專利名稱：在線焦斑能量分布檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焦斑能量分布檢測，特別是一種在線焦斑能量分布檢測方法，該方法 可廣泛應用于激光實驗系統(tǒng)的光焦斑測量，特別是對于高功率激光裝置，能量高、口徑大、 實時反饋焦斑分布，此方法就能滿足實時精確測量，并且不影響激光實驗光路的調(diào)試和實 驗。
背景技術(shù)：
激光實驗系統(tǒng)中對激光焦斑測量是一項關(guān)鍵技術(shù)，常規(guī)的CCD加衰減片方式只能 應用于低功率、小口徑的光束焦斑測量，并且衰減片產(chǎn)生的像差對實際焦斑分布影響很大。 由于以上原因，對于高能量激光系統(tǒng)，如聚變點火相關(guān)研究的激光裝置，路數(shù)多、能量高、口 徑大，常規(guī)的測試方法必然不能采用，而必須尋求新的、可用的方法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種在線焦斑能量分布檢測方法，該方法引入一個分光裝置 將測量儀器損傷閾值以下能量的激光分離出來，利用縮束裝置與哈特曼傳感器來檢測焦斑 的能量分布，既可以避免實驗光路引入的其他光學元件對實驗的影響，又可以利用哈特曼 傳感器的可編程性來消除采樣激光的固有誤差來達到在線檢測的目的。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種在線焦斑能量分布檢測方法，其特點在于該方法通過主光路中取樣分光鏡透 過取樣測試激光，利用縮束系統(tǒng)將取樣測試激光注入哈特曼傳感器中，進行波前分布測試 焦斑擬合，具體檢測步驟如下
①以待測高功率激光器發(fā)出的主激光為基準，確定主光軸，在待測高功率激光器 發(fā)出的主激光方向依次設置取樣分光鏡、分光鏡、反射鏡，調(diào)整取樣分光鏡的角度，使主激 光反射光垂直正入射到離軸拋物面鏡的中心，主激光透過所述的取樣分光鏡的透射光透過 所述的分光鏡后被所述的反射鏡反射；調(diào)整所述的反射鏡的角度，使該反射鏡的反射光束 正入射到哈特曼傳感器探頭的中心；
②離軸拋物面鏡的調(diào)試調(diào)整軸拋物面鏡，確保入射光經(jīng)離軸拋物面鏡反射后，反 射光成水平方向；
③模擬光源的調(diào)試將光纖激光器作為點光源放置在所述的離軸拋物面鏡的焦點 處，光纖激光器輸出的光束經(jīng)離軸拋物面鏡反射后入射到所述的抽樣分光鏡上，設置半導 體激光器，調(diào)整所述的分光鏡的角度，將所述的半導體激光器發(fā)射的激光導入到所述的主 光軸上；
④擴束系統(tǒng)與縮束系統(tǒng)的調(diào)試將擴束系統(tǒng)置于所述的待測高功率激光器和整取 樣分光鏡之間，將縮束系統(tǒng)置入所述的整取樣分光鏡和所述的分光鏡之間，經(jīng)調(diào)試保證系 統(tǒng)的主光軸不變，出射光仍為平行光束；
⑤插入反射鏡的調(diào)試將小孔光闌加入在所述的縮束系統(tǒng)和分光鏡之間的主光軸，在所述的擴束系統(tǒng)和取樣分光鏡之間設置插入反射鏡，調(diào)整小孔光闌使所述的半導體激光器發(fā)出的激光束穿過所述的小孔光闌沿所述的主光軸逆向前進，調(diào)整所述的插入反射鏡的角度，使反射光同樣穿過所述的小孔光闌；
