本發(fā)明屬于自動反饋控制，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：

1、在量子光學實驗中，平頂光束起著至關重要的作用。為了確保實驗結(jié)果的準確性，對平頂光束的強度均勻性和位置穩(wěn)定性有極為嚴格的要求。然而，由于實際實驗系統(tǒng)中存在多種干擾因素，生成的平頂光束在強度、均勻性和位置等方面可能在實驗過程中發(fā)生變化，這對實驗結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

技術實現(xiàn)思路

1、針對傳統(tǒng)方法需要頻繁調(diào)節(jié)光學元件，且手動調(diào)整光路中的光學元件的方法難以達到同等的精確度和反應速度的問題，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、為解決上述技術問題，本發(fā)明采用了下列技術方案：

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、計算機、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)制器對入射激光的波前進行調(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應波長的λ/2波片以改變激光的偏振態(tài)，激光在通過波片后到達偏振分束棱鏡pbs，經(jīng)過偏振分束棱鏡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，高壓放大器與計算機連接。

5、進一步，還包括一個圖形用戶界面(gui)，調(diào)整多個關鍵參數(shù)(如曝光時間、幀率、增益等)以優(yōu)化相機的工作狀態(tài)并適應不同實驗需求，所述圖形用戶界面支持實時監(jiān)控相機采集的數(shù)據(jù)，方便用戶對光束的強度分布和均勻性進行調(diào)整，確保最終的光束滿足實驗要求。該圖形用戶界面增強了系統(tǒng)的靈活性和操作便捷性；設計簡潔直觀，用戶可以通過調(diào)整界面中的輸入框快速修改參數(shù)，實時查看圖像變化并進行調(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，生成與目標平頂光束相對應的理想目標圖像，利用光束整形算法mixedregionamplitude?freedom(mraf)生成對應的計算全息圖(cgh)圖，將cgh圖加載至空間光調(diào)制器(slm)，再通過空間光調(diào)制器(slm)對入射光的波前進行調(diào)制，在透鏡的焦平面上生成平頂光束；

8、步驟2，將相機精確地置于透鏡的焦平面上，確保光束垂直入射于相機的正中央；保證相機捕捉到經(jīng)過精確整形的光束圖像，利用python編程語言，實現(xiàn)對相機的控制，自動化完成平頂光束的圖像采集過程，并對圖像進行識別和分析；

9、步驟3，當平頂光束逐漸趨于穩(wěn)定后，在圖像識別前需設置識別閾值以確保準確識別出平頂光束區(qū)域；設定識別區(qū)域為特定的幾何形狀，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)域標示出來后，計算出其幾何中心的坐標，并將該坐標設定為幾何中心基準，同時用特定符號標注該幾何中心以供參考；

10、步驟4，設定一個距離閾值以定義平頂光束可接受的最大偏移量；當光束的位置偏移超過該閾值時，系統(tǒng)將通過圖像識別技術精確計算出平頂光束質(zhì)心的具體偏移量，并將該數(shù)值反饋給計算機；判斷偏移是否超過距離閾值；若未超過距離閾值，則繼續(xù)監(jiān)測和識別；若超過距離閾值，計算機則控制高壓放大器輸出電壓信號，壓電陶瓷通過響應電壓信號實現(xiàn)鏡架的微小位移，從而精確調(diào)整光束的方向和位置，將平頂光束恢復到預定的位置；

11、步驟5，位置校準完成后，對相機捕獲的平頂光束圖像進行強度分析；將平頂光束圖像劃分為多個子區(qū)域，計算每個子區(qū)域內(nèi)像素值的平均值，并進一步求出所有子區(qū)域平均值的標準差，表示為：

12、

13、其中：σ是標準差；n是子區(qū)域的數(shù)量；xn是每個子區(qū)域的像素平均值；μ是所有子區(qū)域值的平均值，計算公式為：

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

15、xre＝xtarget*(ratio*0.7+1)

16、其中，xre表示重建目標圖中每個子區(qū)域的像素值；xtarget表示初始理想目標圖像中的像素值；ratio是所有子區(qū)域的平均值與某個子區(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，完成目標圖的重建后，新的目標圖會被輸入到算法中生成新的平頂光束；隨后，通過相機捕捉光束圖像并進行強度分析，繼續(xù)進行目標圖的重建；反復循環(huán)直到平頂光束的均勻性達到預設要求，終止優(yōu)化過程。

18、進一步，所述步驟3中的識別閾值應既能涵蓋整個平頂光束區(qū)域，又能有效避免將低強度的雜散光誤識別為光束的一部分。

19、進一步，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)計算的，表示為：

20、e(t)＝xref–x(t)

21、其中，e(t)是目標質(zhì)心位置xref與實際質(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，決定高壓放大器對位置偏差的即時響應；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是在計算從開始到當前時刻t的積分過程中使用的一個變化的時間標識，t是當前時刻，是一個確定的時間點。

25、進一步，所述步驟4中壓電陶瓷通過響應電壓信號實現(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。

29、當壓電陶瓷接收到電壓信號vpid時，它將驅(qū)動鏡架產(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元件的角度和位置，從而實現(xiàn)對光束的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)會將高壓放大器輸出的電壓信號調(diào)整到適合驅(qū)動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)有技術相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

31、本發(fā)明通過mraf算法生成任意幾何形狀的平頂光束，再通過閉環(huán)反饋實時控制光束位置，不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動化水平，還縮短了調(diào)整時間，提升了系統(tǒng)響應速度。此外，本發(fā)明可以在不改變實驗光路的情況下，動態(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)光學元件的麻煩。本系統(tǒng)能夠?qū)⒐馐木瓤刂圃谖⒚准墸⑼ㄟ^反饋機制自動調(diào)整光束位置和強度分布，適應不同實驗環(huán)境的變化，確保光束的質(zhì)量始終達到高標準。相比于現(xiàn)有技術，本系統(tǒng)的高精度和高效率使其更加適用于對光束要求極高的量子光學實驗和精密測量。

32、本系統(tǒng)通過閉環(huán)反饋控制和實時圖像處理技術，實現(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mraf算法生成平頂光束，并利用相機實時捕捉光束圖像，計算光束的質(zhì)心位置和強度分布。在檢測到光束位置偏移或非均勻性過高時，計算機會控制高壓放大器調(diào)整壓電陶瓷，以恢復光束的穩(wěn)定性和均勻性。通過不斷迭代目標圖的重建和優(yōu)化，系統(tǒng)能夠確保平頂光束在強度、位置和均勻性方面達到實驗要求，從而提升實驗精度和效率。該系統(tǒng)為量子光學實驗等高精度應用提供了強有力的支持。