本發(fā)明屬于自動(dòng)反饋控制，具體涉及一種平頂光束均勻性優(yōu)化與質(zhì)心位置控制的反饋系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，平頂光束起著至關(guān)重要的作用。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)平頂光束的強(qiáng)度均勻性和位置穩(wěn)定性有極為嚴(yán)格的要求。然而，由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中存在多種干擾因素，生成的平頂光束在強(qiáng)度、均勻性和位置等方面可能在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生變化，這對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)傳統(tǒng)方法需要頻繁調(diào)節(jié)光學(xué)元件，且手動(dòng)調(diào)整光路中的光學(xué)元件的方法難以達(dá)到同等的精確度和反應(yīng)速度的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種平頂光束均勻性優(yōu)化與質(zhì)心位置控制的反饋系統(tǒng)和方法。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案：

3、一種平頂光束均勻性優(yōu)化與質(zhì)心位置控制的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：激光器、第一透鏡、第二透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、空間光調(diào)制器、偏振分束棱鏡pbs、消色差透鏡、第四反射鏡、相機(jī)、計(jì)算機(jī)、高壓放大器、壓電陶瓷、λ/2波片；

4、激光器產(chǎn)生激光，分別經(jīng)過(guò)第一透鏡和第二透鏡后，被第一反射鏡反射到空間光調(diào)制器中，然后空間光調(diào)制器對(duì)入射激光的波前進(jìn)行調(diào)制后，將激光出射到第二反射鏡，第二反射鏡將激光反射到第三反射鏡，第三反射鏡將激光反射到對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的λ/2波片以改變激光的偏振態(tài)，激光在通過(guò)波片后到達(dá)偏振分束棱鏡pbs，經(jīng)過(guò)偏振分束棱鏡pbs后的激光入射到消色差透鏡后出射到第四反射鏡，在第四反射鏡鏡架上裝有壓電陶瓷用于調(diào)節(jié)光束的位置；壓電陶瓷與高壓放大器連接，高壓放大器與計(jì)算機(jī)連接。

5、進(jìn)一步，還包括一個(gè)圖形用戶界面(gui)，調(diào)整多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(如曝光時(shí)間、幀率、增益等)以優(yōu)化相機(jī)的工作狀態(tài)并適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)需求，所述圖形用戶界面支持實(shí)時(shí)監(jiān)控相機(jī)采集的數(shù)據(jù)，方便用戶對(duì)光束的強(qiáng)度分布和均勻性進(jìn)行調(diào)整，確保最終的光束滿足實(shí)驗(yàn)要求。該圖形用戶界面增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和操作便捷性；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔直觀，用戶可以通過(guò)調(diào)整界面中的輸入框快速修改參數(shù)，實(shí)時(shí)查看圖像變化并進(jìn)行調(diào)試。

6、一種平頂光束均勻性優(yōu)化與質(zhì)心位置控制的閉環(huán)反饋方法，包括以下步驟：

7、步驟1，生成與目標(biāo)平頂光束相對(duì)應(yīng)的理想目標(biāo)圖像，利用光束整形算法mixedregionamplitude?freedom(mraf)生成對(duì)應(yīng)的計(jì)算全息圖(cgh)圖，將cgh圖加載至空間光調(diào)制器(slm)，再通過(guò)空間光調(diào)制器(slm)對(duì)入射光的波前進(jìn)行調(diào)制，在透鏡的焦平面上生成平頂光束；

8、步驟2，將相機(jī)精確地置于透鏡的焦平面上，確保光束垂直入射于相機(jī)的正中央；保證相機(jī)捕捉到經(jīng)過(guò)精確整形的光束圖像，利用python編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)的控制，自動(dòng)化完成平頂光束的圖像采集過(guò)程，并對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別和分析；

9、步驟3，當(dāng)平頂光束逐漸趨于穩(wěn)定后，在圖像識(shí)別前需設(shè)置識(shí)別閾值以確保準(zhǔn)確識(shí)別出平頂光束區(qū)域；設(shè)定識(shí)別區(qū)域?yàn)樘囟ǖ膸缀涡螤?，與平頂光束的幾何形狀一致；使用某種顏色的邊框?qū)⑵巾敼馐鴧^(qū)域標(biāo)示出來(lái)后，計(jì)算出其幾何中心的坐標(biāo)，并將該坐標(biāo)設(shè)定為幾何中心基準(zhǔn)，同時(shí)用特定符號(hào)標(biāo)注該幾何中心以供參考；

10、步驟4，設(shè)定一個(gè)距離閾值以定義平頂光束可接受的最大偏移量；當(dāng)光束的位置偏移超過(guò)該閾值時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)精確計(jì)算出平頂光束質(zhì)心的具體偏移量，并將該數(shù)值反饋給計(jì)算機(jī)；判斷偏移是否超過(guò)距離閾值；若未超過(guò)距離閾值，則繼續(xù)監(jiān)測(cè)和識(shí)別；若超過(guò)距離閾值，計(jì)算機(jī)則控制高壓放大器輸出電壓信號(hào)，壓電陶瓷通過(guò)響應(yīng)電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)鏡架的微小位移，從而精確調(diào)整光束的方向和位置，將平頂光束恢復(fù)到預(yù)定的位置；

