Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Intelligent Optical Measurement and Detection, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
2 College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
3 Shenzhen Sincevision Technology Co., Ltd., Shenzhen 518055, China
4 National Key Laboratory of Human Factors Engineering, China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China
5 College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
Optical coherence tomography (OCT) allows a direct and precise measurement of laser welding depth by coaxially measuring the keyhole depth and can be used for process monitoring and control. When OCT measurement was taken during single-beam laser welding, the keyhole instability of aluminum welding resulted in highly scattered OCT data and complicated the welding depth extraction methods. As a combination of an inner core beam and an outer ring beam, a novel adjustable ring mode (ARM) laser for producing a stable keyhole was applied to the OCT measurement. Different ARM laser power arrangements were conducted on aluminum and copper. The results indicated that the ring beam greatly improved the stability of the core beam-induced keyhole, and smooth welding depth can be extracted from the concentrated OCT data.
optical coherence tomography adjustable ring mode laser laser welding welding depth Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 011203
1 深圳大学智能光测研究院，广东 深圳 518060
2 深圳大学物理与光电工程学院，广东 深圳 518060
3 深圳市深视智能科技有限公司，广东 深圳 518055
4 长沙天辰激光科技有限公司，湖南 长沙 410100
针对熔深间接测量方法测量精度低的问题，基于光学相干层析（OCT）的激光焊接熔深监测方法通过直接测量熔池小孔深度，实现在线质量监测。该方法基于低相干干涉精密测距原理，将测量光束与焊接光束同轴，具有测量精度高、抗干扰能力强的优点。搭建了基于谱域OCT（SD-OCT）的激光焊接熔深测量系统，在深熔焊条件下测量了熔池小孔深度，并应用百分位滤波算法从测量数据中提取出熔深曲线。针对百分位滤波算法的熔深提取精度受限于OCT测量数据噪声点和该算法需要根据焊接工况来调整滤波参数等问题，提出了一种基于局部离群因子（LOF）和最大值滤波的OCT熔深提取方法，通过与焊缝纵切面的熔深曲线对比发现，熔深提取精度最大提升了32%。实验结果表明，所提方法可有效提高熔深提取精度，且不需要调整算法滤波参数，适用性更强。
激光光学 光学相干层析 激光焊接 熔深监测 小孔深度 百分位滤波 局部离群因子 光学学报
2023, 43(11): 1114002
1 国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙 410073
2 总装备部武汉军代局驻南阳地区军代室， 河南 南阳 473678
随机并行梯度下降 (SPGD)图像匹配方法是一种全新的图像匹配方法，该方法同时对所有的变形参数施加相互统计独立的随机扰动，并以相关系数随机梯度分量代替真实的梯度分量进行迭代运算，使之能够快速地得到最优参数估计。扰动幅度和增益系数选取是该方法亟需解决的关键性问题，目前能否对不同的变形情况选取相同的具有普遍适应性的预设参数，或是需要对不同的变形情况自适应更新参数以达到最优化匹配效果都还没有得到较好的回答。本文一方面探索该方法在不同预设条件下的极限匹配性能；另一方面初步总结出扰动幅度和增益系数对该方法匹配性能影响的规律，在此基础上研究了分级参数更新策略，使该问题得到进一步解决。
随机并行梯度下降 图像匹配 扰动幅度 增益系数 极限匹配性能 目标跟踪 stochastic parallel gradient descent image matching disturbance amplitude gain coefficient limit matching capability target tracking
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 长沙 410073