⑥模擬光固有誤差的測量關(guān)閉所述的光纖激光器，開啟所述的半導體激光器， 該半導體激光器輸出的激光經(jīng)分光鏡、縮束系統(tǒng)和取樣分光鏡后入射到所述的插入反射鏡上，該插入反射鏡將光束原光路返回，再經(jīng)所述的分光鏡由所述的反射鏡反射，由所述的哈特曼傳感器檢測得到波前信息，記作W1;然后，關(guān)閉半導體激光器，開啟光纖激光器，該光纖激光器發(fā)出的激光光束入射到離軸拋物面鏡反射經(jīng)所述的抽樣分光鏡反射到插入反射鏡上，并由插入反射鏡反射，經(jīng)過縮束系統(tǒng)縮束，經(jīng)所述的分光鏡，所述的反射鏡反射后，由所述的哈特曼傳感器檢測波前信息，記作W2 ；
經(jīng)哈特曼傳感器直接測量所述的半導體激光器的初始波前為Wkefi，光纖激光器的初始波前為WKEF2，由半導體激光器輸出的激光傳播到所述的插入反射鏡的波前變化量為 Wy所述的光纖激光器發(fā)出的激光由離軸拋物面鏡傳播到所述的插入反射鏡的波前變化量為Wi ；
由光的傳播原理可得到表達式leW-pWe，W2=T1 (Weef2) +WJWi,其中T為所述的離軸拋物面鏡的波前變換因子，通過計算得到波前檢測的固有誤差Λ W=We-Wi= (W1-W2) - [Wkef1-Γ1 (Weef2)]，將此固有誤差記錄并保存到哈特曼傳感器中；
⑦大能量激光焦斑在線檢測光路中去掉所述的插入反射鏡、半導體激光器和光纖激光器，啟動所述的待測高功率激光器，發(fā)射的主激光經(jīng)所述的擴束系統(tǒng)、抽樣分光鏡、 縮束系統(tǒng)、分光鏡，經(jīng)所述的反射鏡反射后，由所述的哈特曼傳感器檢測波前信息并記為W測；
⑧所述的哈特曼傳感器按下式計算聚焦焦斑的最終波前信息為W
W=AW+W 測。
所述的取樣反射鏡的取樣透過率為O. 19Γ5%。
所述的縮束系統(tǒng)的縮束比為40 · I 60 :1。
本發(fā)明的技術(shù)效果
傳統(tǒng)的激光焦斑直接檢測方法通常使用的方法是引入多個能量衰減片，在激光能量降到檢測裝置的損傷閾值下時進行直接的焦斑能量檢測，最終通過計算推斷出聚焦焦斑的能量分布情況。這種方法存在著兩點不足首先，引入其他光學元件后，光束質(zhì)量必定發(fā)生變化，測量結(jié)果不精確；其次，由于衰減片會妨礙打靶的進行，這種檢測方法只能離線檢測焦斑能量分布，并不能精確的測量每一次激光打靶時焦斑的情況。
本發(fā)明由于在檢測端與聚焦端分別加入兩個模擬激光光源，通過插入反射鏡對光束進行反射，對主激光與采樣激光所經(jīng)過的不同路徑的波前畸變分別測量，因此能實現(xiàn)在線測量焦斑能量分布，并根據(jù)模擬光固有誤差，在線測量時就可以對測量結(jié)果進行固有誤差的補償來提高測量精度。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
圖1是大能量激光焦斑在線檢測光路圖
圖2是中心高與主光軸的確定光路圖
圖3是擴束系統(tǒng)與縮束系統(tǒng)的調(diào)試光路圖
圖4是插入反射鏡調(diào)試光路圖
圖5是模擬光故有誤差測量光路圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明在線焦斑能量分布檢測方法，通過主光路中取樣分光鏡透過取樣測試激 光，利用縮束系統(tǒng)將取樣測試激光注入哈特曼傳感器中，進行波前分布測試焦斑擬合，具體 檢測步驟如下
①中心高與主光軸的確定
