专利名称：一种用于观察光斑方位变换的装置和光束整形方法
技术领域：
本发明涉及本发明涉及光电子与激光技术领域，具体地说，本发明涉及一种用于观察光斑方位变换的装置和光束整形方法。
背景技术：
大型复杂激光器中往往有众多的诸如转子、波片、全反镜等光学元件，这些元件会使光斑发生翻转、旋转。为方便描述，本发明将光斑的翻转、旋转称为光斑的方位变换。目前，还没有辅助观察这种光斑的方位变换的装置，一般只能直接观察输出光斑和初始光斑，然后推测输出光斑相对于初始光斑的方位变换关系。然而，光斑的形状往往是对称的，对于此类光斑，很难通过直接观察得出其方位变换关系。图I示出了初始光斑和输出光斑的一个实例，其中左侧图为进入激光器的初始光斑，右侧图为CCD在激光器出口采集到的输出光斑，显然，这个例子中，通过直接观察，很难看出光斑发生了怎样的方位变换。 所以，当前迫切需要一种能够使观察光斑方位变换更加简单的辅助装置以及相应的观察光斑方位变换的方法。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够使观察光斑方位变换更加方便的辅助装置。本发明的目的之二是提供一种基于用于观察光斑方位变换的装置的光束整形方法。根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于观察光斑方位变换的装置，包括透光体，所述透光体中具有多个遮光孔，并且所述多个遮光孔组成不对称的图案。其中，所述透光体中具有四个遮光孔，其中三个遮光孔分别处于另一遮光孔的不同方向的位置，且所述的三个遮光孔与另一遮光孔的距离各不相同。其中，所述四个遮光孔中，第二遮光孔处于第一遮光孔的右侧位置，第三遮光孔处于第一遮光孔的下侧位置，第四遮光孔处于第一遮光孔的对角位置。其中，所述第二遮光孔与第一遮光孔的距离显著区别于第三遮光孔与第一遮光孔的距离。其中，所述透光体的透光区与遮光圆孔的边缘处具有过渡带，该过渡带中光的透过率逐渐由全透变为不透。其中，透光区与遮光圆孔的边缘处具有过渡带的所述透光体由写入灰度图像的液晶空间光调制器实现。其中，所述用于观察光斑方位变换的装置还包括沿着光路依次设置的起偏器、左旋45°转子、右旋45°转子和检偏器，所述液晶空间光调制器设置在左旋45°转子和右旋45°转子之间，所述起偏器和检偏器呈正交放置。其中，所述用于观察光斑方位变换的装置还包括沿着光路依次设置的起偏器、两个二分之一玻片和检偏器，所述液晶空间光调制器设置在两个所述二分之一玻片之间，所述起偏器和检偏器呈正交放置。其中，所述起偏器为偏振分光棱镜或偏振片。根据本发明的另一方面，本发明提供了一种基于用于观察光斑方位变换的装置的光束整形方法，包括下列步骤I)利用所述的用于观察光斑方位变换的装置，获得输出光斑相对于初始光斑的方位变换关系；2)调整初始光斑各区域的强度分布，使得输出光 斑对应的区域的光强发生相应的改变，从而实现光束的空间整形。与现有技术相比，本发明具有下列技术效果I、本发明能够方便、快速、准确地得出复杂激光器(或激光系统)的输出光斑相对于初始光斑的方位变换关系。2、本发明能够实现光束空间整形，且整形效果好、速度快、操作方式简便。
图I示出了初始光斑和输出光斑的一个实例；图2示出了本发明一个实施例的用于观察光斑方位变换的装置的平面示意图；图3 (a)至(h)示出了使初始光斑通过图2的光阑后所得输出光斑的各种情形的示意图；图4示出了输出光斑在一个维度上变长的情况的示意图；图5示出了本发明一个实施例中遮光孔边缘处具有过渡带的示意图；图6示出了本发明中一个遮光圆孔的边缘处具有过渡带的用于观察光斑方位变换的装置的实现方案的光路示意图；图7示出了本发明一个优选实施例中的遮光孔所组成的不对称的图案。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。图2示出了本发明一个实施例的用于观察光斑方位变换的装置的平面示意图，如图2所示，该装置整体上是一个方形的透光体，在该透光体中具有四个遮光圆孔，形成一个光阑。具体的，如图2所示，方形光阑的边长为L，第一圆孔I圆心到两条临边(两条临边是指方形的透光体的靠近所述圆孔的两条边，下文中不再赘述)的距离H=L/4，第二圆孔2在第一圆孔I的右侧位置，且第二圆孔2圆心到第一圆孔I圆心的距离K=L/2，第二圆孔2圆心到两条临边的距离H=L/4，第四圆孔4在第一圆孔I的对角位置，且第四圆孔4圆心到两条临边的距离也为H，第三圆孔3在第一圆孔I的下侧位置，且第三圆孔3圆心到第一圆孔I圆心的距离为K/2。