一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置及使用方法

本发明涉及激光聚焦，特别是一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置及使用方法。

背景技术：

1、激光聚焦在工艺加工、生物医学、材料科学、大气光学等领域都有着重要的作用。如激光切割、激光焊接、共聚焦显微成像、激光导星技术等都需要聚焦。传统的激光聚焦光路由激光源、透镜等光学元件组成。光路对振动非常敏感，往往光源发生很小的位移或旋转，焦点也会随之移动甚至不复存在，所以传统激光聚焦光路的稳定性和抗振性较差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置及使用方法，该装置和方法能够在光源或系统振动时，利用散射介质相邻入射光通道之间的强相关性，抵消振动导致的入射光相位平移过程中的焦点位置变化。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置，依次包括激光器、反射式旋转衰减片、第一可调圆形光阑、激光扩束器、第二可调圆形光阑、半波片、立方体偏振分束器、空间光调制器、第一透镜、第三可调圆形光阑、第二透镜、第一物镜、散射介质、第二物镜、coms光电探测器；

3、所述激光器作为光源发射激光，经过反射式旋转衰减片和第一可调圆形光阑后将激光整形为圆形光斑；随后经过激光扩束器实现入射光的准直和扩束；扩束后的激光经过第二可调圆形光阑、半波片、立方体偏振分束器后，以水平偏振状态入射到空间光调制器的调制平面上；调制后的入射光经过第一透镜、第三可调圆形光阑、第二透镜组成的4f滤波系统，由第一物镜收集聚焦到散射介质前表面上；经过散射介质作用后的出射光由第二物镜收集，最后被coms光电探测器接收并记录光强信息。

4、本发明还提供了一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置的使用方法，采用了上述的一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置，包括以下步骤：

5、步骤s1：打开激光器和空间光调制器，在空间光调制器上加载相位矫正图和闪耀光栅灰度图，搭建抗振光路，同时该光路作为后续传输矩阵测量和聚焦光路；

6、步骤s2；在空间光调制器上加载不同输入光对应的相位灰度图，使用四步相移法调制输入光的相位，并通过coms光电探测器采集各个相移下的输出散斑图；

7、步骤s3；将采集的散斑图转换为矩阵数据，并带入计算公式，即可得到被测散射介质的传输矩阵；

8、步骤s4；使用相位共轭方法计算得到相位掩膜，加载到空间光调制器上实现在指定位置的抗振动聚焦。

9、在一较佳的实施例中，所述步骤2具体包括在搭建光路的时候打开空间光调制器，在调制表面加载相位矫正图，实现相位矫正以精准调制入射光；同时，在调制表面加载闪耀光栅灰度图，将没有调制的零级衍射光分离出来，再通过4f滤波系统对调制过的一级衍射光进行选择和滤波。

10、在一较佳的实施例中，步骤3具体包括将空间光调制器划分为n个超像素，每个超像素由6*6个小像素组成，并作为散射介质测量系统的输入自由模式；将输入光以哈达玛基形式入射，对第n个输入光波当其相位改变α时，根据光的干涉叠加原理，第m个出射通道上的光强为：

11、

12、公式中，sm代表参考光经介质散射后在coms光电探测器第m个输出通道产生的光场的复振幅，为sm共轭转置，re(.)代表取实部；当α分别取0，π/2、π、3π/2时，第m个输出通道上的光强分布分别为与待测散射介质的传输矩阵实部成正比，与待测散射介质的传输矩阵虚部成正比，因此，第m个输出通道下强度与矩阵元素kmn的关系为：

13、

14、对特定的输出通道，是一个恒定的值，即看成已知的，而不同相位角α下的光强由coms光电探测器直接测得，将采集的数据带入公式，即可测得散射介质的传输矩阵元素kmn；

15、重复上述步骤，改变输入自由模式从1到n，并对每一个输入自由模都进行四步相移，采集对应输出光强，带入公式后计算出所有kmn，即得到整个样品的复数传输矩阵。

16、在一较佳的实施例中，步骤4具体包括使用相位共轭方法计算得到相位掩膜：假设需要的输出光场为计算出测量得到的复传输矩阵的复共轭矩阵th，则所需输入光场为：将计算结果转换为灰度相位掩膜加载到空间光调制器上，即实现在指定位置的聚焦。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、(1)本发明中的光路简单且易于搭建，测量散射介质传输矩阵时采用单臂测量系统，不需要独立的参考光，稳定性高。

19、(2)本发明采用纯相位空间光调制器生成闪耀光栅对入射光进行调制，可以根据光路需要调整光栅参数，无需加工实际的光栅元件，操作灵活，成本低。

20、(3)本发明使用闪耀光栅，分离出空间光调制器产生的没有调制效果的零级衍射光，同时采用4f系统对空间光调制器后有效调制的一级衍射光进行滤波，有效减少了光路中的无效光与高频噪声的干扰，使获得的散射介质传输矩阵更加精确。

21、(4)本发明利用了散射介质相邻入射传输通道间的相关性，有效抵消了入射光变化导致相位变化，从而消除对散射介质后聚焦点产生的影响，提高整个系统的抗振性。

技术特征：

1.一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置，其特征在于，依次包括激光器、反射式旋转衰减片、第一可调圆形光阑、激光扩束器、第二可调圆形光阑、半波片、立方体偏振分束器、空间光调制器、第一透镜、第三可调圆形光阑、第二透镜、第一物镜、散射介质、第二物镜、coms光电探测器；

2.一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置的使用方法，其特征在于采用了上述权利要求1所述的一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置的使用方法，其特征在于，所述步骤2具体包括在搭建光路的时候打开空间光调制器，在调制表面加载相位矫正图，实现相位矫正以精准调制入射光；同时，在调制表面加载闪耀光栅灰度图，将没有调制的零级衍射光分离出来，再通过4f滤波系统对调制过的一级衍射光进行选择和滤波。

4.根据权利要求2所述的一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置的使用方法，其特征在于，步骤3具体包括将空间光调制器划分为n个超像素，每个超像素由6*6个小像素组成，并作为散射介质测量系统的输入自由模式；将输入光以哈达玛基形式入射，对第n个输入光波当其相位改变α时，根据光的干涉叠加原理，第m个出射通道上的光强为：

5.根据权利要求2所述的一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置的使用方法，其特征在于，步骤4具体包括使用相位共轭方法计算得到相位掩膜：假设需要的输出光场为计算出测量得到的复传输矩阵的复共轭矩阵th，则所需输入光场为：将计算结果转换为灰度相位掩膜加载到空间光调制器上，即实现在指定位置的聚焦。

技术总结
本发明提供了一种利用强散射介质进行激光抗振动聚焦装置及使用方法，依次包括激光器、反射式旋转衰减片、第一可调圆形光阑、激光扩束器、第二可调圆形光阑、半波片、立方体偏振分束器、空间光调制器、第一透镜、第三可调圆形光阑、第二透镜、第一物镜、散射介质、第二物镜、COMS光电探测器；应用本技术方案可实现利用散射介质相邻入射光通道之间的强相关性，抵消振动导致的入射光相位平移过程中的焦点位置变化。

技术研发人员：黄峰,彭霏,刘宇
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12