在随机并行梯度下降(SPGD)自适应光学(AO)中, SPGD算法通过直接对系统的性能评价函数进行优化从而校正波前像差, 有可能实现实时校正, 具有很强的应用潜力。 SPGD算法的收敛速度与控制单元的数目、性能评价函数的选取、增益系数及扰动幅度的取值等密切相关。通过仿真的方法, 研究了控制单元数对 SPGD AO系统在静态波前校正中收敛速度的影响, 得出了收敛所需迭代步数与控制单元数成线性关系的结论; 仿真了 SPGD AO系统在不同迭代速率或不同风速下的动态波前校正, 为系统控制单元数的选取提供了参考。
自适应光学 随机并行梯度下降算法 控制变量 adaptive optics SPGD control unit
国防科技大学 光电科学与工程学院,湖南 长沙 410073
尽管无波前传感自适应光学技术可不受闪烁效应等波前畸变条件的限制,能够有效地补偿高能激光的波前畸变以提高光束质量,但是激光器光强起伏和噪声干扰对校正效果却存在严重的影响。分析了光强起伏和噪声干扰对随机并行梯度下降(SPGD)算法光束净化效果的影响,并进行了相关实验研究。理论分析表明,在光强起伏频率大于等于算法扰动频率时,系统性能随着光强起伏增加而降低;在低频光强起伏时,SPGD算法的抗干扰能力较强。为消除光强起伏对校正效果的影响,提出采用桶中功率作为系统性能评价函数的光束净化方案,理论分析和实验结果都表明,该方案能够有效地消除光强起伏和噪声干扰对校正效果的影响,实现接近校正极限的理想校正效果。
激光光学 光束净化 随机并行梯度下降算法 光强起伏 性能评价函数 桶中功率
国防科学技术大学 光电科学与工程学院,湖南 长沙 410073
主振荡功率放大器(MOPA)固体激光系统中的功率放大器会将热致波前畸变引入到被放大的激光束中,造成输出光束质量变差,可以通过自适应光学(AO)系统实时补偿光束的波前畸变以改善光束质量。采用随机并行梯度下降(SPGD)算法控制一个37单元变形镜,通过光电探测器测量远场光斑的桶中功率作为评价光束质量的判据,建立了一个迭代速率为100 Hz的最优化自适应光学系统,对由Nd:YAG主振荡器与Nd:YAG功率放大器组成的MOPA激光系统在不同抽运电流情况下的输出光束进行了净化实验。结果显示,净化后光束质量都得到了提高,甚至β因子大于9的光束在净化后其β因子也减小了58%,表明基于随机并行梯度下降算法的自适应光学方法确实可以用于光束净化。
自适应光学 光束净化 随机并行梯度下降算法 主振荡功率放大器 固体激光
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
为提高基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的高分辨率自适应光学(AO)系统的有效校正带宽, 提出了分级SPGD波前校正的方法。在每一级SPGD波前校正中, 将高分辨率波前校正器的控制单元按位置分成多组, 每一组都施加相同的控制电压作为一个控制变量。采用的校正级越高, 独立的控制变量的数目也越多。多级SPGD自适应光学系统按从低到高的等级顺序对畸变波前进行校正。以一个具有16×16控制单元的分立活塞式波前校正器为基础建立了基于3级SPGD波前校正的自适应光学系统的数值模型, 并针对大气湍流引起的某一帧随机相位屏做了模拟校正实验。结果表明采用分级波前校正后收敛速度提高了23%, 此方法确实提高了基于随机并行梯度下降算法的自适应光学系统的有效校正带宽。
自适应光学 随机并行梯度下降算法 多级波前校正 高分辨率波前校正器 有效校正带宽
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
自适应光学技术可用于补偿高能激光系统出射光束的波前畸变以改善光束质量。为研究随机并行梯度下降(SPGD)自适应光学方法用于光束净化的可行性,分别采用高速光电探测器和高速变形镜作为系统性能评价函数的测量器件和波前校正器件,搭建了迭代速率为100 Hz的SPGD自适应光学系统,并且对通电电阻丝产生的湍流所造成的动态波前畸变进行了实时校正。实验结果显示,此套自适应光学系统能够对在4 Hz以下频率范围内缓慢变化的动态波前畸变进行实时校正,针孔中远场光斑的能量提高2.2倍,稳定性提高1.4倍。这表明SPGD自适应光学系统用于光束净化是可行的。
自适应光学 光束净化 随机并行梯度下降 动态畸变 针孔
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
高能激光系统中通常包含光束净化装置以对激光器出射光束的波前畸变进行连续校正。为研究随机并行梯度下降自适应光学方法在光束净化问题上的可行性, 按算法运行时序连续改变37单元变形镜的面形, 以在实验光路中引入高能激光器输出光束的常见动态波前畸变, 同时采用随机并行梯度下降算法控制同一变形镜对此动态畸变进行校正。实验结果显示, 在事先消除系统初始像差的情况下, 系统分别以1 kHz和2 kHz的模拟迭代速率工作时, 激光束的动态像差都得到了充分抑制, 光束质量在整个校正时段内始终维持在较好水平。这表明随机并行梯度下降自适应光学方法应用在光束净化系统中是可行的。
自适应光学 光束净化 随机并行梯度下降 动态畸变 变形镜
国防科技大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
基于随机并行梯度下降(SPGD)方法的自适应光学(AO)系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。为了提高这种无模型优化自适应光学系统的收敛速度, 提出了基于分区域耦合的新方法以改进传统随机并行梯度下降自适应光学系统的工作方式。将波前校正器光学孔径分成多块子区域, 每块子区域对应着的所有驱动器作为一个整体控制单元, 从形式上可以得到一个空间分辨率较低的分区域波前校正器。该校正器与原校正器同步工作, 并采用随机并行梯度下降算法对同一个性能评价函数进行优化, 从而构成了双校正器的耦合工作结构。对256单元分立活塞式波前校正器建立了自适应成像系统的数值模型, 结果表明这种分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学系统比传统随机并行梯度下降自适应光学系统具有更快的收敛速度和更好的渐近态。
自适应光学 随机并行梯度下降 分区域耦合 双波前校正器