可以看出，第二圆孔2、第三圆孔3、第四圆孔4分别位于第一圆孔I的不同方向的位置处，且第二圆孔2、第三圆孔3、第四圆孔4与第一圆孔I的距离各不相同，这样这四个圆孔就可以组成一个不对称的图案。使初始光斑通过该光阑，所得的输出光斑中将会出现对应于所述第一圆孔I、第二圆孔2、第三圆孔3、第四圆孔4的四个黑斑，根据这四个黑斑所指示的方向，即可得出输出光斑相对于初始光斑的方位变换关系。图3 (a)至(h)示出了使初始光斑通过图2的光阑后所得输出光斑的各种情形的示意图。一般地，使初始光斑通过图2的光阑，经过大型复杂激光器，再由CCD采集得到输出光斑。该输出光斑主要存在八种情形，其中，图3 (a)为光斑方位没发生变换的输出光斑示意图，图3 (b)为光斑顺时针旋转90°的输出光斑示意图，图3 (c)为光斑顺时针旋转180°的输出光斑示意图，图3 (d)为光斑逆时针旋转90°的输出光斑示意图，图3 (e)为光斑左右翻转的输出光斑示意图，图3 (f)为光斑上下翻转的输出光斑示意图，图3 (g)为光斑左右翻转再顺时针旋转90°的输出光斑示意图，图3 (h)为光斑左右翻转再逆时针旋转90。的输出光斑示意图。容易理解，只要判断出输出光斑属于图3 (a)至(h)中的哪种，即可方便、快速、准确地得出输出光斑相对于初始光斑的方位变换关系。光斑在大型复杂激光器中长距离传输后，有时会出现输出光斑在一个维度上变长的情况，如图4所示。上述实施例中，由于第一圆孔I圆心到第二圆孔2圆心的距离与第一圆孔I圆心到第三圆孔3圆心的距离有显著的差别，因此，即便光斑在一个维度上变长，仍然能够方面地判断出输出光斑中四个黑斑的关系(即方便地区分出第一圆孔I至第二圆孔2和第一圆孔I至第三圆孔3这两个方向)，从而快速准确地观察光斑方位发生了什么变换。当然，在另一个实施例中，也可以在第一圆孔I和第二圆孔2之间增加一个圆孔，这样同样 可以区分出第一圆孔I至第二圆孔2和第一圆孔I至第三圆孔3这两个方向。需要说明的是，在其它实施例中，只要第一圆孔I圆心到第二圆孔2圆心的距离与第一圆孔I圆心到第三圆孔3圆心的距离存在区别即可，在输出光斑不变形的情况下，也能达到准确观察光斑方位变换的效果。在一个优选实施例中，所述透光体的透光区与遮光圆孔的边缘处具有过渡带，该过渡带中光的透过率逐渐由全透变为不透，如图5所示。这样使得遮光圆孔的边缘处被软化，能够抑制或避免光斑内部出现衍射条纹，从而使得输出光斑更加便于观察。在具体实现上，所述透光体可由液晶空间光调制器实现，通过在液晶空间光调制器写入图像可以方便地实现其遮光圆孔边缘处的过渡带。另外，光阑的边长，圆孔的半径都可以根据入射光斑的大小随意快捷的修改。图6示出一个遮光圆孔的边缘处具有过渡带的用于观察光斑方位变换的装置的实现方案的光路示意图。参考图6，该用于观察光斑方位变换的装置包括沿着光路依次设置的偏振分光棱镜I (即Polarization Cube Beamsplitter,缩写为PBS)、左旋45。转子
2、液晶空间光调制器3、右旋45 °转子4和偏振分光棱镜5。其中，通过在液晶空间光调制器3中写入图像可以方便地形成其中具有多个遮光孔的透光体，并且所述多个遮光孔组成不对称的图案。该实施例中，第一个PBS起到起偏器的作用(容易理解，PBS也可以用偏振片代替)，它使光的偏振态水平。左旋45°转子将偏振态水平的光左旋45° ,这样可以使光的偏振态与液晶空间光调制器的液晶分子长轴成45°，从而使液晶空间光调制器的振幅调制达到最大。偏振态左旋45°的光经过液晶空间光调制器时偏振态被旋转90°，再由右旋45°转子使光偏振态转为垂直，最后通过垂直放置的偏振分光棱镜5 (起到检偏器的作用)出射。从上述实施例中可以看出，液晶空间光调制器前后要有一对正交的偏振装置(即前偏器和检偏器垂直)。可以是一对PBS，也可以是一对偏振片。前面的偏振装置负责起偏，水平偏振态经过，后面的偏振装置负责检偏，垂直偏振态经过。另外，根据本发明的另一优选实施例，上述左旋45°转子和右旋45°转子也可以用两个二分之一波片代替，入射的线偏光与二分之一波片的光轴夹角为22. 5°，同样能够起到使光的偏振态旋转45°的效果。
另外，本领域技术人员易于理解，本发明中透光体不限于方形，遮光孔也不限于圆形(例如可以为方形)。并且，遮光孔的个数和位置组合也可以不同于上述实施例，只要多个遮光孔组成不对称的图案，即可达到辅助观察光斑方位变换关系的目的。在优选实施例中，所述不对称的图案需满足以下要求该图案的原始状态、顺时针旋转90°、顺时针旋转180°、逆时针旋转90°、左右翻转、上下翻转、左右翻转再顺时针旋转90°、左右翻转再逆时针旋转90°等八种状态各不相同，例如图2、图7所示的图案。这样能够帮助观察着更加准确地判断光斑方位变换关系。
