專利名稱：大功率激光波前測量儀及波前測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光技術(shù)測量領(lǐng)域，具體地說是一種解決多路大功率激光相干合成中單路激光波前分析及任意兩路激光的相位差測量的測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)能夠解決功率在萬瓦級別的激光波前測量。
背景技術(shù)：
提高激光波前性能是提高激光光束質(zhì)量的重要手段，因此，激光波前特性既是激光器性能的一個技術(shù)指標(biāo)，也是光束質(zhì)量的一個評價指標(biāo)。針對大功率激光裝置，出射激光的波前畸變以及大氣湍流效應(yīng)會對近場光束質(zhì)量，聚焦特性以及激光傳輸能力產(chǎn)生影響。因此，對中高頻位相畸變進行抑制和補償成為保證激光光束質(zhì)量的關(guān)鍵，而基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光波前畸變補償手段是以準(zhǔn)確探測激光波前特性為前提，因此準(zhǔn)確探測激光波前具有十分重要的意義。隨著光束波前探測技術(shù)的發(fā)展，各種波前分析儀應(yīng)運而生。從測量原理上可以分成兩類一類是根據(jù)幾何光學(xué)原理，測定波前幾何象差或面形誤差，主要有哈特曼一夏克 (Hartmann-Shack)波前分析儀，曲率分析儀和Pyramid波前分析儀；另一類是基于干涉測量原理，探測波前不同部分的干涉性以獲取波前信息，主要有剪切干涉儀波前分析儀和相位獲取分析儀。而光學(xué)與微電子技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的二元光學(xué)技術(shù)制作微陣列透鏡方法的成熟，CCD傳感器與靈巧的微陣列透鏡及相應(yīng)計算機技術(shù)結(jié)合，使得哈特曼-夏克方法產(chǎn)生了突破，這就為研制大功率激光波前測量系統(tǒng)提供了新思路。傳統(tǒng)的剪切干涉儀的優(yōu)點是可省去標(biāo)準(zhǔn)的參考光學(xué)表面，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定。其弱點是對測量環(huán)境較為敏感，剪切后形成的干涉圖形判讀比較困難，波前復(fù)原繁瑣，難以適用于大口徑衍射極限波面的高精度檢測，一般用來檢測光學(xué)儀器的相差。曲率波前分析儀結(jié)構(gòu)相對簡單，PyramicK四棱錐)波前分析儀作為一種新型的波前檢測元件，與其他傳統(tǒng)的波前分析儀相比有較高的靈敏度，但是技術(shù)發(fā)展仍不成熟，還不能滿足一般的工程應(yīng)用。目前，針對上述現(xiàn)有的波前測量系統(tǒng)難以適用于大口徑激光波面和不能滿足萬瓦級別的大功率激光波前測量，需要研制相應(yīng)的測量儀器來滿足這種情況下的波前測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)的波前分析儀不適用于大口徑激光波面和滿足萬瓦級別的大功率激光波前測量的不足，而提供一種大功率激光波前測量儀及測量方法，解決多路大功率激光相干合成中單路激光波前分析及任意兩路激光的相位差測量。本發(fā)明解決技術(shù)問題的方案是所提供的測量儀由光學(xué)系統(tǒng)與測量系統(tǒng)組成。所述的光學(xué)系統(tǒng)由機械快門、光束取樣反射鏡、縮束光學(xué)系統(tǒng)、透射式衰減器和反射式衰減器組成，測量系統(tǒng)由哈特曼波前分析儀、相位差探測CCD相機和計算機組成。所述機械快門打開時激光束以10°入射角入射至光束取樣反射鏡，由光束取樣反射鏡將激光束反射進入縮束光學(xué)系統(tǒng)，縮束光學(xué)系統(tǒng)將大口徑激光束壓縮，出射激光束分別由透射式衰減器進入哈特曼波前分析儀進行測量，由反射式衰減器進入相位差探測CCD相機進行測量，計算機控制哈特曼波前分析儀和相位差探測CCD相機的工作。所述的光束取樣反射鏡采用表面不鍍膜的熔石英玻璃，為光楔形式，尺寸為165 X 160mm2，對角線尺寸為230mm，厚度取35mm。