11、步驟5，位置校準(zhǔn)完成后，對(duì)相機(jī)捕獲的平頂光束圖像進(jìn)行強(qiáng)度分析；將平頂光束圖像劃分為多個(gè)子區(qū)域，計(jì)算每個(gè)子區(qū)域內(nèi)像素值的平均值，并進(jìn)一步求出所有子區(qū)域平均值的標(biāo)準(zhǔn)差，表示為：

12、

13、其中：σ是標(biāo)準(zhǔn)差；n是子區(qū)域的數(shù)量；xn是每個(gè)子區(qū)域的像素平均值；μ是所有子區(qū)域值的平均值，計(jì)算公式為：

14、步驟6，重建平頂光束的目標(biāo)圖，使得每個(gè)子區(qū)域的像素值根據(jù)全局平均值和均勻性偏差進(jìn)行調(diào)整；

15、xre＝xtarget*(ratio*0.7+1)

16、其中，xre表示重建目標(biāo)圖中每個(gè)子區(qū)域的像素值；xtarget表示初始理想目標(biāo)圖像中的像素值；ratio是所有子區(qū)域的平均值與某個(gè)子區(qū)域的像素值的差，再除以所有子區(qū)域的平均值；

17、步驟7，完成目標(biāo)圖的重建后，新的目標(biāo)圖會(huì)被輸入到算法中生成新的平頂光束；隨后，通過(guò)相機(jī)捕捉光束圖像并進(jìn)行強(qiáng)度分析，繼續(xù)進(jìn)行目標(biāo)圖的重建；反復(fù)循環(huán)直到平頂光束的均勻性達(dá)到預(yù)設(shè)要求，終止優(yōu)化過(guò)程。

18、進(jìn)一步，所述步驟3中的識(shí)別閾值應(yīng)既能涵蓋整個(gè)平頂光束區(qū)域，又能有效避免將低強(qiáng)度的雜散光誤識(shí)別為光束的一部分。

19、進(jìn)一步，所述步驟4中的高壓放大器的輸出電壓vpid是根據(jù)位置偏差e(t)計(jì)算的，表示為：

20、e(t)＝xref–x(t)

21、其中，e(t)是目標(biāo)質(zhì)心位置xref與實(shí)際質(zhì)心位置x(t)的偏差；

22、高壓放大器的輸出表示為：

23、

24、其中：kp是比例增益，決定高壓放大器對(duì)位置偏差的即時(shí)響應(yīng)；ki是積分增益，處理累積的偏差；kd是微分增益，處理位置偏差變化的速度；τ是在計(jì)算從開(kāi)始到當(dāng)前時(shí)刻t的積分過(guò)程中使用的一個(gè)變化的時(shí)間標(biāo)識(shí)，t是當(dāng)前時(shí)刻，是一個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)。

25、進(jìn)一步，所述步驟4中壓電陶瓷通過(guò)響應(yīng)電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)鏡架的微小位移具體方法是：

26、鏡架位移與所施加的電壓成線性關(guān)系，表示為：

27、δx＝α·vpid

28、其中：δx表示壓電陶瓷的位移量；α是壓電陶瓷的位移常數(shù)，單位為μm/v，表示每伏特電壓引起的位移量；vpid是輸出的電壓信號(hào)。

29、當(dāng)壓電陶瓷接收到電壓信號(hào)vpid時(shí)，它將驅(qū)動(dòng)鏡架產(chǎn)生微小的物理位移。這種位移精確控制著反射鏡或其他光學(xué)元件的角度和位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)會(huì)將高壓放大器輸出的電壓信號(hào)調(diào)整到適合驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的電壓范圍，使光束位置能得到快速且精確的校正。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

31、本發(fā)明通過(guò)mraf算法生成任意幾何形狀的平頂光束，再通過(guò)閉環(huán)反饋實(shí)時(shí)控制光束位置，不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動(dòng)化水平，還縮短了調(diào)整時(shí)間，提升了系統(tǒng)響應(yīng)速度。此外，本發(fā)明可以在不改變實(shí)驗(yàn)光路的情況下，動(dòng)態(tài)調(diào)整光束的質(zhì)心位置，避免了傳統(tǒng)方法需要頻繁調(diào)節(jié)光學(xué)元件的麻煩。本系統(tǒng)能夠?qū)⒐馐木瓤刂圃谖⒚准?jí)，并通過(guò)反饋機(jī)制自動(dòng)調(diào)整光束位置和強(qiáng)度分布，適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境的變化，確保光束的質(zhì)量始終達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本系統(tǒng)的高精度和高效率使其更加適用于對(duì)光束要求極高的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)和精密測(cè)量。

32、本系統(tǒng)通過(guò)閉環(huán)反饋控制和實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度的平頂光束生成、位置控制和均勻性優(yōu)化。系統(tǒng)首先通過(guò)mraf算法生成平頂光束，并利用相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉光束圖像，計(jì)算光束的質(zhì)心位置和強(qiáng)度分布。在檢測(cè)到光束位置偏移或非均勻性過(guò)高時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)控制高壓放大器調(diào)整壓電陶瓷，以恢復(fù)光束的穩(wěn)定性和均勻性。通過(guò)不斷迭代目標(biāo)圖的重建和優(yōu)化，系統(tǒng)能夠確保平頂光束在強(qiáng)度、位置和均勻性方面達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，從而提升實(shí)驗(yàn)精度和效率。該系統(tǒng)為量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)等高精度應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。