高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置，該高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置包括激光縮束/擴束系統(tǒng)、衰減楔板、分光鏡、科學(xué)級CCD探測器、微透鏡陣列、CCD探測器以及控制計算機；激光縮束/擴束系統(tǒng)、衰減楔板以及分光鏡依次設(shè)置在同一光路上；分光鏡將入射至分光鏡的光分為透射光以及反射光；科學(xué)級CCD探測器設(shè)置在經(jīng)分光鏡后的反射光所在光路上；微透鏡陣列以及CCD探測器依次設(shè)置在經(jīng)分光鏡后的折射光所在光路上；科學(xué)級CCD探測器以及CCD探測器分別與控制計算機相連。本實用新型提供了一種可實現(xiàn)對高動態(tài)范圍激光遠場焦斑動態(tài)測量、并很好保證測量精度的測量裝置。
【專利說明】高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置，尤其涉 及一種基于傅里葉光學(xué)理論的激光遠場焦斑重構(gòu)，實現(xiàn)高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量的裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 激光遠場焦斑是描述大型激光裝置輸出光束質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是慣性約束聚變 系統(tǒng)中表征激光束進洞能力的主要參數(shù)。由于激光遠場焦斑的主瓣和旁瓣的光能密度像差 懸殊（10000 :1以上），尚未有如此高動態(tài)范圍的探測器。目前激光遠場焦斑測量方法主要 有：長焦距透鏡成像法、列陣相機測試法、Rattle Pair測試法和紋影法。
[0003] 長焦距透鏡成像法是利用長焦距透鏡對激光束進行聚焦，再通過成像放大透鏡將 焦斑成像在CCD的探測面上。其缺點是：1)由于強激光的主瓣和邊緣的旁瓣部分能量密度 之比可達幾個數(shù)量級，遠遠超出了 CCD的動態(tài)范圍，因此采用此方法測試的激光焦斑圖像 實際上是強激光焦斑的主瓣分布，而旁瓣的信息被掩蓋了；2)聚焦透鏡的像差引入焦斑畸 變，其影響遠場焦斑的測試精度。
[0004] 列陣相機測試法是基于尖劈原理，根據(jù)劈板的分割比例和記錄介質(zhì)的線性動態(tài) 范圍可從列陣圖中重構(gòu)激光焦斑的遠場分布。其缺點是：1)受記錄介質(zhì)線性動態(tài)范圍的 限制，列陣圖不能完全反映激光遠場焦斑的旁瓣信息；2)列陣相機采用離軸反射式機械結(jié) 構(gòu)，雖然給系統(tǒng)的調(diào)整帶來方便，但引入的像差較大；3)記錄介質(zhì)即CCD的分辨力有限，計 算列陣圖的焦斑直徑時引入一定的相對誤差，從而影響系統(tǒng)的測試精度。
[0005] Rattle Pair測試法與列陣相機測試法相似，不同的是它采用同軸光路，減少了系 統(tǒng)的離軸像差。其缺點是：1)系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy，兩對尖劈分割光束的比例不同，焦斑重構(gòu)難度 大；2)由于一行或一列的焦斑點數(shù)過多，受C⑶靶面大小的限制，很難完整記錄焦面行或列 的所有信息。
[0006] 紋影法是分別測量遠場焦斑的主瓣和旁瓣，通過圖像重構(gòu)得到完整的遠場焦斑形 態(tài)。其缺點是：1)激光遠場焦斑的主瓣與旁瓣是分時測量，容易受探測器的時域噪聲、環(huán)境 氣流擾動和激光不穩(wěn)定性對其重構(gòu)的影響；2)該方法要求激光遠場焦斑的隨機漂移不大， 增加了對光束控制系統(tǒng)的要求；3)該方法測量旁瓣時需要將主瓣遮擋，否則會造成探測器 的損傷，故對遮擋的器件性能要求比較高，其必須擋光嚴(yán)實、耐激光輻照，且對測量結(jié)果不 引入影響。 實用新型內(nèi)容