根据本发明的另一实施例，还提供了一种基于上述用于观察光斑方位变换的装置的光束整形方法。为便于理解，先结合图I对光束整形进行说明。参考图1，从图I右图可以看出，输出光斑的四个角较亮(而四个角亮的程度和区域也不同)，而中间区域较暗，如果想得到整个区域亮度均匀的光斑就需要对光束进行空间整形。如果得出初始光斑与C⑶采集到的所输出光斑的方位变换关系，即可以通过改变初始光斑的强度分布，控制CCD上亮度高的地方所对应的初始光斑的区域变暗，从而达到对光束进行空间整形的目的。结合前文分析，本实施例的光束整形方法包括下列步骤I)利用所述的用于观察光斑方位变换的装置，获得输出光斑相对于初始光斑的方位变换关系；2)调整初始光斑各区域的强度分布，使得输出光斑对应的区域的光强发生相应的改变，从而实现光束的空间整形。另外，本实施例的光束整形方法可以配合其它光束整形方法使用，用本实施例的方法对输出光束先做初步整形，再用其它光束整形方法对光束做进一步空间整形，能够达到很好的效果。与现有的光束整形技术相比，本发明具有下列技术效果。I、整形效果好；整形后的效果用近场调制度来衡量，近场调制度=采集光斑灰度的最大值/采集光斑灰度的平均值。采用本发明整形后近场调制度可达到I. 2左右，一般的整形技术近场调制度在I. 4左右。2、整形速度快；3、整形操作方式简单。最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于观察光斑方位变换的装置，其特征在于，包括透光体，所述透光体中具有多个遮光孔，并且所述多个遮光孔组成不对称的图案。
2.根据权利要求I所述的用于观察光斑方位变换的装置，其特征在于，所述透光体中具有四个遮光孔，其中三个遮光孔分别处于另一遮光孔的不同方向的位置，且所述的三个遮光孔与另一遮光孔的距离各不相同。
3.根据权利要求2所述的用于观察光斑方位变换的装置，其特征在于，所述四个遮光孔中，第二遮光孔处于第一遮光孔的右侧位置，第三遮光孔处于第一遮光孔的下侧位置，第四遮光孔处于第一遮光孔的对角位置。
4.根据权利要求3所述的用于观察光斑方位变换的装置，其特征在于，所述第二遮光孔与第一遮光孔的距离显著区别于第三遮光孔与第一遮光孔的距离。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的用于观察光斑方位变换的装置，其特征在于，所述透光体的透光区与遮光圆孔的边缘处具有过渡带，该过渡带中光的透过率逐渐由全透变为不透。
6.根据权利要求5所述的用于观察光斑方位变换的装置，其特征在于，所述透光体由写入灰度图像的液晶空间光调制器实现。
7.根据权利要求6所述的用于观察光斑方位变换的装置，其特征在于，所述用于观察光斑方位变换的装置还包括沿着光路依次设置的起偏器、左旋45°转子、右旋45°转子和检偏器，所述液晶空间光调制器设置在左旋45°转子和右旋45°转子之间，所述起偏器和检偏器呈正交放置。
8.根据权利要求6所述的用于观察光斑方位变换的装置，其特征在于，所述用于观察光斑方位变换的装置还包括沿着光路依次设置的起偏器、两个二分之一玻片和检偏器，所述液晶空间光调制器设置在两个所述二分之一玻片之间，所述起偏器和检偏器呈正交放置。
9.根据权利要求7或8所述的截取光斑的装置，其特征在于，所述起偏器为偏振分光棱镜或偏振片。
10.一种基于权利要求I至4中任一项所述的用于观察光斑方位变换的装置的光束整形方法，其特征在于，包括下列步骤 .1)利用所述的用于观察光斑方位变换的装置，获得输出光斑相对于初始光斑的方位变换关系； .2)调整初始光斑各区域的强度分布，使得输出光斑对应的区域的光强发生相应的改变，从而实现光束的空间整形。
全文摘要
本发明提供一种用于观察光斑方位变换的装置，其特征在于，包括透光体，所述透光体中具有多个遮光孔，并且所述多个遮光孔组成不对称的图案。本发明还提供了基于所述用于观察光斑方位变换的装置的光束整形方法。本发明能够方便、快速、准确地得出复杂激光器(或激光系统)的输出光斑相对于初始光斑的方位变换关系。并且，本发明能够方便地实现光束空间整形。
文档编号G02B27/28GK102879905SQ20121034016
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者邱基斯, 樊仲维, 唐熊忻 申请人:北京国科世纪激光技术有限公司