如圖2所示，以前端高功率激光器I發(fā)射主激光為基準，確定光束的中心高度。確 定好光束中心高度后，將將插入反射鏡3、取樣分光鏡4、縮束系統(tǒng)5、小孔光闌6、分光鏡7、 反射鏡8、離軸拋物面鏡9、光纖激光器10、半導體激光器11、哈特曼傳感器12的光學中心 調(diào)整為此高度。接下來，以前端高功率激光器I入射的主激光為基準，確定主光軸，并使此 光軸穿過取樣分光鏡4的中心。調(diào)整取樣分光鏡4的角度，使主激光反射光垂直正入射到 離軸拋物面鏡9中心；而主激光透射光透過分光鏡7后被反射鏡8反射。調(diào)整反射鏡8的 角度使光束正入射到哈特曼傳感器12的探頭中心。
②離軸拋物面鏡的調(diào)試
離軸拋物面鏡9為一聚焦光學元件，必須保證前端高功率激光器I發(fā)射的主激光 經(jīng)取樣分光鏡4反射后垂直正入射到離軸拋物面鏡7的中心。如圖2所示調(diào)整軸拋物面鏡 9，確保入射光經(jīng)離軸拋物面鏡9反射后，反射光是水平方向的，并且反射光沒有被任何元 件所遮擋。
③模擬光源的調(diào)試
本方法中，固有誤差的測量需要借助兩個模擬光源來測量光束經(jīng)過不同路段所產(chǎn) 生的波前畸變。這兩個模擬光源分別是光纖激光器10與半導體激光器U。如圖2所示，其 中光纖激光器10作為點光源，應放置在離軸拋物面鏡7的焦點處，光束經(jīng)離軸拋物面鏡9 反射后入射到抽樣分光鏡4上。接下來，通過調(diào)整分光鏡7的角度，將半導體激光器11發(fā) 射的激光導入到之前確定的主光軸上。
④擴束系統(tǒng)與縮束系統(tǒng)的調(diào)試
如圖3所不,將擴束系統(tǒng)2和縮束系統(tǒng)5加入到光路中。以擴束系統(tǒng)2為例,首先 必須調(diào)整擴束系統(tǒng)2的位置與水平，保證光束通過擴束系統(tǒng)I后光軸沒有改變。再次必須 保證平行光束經(jīng)擴束系統(tǒng)擴束后，出射光仍為平行光束。此處可以使用干涉儀或剪切板配 合擴束系統(tǒng)2的機械調(diào)整架整來調(diào)試?？s束系統(tǒng)5的調(diào)試方法同理。
⑤插入反射鏡的調(diào)試
如圖4所示，插入反射鏡3的反射面朝向于取樣分光鏡4，其作用在于將模擬光源 光纖激光器10與半導體激光器11發(fā)出的激光反射回哈特曼傳感器10中。此處可使用一 個小孔光闌6來輔助調(diào)整半導體激光器11發(fā)射的激光經(jīng)插入反射鏡3反射后原光路返回(調(diào)試過后，小孔光闌6必須移出光路)。如圖3所示，首先將小孔光闌6加入到光路中并使半導體激光器11發(fā)射的激光穿過小孔光闌6。調(diào)整插入反射鏡3的角度，使反射光同樣穿過小孔光闌6,此時,插入反射鏡3的角度就確定了。由于半導體激光器11與光纖激光器 10發(fā)射的激光都在主光軸上,所以光纖激光器11發(fā)射的激光被插入反射鏡3反射后也必定為原光路返回。
⑥模擬光固有誤差的測量
如圖5所不。開啟半導體激光器11，關(guān)閉光纖激光器10,激光通過分光鏡7、縮束系統(tǒng)5后入射到插入反射鏡3上，插入反射鏡3將光束原光路反射回哈特曼傳感器12中并測得的波前信息，記作I。
然后，關(guān)閉半導體激光器11，開啟光纖激光器10，發(fā)散的激光光束入射到離軸拋物面鏡9上，光束經(jīng)抽樣分光鏡4反射到插入反射鏡3上并由插入反射鏡3反射，經(jīng)過縮束光學系統(tǒng)5縮束至適應哈特曼傳感器12探頭口徑的光束，由哈特曼傳感器12接收并測得的波前信息，記作W2。
最后，使用哈特曼傳感器直接測量并獲得半導體激光器11的初始波前為Wkefi，光纖激光器10的初始波前為WKEF2，設激光由半導體激光器11傳播到插入反射鏡3的波前變化量為We，光束由離軸拋物面鏡9傳播到插入反射鏡3的波前變化量為Wp