所述的縮束光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為透射式的開普勒望遠鏡系統(tǒng)，在望遠鏡系統(tǒng)的物鏡焦點處設(shè)置空間濾波器濾除雜散光，物鏡選用熔石英玻璃，由兩個面組成，其中第一個面為橢球面，第二個面為平面，望遠鏡系統(tǒng)的光闌設(shè)在橢球面上，望遠鏡系統(tǒng)的目鏡選用普通光學(xué)玻璃。所述的透射式衰減器由三片透射式楔鏡組成，反射式衰減器由三片反射式楔鏡組成，以減小元件對大功率激光的吸收。所述的哈特曼波前分析儀基于哈特曼-夏克波前測量方法，具有測量精度高、空間分辨率高及動態(tài)范圍大的特點。相位差探測CCD相機獲取整幅干涉圖， 可以利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對干涉圖做細致的處理。所述的計算機控制哈特曼波前分析儀和相位差探測CCD相機的工作，實現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)控制、圖像采集、波前重建及相位差計算。本發(fā)明應(yīng)用大功率激光波前測量儀的測量方法進行波前測量的步驟如下1)測量儀工作時，機械快門只在波前測量時打開，以小于等于1/100秒的速度工作，使測量儀以脈沖方式工作；2)將相干合成的各路激光器分別打開，用哈特曼波前分析儀對各單路激光波前進行測量分析，同時用相位差探測CCD相機記錄各單路激光的光強分布；3)將一路激光作為基準(zhǔn)，依次打開其它各路激光分別與基準(zhǔn)激光干涉；4)用相位差探測CCD相機測出每兩路激光相干合成后的光強度，計算得到各路激光相對于基準(zhǔn)激光的相位差；同時用哈特曼波前分析儀對兩路相干激光合成后的波前進行測量分析。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比具有如下效果1)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)口徑為150 X 150mm2的大口徑激光束及功率達萬瓦級別的大功率激光波前的測量，并且測量儀操作清晰簡單，探測速度快，能夠直觀顯示波前信息參數(shù)。2)本發(fā)明的波前測量方法能夠解決多路大功率激光相干合成中單路激光波前分析和任意兩路激光的相位差測量。3)本發(fā)明通過選用機械快門、光學(xué)取樣反射鏡與衰減器的合理組成，在能夠保證較高的測量精度的同時，解決了大功率激光長時間照射波前測量儀，引起光學(xué)元件的熱變形及熱損傷問題，保證大功率激光功率的有效衰減。4)本發(fā)明測量儀為實現(xiàn)向更大功率的擴展與中紅外和遠紅外波長的擴展奠定了 ■石出。


圖1本發(fā)明測量儀組成示意圖；圖2本發(fā)明測量方法流程圖；圖3哈特曼-夏克波前分析儀原理圖；圖4標(biāo)準(zhǔn)平面波入射到單個微透鏡的情形；圖5畸變波面入射到單個微透鏡的情形；圖6縮束光學(xué)系統(tǒng)原理圖7透射式衰減器結(jié)構(gòu)圖；圖8反射式衰減器結(jié)構(gòu)圖；圖9目鏡結(jié)構(gòu)；圖10縮束光學(xué)系統(tǒng)物鏡的波像差。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖，詳細、完整的描述本發(fā)明的測量原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與具體工作過程。1、本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與具體工作過程如下參照圖1，本發(fā)明的測量儀包括機械快門1、光束取樣反射鏡2、縮束光學(xué)系統(tǒng)3、 透射式衰減器4、反射式衰減器6、哈特曼波前分析儀5、相位差探測CCD相機7及計算機8。 機械快門1只在波前測量時打開，使測量儀以脈沖方式工作，避免大功率激光引起測量系統(tǒng)光學(xué)元件的熱變形，影響測量精度。光束取樣反射鏡2對大功率激光進行第一次衰減，將激光束反射進入縮束光學(xué)系統(tǒng)3，縮束光學(xué)系統(tǒng)3將大口徑激光束壓縮，使得出射光束口徑與哈特曼波前分析儀5及相位差探測CCD相機7的口徑匹配。從縮束光學(xué)系統(tǒng)3出射的激光束很強，需要經(jīng)衰減器進一步衰減，出射激光束經(jīng)透射式衰減器4衰減進入哈特曼波前分析儀5進行測量，出射激光束經(jīng)反射式衰減器6衰減進入相位差探測CCD相機7進行測量，計算機8控制哈特曼波前分析儀5和相位差探測CCD相機7的工作，完成系統(tǒng)控制、圖像采集、波前重建及相位差計算功能。結(jié)合圖2說明多路激光相干合成的波前測量方法1)測量儀工作時，機械快門1只在波前測量時打開，以小于等于1/100秒的速度工作，使測量儀以脈沖方式工作；2)將相干合成的各路激光分別打開，用哈特曼波前分析儀5分別對各單路激光波前進行測量分析，同時用相位差探測CCD相機7分別記錄各單路激光的光強度分布；3)然后將一路激光作為基準(zhǔn)，依次打開其它各路激光分別與基準(zhǔn)激光干涉；4)用相位差探測CCD相機7測出每兩路激光相干合成后的光強度，依據(jù)直接法計算相位差原理得到各路激光相對于基準(zhǔn)激光的相位差，同時用哈特曼波前分析儀5對兩路相干激光合成后的波前進行測量分析。例如，若為三路激光相干合成的測量為了便于說明，對各路激光分別編號為1 路、2路、3路，用哈特曼波前分析儀分別對各路激光波前進行測量分析，同時用相位差探測 CCD相機分別記錄各路激光的光強度分布；以其中任一路激光作為基準(zhǔn)，假設(shè)以1路激光作為基準(zhǔn)，打開2路激光與基準(zhǔn)光干涉，用相位差探測CCD相機測出兩路激光相干合成后的光強度，計算2路激光相對于基準(zhǔn)激光的相位差，同時用哈特曼波前分析儀對兩路相干激光合成后的波前進行測量分析；打開3路激光與基準(zhǔn)光干涉，用相位差探測CCD相機測出兩路激光相干合成后的光強度，計算3路激光相對于基準(zhǔn)激光的相位差，同時用哈特曼波前分析儀對兩路相干激光合成后的波前進行測量分析；還可以將1路激光和2路激光相干合成后的光束與3路激光相干合成，得到三束激光的相干合成光，同時用哈特曼波前分析儀和相位差探測CCD相機進行相應(yīng)的測量。用同樣的方法還可以對四路激光、五路激光，甚至更多路激光進行相干合成的測量。
2、本發(fā)明中單路激光波前分析原理如下用哈特曼波前分析儀對各單路激光波前進行測量，哈特曼-夏克分析儀是由微透鏡和光電傳感器構(gòu)成，是一種基于斜率測量的波前測量儀。哈特曼-夏克波前分析儀的原理如圖3和圖4所示，微透鏡陣列將入射孔徑分割成許多子孔徑，并聚焦到CCD探測器上， 形成一個光斑陣列。事先用一束標(biāo)準(zhǔn)平行光標(biāo)定各個光斑的原始位置，并予以保存。當(dāng)對畸變波前探測時，入射到每個子孔徑上的波前的傾斜將造成該子孔徑光斑位置的移動，移動量正比于波前斜率和微透鏡的焦距，通過CCD探測器測量光斑在兩個垂直方向上相對于事先標(biāo)定的原始位置的位移量就可以測量出該子孔徑內(nèi)波前在兩個方向的斜率，最后利用波前復(fù)原算法通過波前斜率重建出波前相位。從重構(gòu)的波前相位可以得到波前信息參數(shù)， 如波前相位的P-V值和rms值及澤尼克系數(shù)。如上所述，微透鏡陣列的每個微透鏡收集照在其光圈上的光，并在C⑶探測器平面上產(chǎn)生一個光斑。如圖5所示為波前入射到單個微透鏡上的情形。只有當(dāng)入射波前是平面的且平行于小透鏡平面時，光斑的位置才直接落在透鏡(黑色圓點)的后方。對于在微透鏡區(qū)畸變的波前，光斑位置將在X和Y方向(白色圓點)偏移，因此每個光斑將以α角偏離其相應(yīng)的微透鏡的光軸Ζ。如圖中所示，該角度α與畸變波前和平面波前間的角度相同。影響哈特曼-夏克波前分析儀性能的四個參數(shù)是覆蓋探測器有效面積的微透鏡數(shù)量、動態(tài)區(qū)域、測試靈敏度和微透鏡焦距。微透鏡的數(shù)量限制了再構(gòu)算法可靠地計算澤尼克系數(shù)的最大階數(shù)。需要選擇微透鏡數(shù)量時，應(yīng)考慮所需模擬的畸變量(即實際波前像差需要多少個澤尼克系數(shù)才能有效表征)。測試靈敏度θ min是最小可探測光斑偏移量δ ymin的函數(shù)，如下面的公式θω η= δ ymin/f(1)f是微透鏡的焦距，θ max則是最大可測量相位的量度θ ■ = δ yfflin/f = (d/2) /f(2)d是微透鏡的直徑，這兩個公式都是用了小角度近似。θ min是由波前分析儀測量的波前斜率的最小值。最小可測光斑的偏移Symin取決于探測器的像素尺寸、圓心算法的精度及分析儀的信噪比。θ _是波前分析儀可測量的波前斜率的最大值，它相當(dāng)于光斑偏移Symax，等于微透鏡的半徑。哈特曼-夏克波前分析儀的測量精度(即可靠測量所需的最小波前斜率)取決于它精確測量聚焦的光斑與其參考位置的偏移的能力。如果光斑與其它的光斑部分重疊，或者微透鏡的焦斑落在分析儀指定的區(qū)域以外(光斑交叉)，傳統(tǒng)算法將不能正確測到光斑的圓心位置。