[0007] 為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種可實現(xiàn)對高動 態(tài)范圍激光遠場焦斑動態(tài)測量、并很好保證測量精度的測量裝置。
[0008] 本實用新型的技術(shù)解決方案是：本實用新型提供了一種高動態(tài)范圍激光遠場焦斑 測量裝置，其特殊之處在于：所述高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置包括激光縮束/擴束 系統(tǒng)、衰減楔板、分光鏡、科學(xué)級CCD探測器、微透鏡陣列、CCD探測器以及控制計算機；所述 激光縮束/擴束系統(tǒng)、衰減楔板以及分光鏡依次設(shè)置在同一光路上；所述分光鏡將入射至 分光鏡的光分為透射光以及反射光；所述科學(xué)級CCD探測器設(shè)置在經(jīng)分光鏡后的反射光所 在光路上；所述微透鏡陣列以及CCD探測器依次設(shè)置在經(jīng)分光鏡后的折射光所在光路上； 所述科學(xué)級CCD探測器以及CCD探測器分別與控制計算機相連。
[0009] 上述微透鏡陣列與科學(xué)級C⑶探測器的靶面距分光鏡的距離相等。
[0010] 上述激光縮束/擴束系統(tǒng)包括物鏡以及目鏡；所述物鏡、目鏡、衰減楔板以及分光 鏡依次設(shè)置在同一光路上。
[0011] 本實用新型的優(yōu)點是：
[0012] 本實用新型提供了一種高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置，該裝置基于傅里葉光 學(xué)廣義光瞳函數(shù)理論，通過動態(tài)同步測量激光束的波前和光場強度分布，并利用遠場焦斑 重構(gòu)方法完成激光遠場焦斑的重構(gòu)，從而實現(xiàn)了對高動態(tài)范圍激光遠場焦斑的動態(tài)測量， 并很好的保證了測量精度。本實用新型不受探測器動態(tài)范圍的限制，可實現(xiàn)高動態(tài)范圍度 激光遠場焦斑的測量；動態(tài)測量激光束的波前和光場強度分布，并完成激光遠場焦斑的重 構(gòu)，不受外界環(huán)境（空氣氣流擾動、振動等）的影響；同步測量激光束的波前和光場強度分 布，并完成激光遠場焦斑的重構(gòu)，不受激光不穩(wěn)定性的影響；通過對測試系統(tǒng)透射波前事先 標(biāo)定，激光遠場焦斑測量時不受測試系統(tǒng)像差的影響；可實現(xiàn)對不同口徑大小激光束的遠 場焦斑進行測量。結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、重復(fù)性好，測量結(jié)果置信度高；

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本實用新型所提供的高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 其中：
[0015] 1-激光縮束/擴束系統(tǒng)；2-衰減楔板；3-分光鏡；4-科學(xué)級CCD探測器；5-微透 鏡陣列；6-CCD探測器；7-控制計算機；8-物鏡；9-目鏡。

【具體實施方式】
[0016] 如圖1所示，本實用新型由激光縮束/擴束系統(tǒng)1、衰減楔板2、分光鏡3、科學(xué)級 (XD探測器4、微透鏡陣列5、(XD探測器6、控制計算機7組成。激光縮束/擴束系統(tǒng)1由物 鏡8和目鏡9組成，其為開普勒結(jié)構(gòu)，采用雙遠心光路，并進行消色差設(shè)計，保證測試系統(tǒng)的 寬譜段工作和消除探測器位置誤差對測量結(jié)果的影響。根據(jù)被測激光束口徑大小選取縮束 /擴束比相匹配的激光縮束/擴束系統(tǒng)1。根據(jù)被測激光光束能量大小，選取衰減倍率合適 的衰減楔板2,保證科學(xué)級(XD探測器4和(XD探測器6工作在線性響應(yīng)區(qū)。微透鏡陣列5 與科學(xué)級C⑶探測器4的靶面距分光鏡3的距離相等，且置于激光縮束/擴束系統(tǒng)1的出 瞳位置。圖中黑實線為固定裝置，虛線為可更換裝置。
