相板后的远场分布，并将量子化的补偿位相板下的超衍射极限的远场光斑与量子化前位相板的情况进行比较，改变相应的参数，使量子化的补偿位相板达到最佳化。最后将最佳化的量子化位相板输出。
本发明的具体技术解决方案如下
1、由于本发明是在激光发射中运用超衍射极限技术，因此要求结构图1中激光器1的激光输出必须达到光学衍射极限，即为最低阶横模模式，这一模式通常用高斯光束来描述。并且之后的整型准直系统2和光束放大装置3必须保证对高斯光束进行准直放大的同时不会改变高斯光束的光束质量。由此获得的输出光束将达到或者非常接近高斯光束的衍射极限。置于发射系统之后的补偿位相板4对衍射极限或者接近衍射极限的高斯光束的波面进行位相补偿，从而实现激光光束发散度的压缩，但在光束发散度或者光束的远场衍射主瓣的宽度得到压缩的同时，衍射主瓣能量的减小低于主瓣压缩比，即能量密度比大于1，使本发明具有实际的意义。因此本发明原理上需采用高斯光束的传播。
2、本发明中补偿位相板的结构采用反向传递算法待定求解。在给定输入光波的振幅分布和远场衍射光斑光强分布(当然该衍射光斑满足一定的光斑压缩比且保证能够产生有效的发散度)的条件下，待定求解位于输入面上的位相板的位相结构。其具体步骤为假设输出面上的目标光强分布，并随即或特殊选取远场光波的初始位相，将构造的这一远场复振幅进行逆傅立叶变换，将变换后的光波复振幅的幅值用已知的输入面上的光波的振幅代替，然后进行正傅立叶变换，将变换到远场的光波复振幅的幅值用设定的远场衍射光强的平方根表示，构造新的输出光波复振幅，进入下一轮的循环。整个迭代过程中输入输出的积分能量保持不变，并在循环的过程中不断地将输出波形与高斯光束的远场进行比较，当压缩比满足一定条件时输出此时在输入面上的位相分布，由此确定补偿位相板的结构。
3、经反向传递算法得到的实现超衍射极限光斑压缩的位相板结构并非一二阶的位相结构而是连续的位相分布。对于连续分布的位相板，其制作工艺和精度都能以控制。为此我们将连续分布的位相结构进行量子化，得到台阶状的位相分布。量子化的位相板可利用二元光学的大规模集成电路的制作工艺精确实现。
4、在位相板的量子化过程中，由于位相转折位置的选取、位相板内外环的位相差的取值以及位相板的外环的尺寸等因素的影响都可能给实际远场衍射图样的结果带来不同程度的偏差。为此我们就这些相关因素的变化对远场衍射图样的影响进行了相应的数值计算。计算过程中，不断改变位相板量子化时位相的转折位置、位相板内外环的位相差以及位相板的外环的尺寸，进而对位相板的结构进行优化处理，得到最佳的超衍射极限光强分布，从而得到位相板量子化最优化时的参数。
假设准直放大的激光光束是波腰为ω0＝10mm的高斯光束。图3给出了在压缩前后远场衍射主瓣的积分能量比RI＝Is/I0基本不降低的条件下，利用反向算法得到的补偿位相板的结构示意图。可以看出经反向算法得到的实现超衍射光斑压缩的位相板结构并非二阶的位相结构而具有连续的位相分布。对压缩比为0.8的位相板结构而言，其大的轮廓具有两个台阶，且这两个台阶的位相差近似为π，因此在位相量化时可采用两位相环再加上一光阑的形式。量子化时，设内外环的半径分别取r1和r2，相应的位相分别为1和2。量子化的结果如图4虚线所示，其中各参数分别取r1＝18.75mm、r2＝25mm、Δ＝2-1＝3.14rad。
图5给出了经位相板补偿前后高斯光束在远场的衍射光强分布，其中压缩比G＝0.8，而远场衍射主瓣的积分能量比RI＝0.93，能量密度比TI＝116。
权利要求
1.一种提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿方法，其特征在于①在最低阶横模激光准直放大系统的最后采用补偿相位板对衍射极限光束进行相位补偿；②原理上采用高斯光束传播；③在确定相位板的结构时，首先采取反向传递算法由需要的远场压缩光束波面反推相位板的连续相位分布，再采用衍射理论由附加相位分布的高斯光束求取其远场分布，对相位板的分布进行优化；然后对优化的连续相位分布的位相板进行量子化，并同时用衍射理论进行优化处理，最终得到量子化分布的相位结构；④通过计算得到带边界的二环的相位板结构，该相位板结构满足∶光束主瓣的压缩比达到0.8，主瓣的能量损失比为0.93，能量密度比为1.16。
2.根据权利要求1所述的提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿方法而建立的提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿装置，其特征在于它沿激光束前进方向依次为激光器(1)、整形准直系统(2)、光束放大装置(3)和补偿位相板(4)。
3.根据权利要求2所述的提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿装置，其特征在于所述的激光器(1)是一最低阶单横模激光器。
全文摘要
一种提高激光束能量密度的超衍射极限的相位补偿方法及装置，其方法是在最低阶横模激光准直放大系统的最后采用补偿相位板对衍射极限光束进行相位补偿；原理上采用高斯光束传播；在确定相位板的结构时，首先采取反向传递算法由需要的远场压缩光束波面反推相位板的连续相位分布，再采用衍射理论由附加相位分布的高斯光束求取其远场分布，对相位板的分布进行优化；然后对优化的连续相位分布的位相板进行量子化，并同时用衍射理论进行优化处理，最终得到量子化分布的相位结构；该相位板结构满足光束主瓣的压缩比达到0.8，主瓣的能量损失比为0.93，能量密度比为1.16。其装置依次由激光器、整形准直系统、光束放大装置和补偿位相板构成。
文档编号G02F1/35GK1487330SQ0314210
公开日2004年4月7日 申请日期2003年8月8日 优先权日2003年8月8日
发明者滕树云, 刘立人, 祖继锋, 栾竹, 万玲玉 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所