采用特殊的方法能解決該問題，但是將限制分析儀的動態(tài)范圍。使用大直徑或短焦距的微透鏡可增加系統(tǒng)的動態(tài)范圍。通過增加微透鏡的直徑加大動態(tài)范圍會降低可代表波前的澤尼克系數(shù)的數(shù)量。相反地，通過減小焦距增加動態(tài)范圍會降低分析儀的靈敏度。理想情況下，滿足動態(tài)范圍和測量靈敏度要求時，應(yīng)使用最大焦距的微透鏡。3、本發(fā)明中測量兩路相干光相位差的原理如下直接法和外差法是測量兩路相干光相位差的常用方法。外差法測量精度高，但需要在相干合成的各路激光中插入測量系統(tǒng)，對光路調(diào)節(jié)要求很高，且對相干合成的各路激光光路有影響。直接法不影響相干合成的各路激光的光路，但測量精度低于外差法，且不能判斷相位差的正負?？紤]實際應(yīng)用情況，本發(fā)明采用直接法測量兩路激光的相位差。若兩路相干激光的光功率分別為I1和I2，則合成后的光功率I為
權(quán)利要求
1.一種大功率激光波前測量儀，由光學(xué)系統(tǒng)與測量系統(tǒng)組成。其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)由機械快門(1)、光束取樣反射鏡O)、縮束光學(xué)系統(tǒng)(3)、透射式衰減器(4)和反射式衰減器(6)組成；所述的測量系統(tǒng)由哈特曼波前分析儀(5)、相位差探測CCD相機(7)和計算機(8)組成；所述機械快門(1)打開時激光束以10°入射角入射至光束取樣反射鏡 (2)，由光束取樣反射鏡(2)將激光束反射進入縮束光學(xué)系統(tǒng)(3)，縮束光學(xué)系統(tǒng)(3)將大口徑激光束壓縮，出射激光束分別由透射式衰減器(4)進入哈特曼波前分析儀( 進行測量， 由反射式衰減器(6)進入相位差探測CCD相機(7)進行測量，計算機(8)控制哈特曼波前分析儀( 和相位差探測CCD相機(7)的工作；其中光束取樣反射鏡( 采用表面不鍍膜的熔石英玻璃，為光楔形式，尺寸為165X 160mm2，對角線尺寸為230mm，厚度取35mm ；縮束光學(xué)系統(tǒng)(3)的結(jié)構(gòu)為透射式的開普勒望遠鏡系統(tǒng)，在望遠鏡系統(tǒng)的物鏡焦點處設(shè)置空間濾波器濾除雜散光，物鏡選用熔石英玻璃，由兩個面組成，其中第一個面為橢球面，第二個面為平面，望遠鏡系統(tǒng)的光闌設(shè)在橢球面上，望遠鏡系統(tǒng)的目鏡選用普通光學(xué)玻璃；透射式衰減器由三片透射式楔鏡組成；反射式衰減器(6)由三片反射式楔鏡組成。
2.基于權(quán)利要求1所述大功率激光波前測量儀的波前測量方法，其特征包括如下步驟(2. 1)測量儀工作時，機械快門(1)只在波前測量時打開，以小于等于1/100秒的速度工作，使測量儀以脈沖方式工作；(2. 2)將相干合成的各路激光器分別打開，用哈特曼波前分析儀( 對各單路激光波前進行測量分析，同時用相位差探測CCD相機(7)記錄各單路激光的光強分布； (2. 3)將一路激光作為基準(zhǔn)，依次打開其它各路激光分別與基準(zhǔn)激光干涉； (2. 4)用相位差探測CCD相機(7)測出每兩路激光相干合成后的光強度，計算得到各路激光相對于基準(zhǔn)激光的相位差；同時用哈特曼波前分析儀( 對兩路相干激光合成后的波前進行測量分析。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率激光波前測量儀及波前測量方法。解決多路大功率激光相干合成中單路激光波前分析及任意兩路激光的相位差測量。測量儀由機械快門、光束取樣反射鏡、縮束光學(xué)系統(tǒng)、透射式衰減器、反射式衰減器、哈特曼波前分析儀、相位差探測CCD相機和計算機組成。測量儀工作時，機械快門只在波前測量時打開，用哈特曼波前分析儀對各單路激光波前進行測量，同時用相位差探測CCD相機記錄各單路激光的光強分布；將一路激光作為基準(zhǔn)，依次打開其它各路激光分別與基準(zhǔn)激光干涉；用相位差探測CCD相機測出每兩路激光相干合成后的光強度，得到各路激光相對于基準(zhǔn)激光的相位差；同時用哈特曼波前分析儀對相干激光合成后的波前進行測量。
文檔編號G01J9/00GK102564611SQ20121000156
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者曾曉東, 李慶輝, 相里微 申請人:西安電子科技大學(xué)