[0017] 本實用新型具體工作過程如下：被測激光束經(jīng)激光縮束/擴束系統(tǒng)1縮束/擴束， 再經(jīng)衰減楔板2將其衰減，然后被分光鏡3 -部分反射，一部分透射。反射的激光束入射到 科學(xué)級CCD探測器4的靶面上，由科學(xué)級CCD探測器4采集被測激光束光場強度分布圖像。 同時透射的激光束入射到微透鏡陣列5上，在CCD探測器6靶面上得到點陣子孔徑光斑圖 象，由(XD探測器6采集光斑點陣圖像。通過控制計算機7實現(xiàn)科學(xué)級(XD探測器4和(XD 探測器6的同步采集和數(shù)據(jù)存儲。
[0018] 激光遠場焦斑重構(gòu)的具體步驟如下：
[0019] Stepl:由科學(xué)級CCD探測器4采集到被測激光束的光場圖像，得到其光場強度分 布 I (X，y)。
[0020] St印2 :由(XD探測器6采集到點陣圖像，根據(jù)夏克-哈特曼波前測試原理，計算每 個子孔徑內(nèi)的畸變波前相比參考波前的光斑質(zhì)心偏移，并計算被微透鏡陣列5分割的子孔 徑范圍內(nèi)波前的平均斜率，繼而根據(jù)shouthwell模型求得被測激光束的畸變波前W(x，y)。
[0021] Step3 :根據(jù)廣義光瞳函數(shù)理論，得到被測激光束的光場復(fù)振幅P(x，y)為：
[0022] /)(x，.v)二小(x,y) exp[/A ^(x, v)] ( 1 )
[0023] 式中，1? = 2π/λ。
[0024] Step4:根據(jù)傅里葉光學(xué)理論，被測激光束的遠場焦斑為其光場復(fù)振幅的傅里葉頻 譜，故對被測激光束的光場復(fù)振幅P (X，y)進行二維快速傅里葉變換，并取模平方，得到激 光遠場焦斑強度分布U ( ξ，η )為：
[0025] υ(ξ , n) = abs{FFT[P(x,y)]}2 (2)
[0026] 式中，F(xiàn)FT()為快速傅里葉變換算子，abs〇為取模算子。
[0027] St印5 :對（2)式歸一化，得到標(biāo)準(zhǔn)激光遠場焦斑強度分布〖了(&/7)為：
[0028] ?('ξ,η):-H (3) max(L/(c,;/ J)
[0029] 式中，max()為取最大算子。
[0030] 根據(jù)（1)?（3)式可重構(gòu)出標(biāo)準(zhǔn)激光遠場焦斑強度分布，從而實現(xiàn)了高動態(tài)范圍 激光遠場焦斑的高精度測量。
【權(quán)利要求】
1. 一種高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置，其特征在于：所述高動態(tài)范圍激光遠場焦 斑測量裝置包括激光縮束/擴束系統(tǒng)、衰減楔板、分光鏡、科學(xué)級C⑶探測器、微透鏡陣列、 CCD探測器以及控制計算機；所述激光縮束/擴束系統(tǒng)、衰減楔板以及分光鏡依次設(shè)置在同 一光路上；所述分光鏡將入射至分光鏡的光分為透射光以及反射光；所述科學(xué)級CCD探測 器設(shè)置在經(jīng)分光鏡后的反射光所在光路上；所述微透鏡陣列以及(XD探測器依次設(shè)置在經(jīng) 分光鏡后的折射光所在光路上；所述科學(xué)級CCD探測器以及CCD探測器分別與控制計算機 相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置，其特征在于：所述微透 鏡陣列與科學(xué)級CCD探測器的靶面距分光鏡的距離相等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高動態(tài)范圍激光遠場焦斑測量裝置，其特征在于：所述 激光縮束/擴束系統(tǒng)包括物鏡以及目鏡；所述物鏡、目鏡、衰減楔板以及分光鏡依次設(shè)置在 同一光路上。
【文檔編號】G01J1/42GK203908683SQ201420261945
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】段亞軒, 陳永權(quán), 龍江波, 趙建科, 田留德, 李坤, 薛勛 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所