由光的傳播原理可以得到表達式
HpWeW2=iT1 (Weef2) +W^ffi
其中T為離軸拋物面鏡的波前變換因子。
通過計算可以得到波前檢測的固有誤差Λ W=We-Wi= (W1-W-J - [Weef1-T^1 (Weef2)]。將此固有誤差記錄并保存到哈特曼傳感器12中，待后續(xù)的大能量激光焦斑在線檢測時使用。
⑦大能量激光焦斑在線檢測
得到故有誤差AW后，如圖1所示。光路中去掉插入反射鏡3、半導體激光器11和光纖激光器10，將上述測量好的固有誤差編程并補償?shù)焦芈鼈鞲衅?2中，前端高功率激光器發(fā)射的主激光通過擴束系統(tǒng)2后擴束至大口徑光束，此大能量大口徑激光光束經(jīng)過抽樣分光鏡4后，大能量反射激光由離軸拋物面鏡9聚焦，小能量透射激光能量通過縮束系統(tǒng) 5縮束后，由哈特曼傳感器12測量波前信息，記為WM，隨后固有誤差Λ W會補償?shù)綔y量結(jié)果當中。設最終經(jīng)過補償?shù)慕拱邫z測結(jié)果為W。則有
W=AW+W 測
這樣就得到了最終焦斑的波前信息W。哈特曼傳感器12將通過W計算得到聚焦焦斑的最終能量分布，這樣就可以極大的提高這種間接的焦斑檢測方法的精度，以達到在線檢測的目的。
本領(lǐng)域技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明構(gòu)思前提下做出各種變化，均落在本發(fā)明的保護范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種在線焦斑能量分布檢測方法，其特征在于該方法通過主光路中取樣分光鏡透過取樣測試激光，利用縮束系統(tǒng)將取樣測試激光注入哈特曼傳感器中，進行波前分布測試焦斑擬合，具體檢測步驟如下 ①以待測高功率激光器(I)發(fā)出的主激光為基準，確定主光軸，在待測高功率激光器(I)發(fā)出的主激光方向依次設置取樣分光鏡(4)、分光鏡(7)、反射鏡(8),調(diào)整取樣分光鏡(4)的角度，使主激光反射光垂直正入射到離軸拋物面鏡(9)的中心，主激光透過所述的取樣分光鏡(4)的透射光透過所述的分光鏡(7)后被所述的反射鏡(8)反射；調(diào)整所述的反射鏡(8)的角度，使該反射鏡(8)的反射光束正入射到哈特曼傳感器(12)探頭的中心； ②離軸拋物面鏡的調(diào)試調(diào)整軸拋物面鏡(9)，確保入射光經(jīng)離軸拋物面鏡(9)反射后，反射光成水平方向； ③模擬光源的調(diào)試將光纖激光器(10)作為點光源放置在所述的離軸拋物面鏡(7)的焦點處，光纖激光器(10)輸出的光束經(jīng)離軸拋物面鏡(9)反射后入射到所述的抽樣分光鏡(4)上，設置半導體激光器(11)，調(diào)整所述的分光鏡(7)的角度，將所述的半導體激光器(II)發(fā)射的激光導入到所述的主光軸上； ④擴束系統(tǒng)與縮束系統(tǒng)的調(diào)試將擴束系統(tǒng)(2)置于所述的待測高功率激光器(I)和整取樣分光鏡(4)之間，將縮束系統(tǒng)(5)置入所述的整取樣分光鏡(4)和所述的分光鏡(7)之間，經(jīng)調(diào)試保證系統(tǒng)的主光軸不變，出射光仍為平行光束； ⑤插入反射鏡(3)的調(diào)試將小孔光闌(6)加入在所述的縮束系統(tǒng)(5)和分光鏡(7)之間的主光軸，在所述的擴束系統(tǒng)(2)和取樣分光鏡(4)之間設置插入反射鏡(3)，調(diào)整小孔光闌(6)使所述的半導體激光器(11)發(fā)出的激光束穿過所述的小孔光闌(13)沿所述的主光軸逆向前進，調(diào)整所述的插入反射鏡(3)的角度，使反射光同樣穿過所述的小孔光闌(6)； ⑥模擬光固有誤差的測量關(guān)閉所述的光纖激光器(10)，開啟所述的半導體激光器(11),該半導體激光器(11)輸出的激光經(jīng)分光鏡(7)、縮束系統(tǒng)(5)和取樣分光鏡(4)后入射到所述的插入反射鏡(3)上，該插入反射鏡(3)將光束原光路返回，再經(jīng)所述的分光鏡(7)由所述的反射鏡(8)反射，由所述的哈特曼傳感器(12)檢測得到波前信息，記作W1 ;然后，關(guān)閉半導體激光器(11)，開啟光纖激光器(10),該光纖激光器(10)發(fā)出的激光光束入射到離軸拋物面鏡(9)反射經(jīng)所述的抽樣分光鏡(4)反射到插入反射鏡(3)上，并由插入反射鏡(3)反射，經(jīng)過縮束系統(tǒng)(5)縮束，經(jīng)所述的分光鏡(7)，所述的反射鏡(8)反射后，由所述的哈特曼傳感器(12)檢測波前信息，記作W2 ； 經(jīng)哈特曼傳感器(12)直接測量所述的半導體激光器(11)的初始波前為Wkefi，光纖激光器(10)的初始波前為WKEF2，由半導體激光器(11)輸出的激光傳播到所述的插入反射鏡(3)的波前變化量為We，所述的光纖激光器(10)發(fā)出的激光由離軸拋物面鏡(9)傳播到所述的插入反射鏡(3)的波前變化量為Wi ； 由光的傳播原理可得到表達式=W1=WkefPW6, W2=T4 (Wkef2)+WJWi,其中T為所述的離軸拋物面鏡的波前變換因子，通過計算得到波前檢測的固有誤差A W=We-Wi= (W1-W2) - [Weef1-T^1(Wkef2)]，將此固有誤差記錄并保存到哈特曼傳感器(12)中； ⑦大能量激光焦斑在線檢測光路中去掉所述的插入反射鏡(3)、半導體激光器(11)和光纖激光器(10)，啟動所述的待測高功率激光器(1)，發(fā)射的主激光經(jīng)所述的擴束系統(tǒng)(2)、抽樣分光鏡(4)、縮束系統(tǒng)(5)、分光鏡(7)，經(jīng)所述的反射鏡(8)反射后，由所述的哈特曼傳感器(12)檢測波前信息并記為Wm ； ⑧所述的哈特曼傳感器(12)按下式計算聚焦焦斑的最終波前信息為W W=ΔW+W 測。
2.按照權(quán)利要求1所述的在線焦斑能量分布檢測方法，其特性在于所述的取樣反射鏡(4)的取樣透過率為0.1% 5%。
3.按照權(quán)利要求1所述的在線焦斑能量分布檢測方法，其特征在于所述的縮束系統(tǒng)(5)的縮束比為401 60 :1。
全文摘要
一種在線焦斑能量分布檢測方法，引入一個分光裝置將測量儀器損傷閾值以下能量的激光分離出來，利用縮束裝置與哈特曼傳感器來檢測焦斑的能量分布，既可以避免實驗光路引入的其他光學元件對實驗的影響，又可以利用哈特曼傳感器的可編程性來消除采樣激光的固有誤差來達到在線檢測的目的。本發(fā)明可廣泛應用于激光系統(tǒng)，特別是高功率激光裝置的焦斑測試。
文檔編號G01J1/04GK103033261SQ20121057291
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者金博, 趙東峰, 邵平, 鄔融, 夏蘭 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所