本實(shí)用新型屬光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種激光遠(yuǎn)場焦斑高精度動(dòng)態(tài)診斷裝置。

背景技術(shù)：
激光遠(yuǎn)場焦斑強(qiáng)度分布是激光光束質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，也是高能激光系統(tǒng)中表征激光束進(jìn)洞能力的主要參數(shù)。激光的遠(yuǎn)場分布決定了光束的可聚焦程度,也間接反映出波前狀況。遠(yuǎn)場焦斑的準(zhǔn)確測量對于諸如光束質(zhì)量β因子、環(huán)圍能量比等光束質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)的正確評(píng)估至關(guān)重要。高能激光遠(yuǎn)場焦斑測量主要有兩個(gè)難點(diǎn)：(1)激光焦斑強(qiáng)度分布具有極高的動(dòng)態(tài)范圍,主旁瓣的強(qiáng)度差很大(動(dòng)態(tài)范圍4個(gè)量級(jí)以上)；(2)波前畸變的不確定性造成激光束實(shí)際遠(yuǎn)場位置的不確定，使得動(dòng)態(tài)測量時(shí)難以預(yù)估離焦量。由于波前的擾動(dòng)是指數(shù)項(xiàng)，相對于振幅擾動(dòng)，其對激光遠(yuǎn)場分布影響更大，故解決高能激光遠(yuǎn)場重構(gòu)難點(diǎn)的方法是獲取高精度、高分辨率的波前分布。目前高精度、高分辨率波前位相測量普遍采用干涉法，干涉法測量位相最常用的是相移法。由于高功率激光裝置輸出的是納秒(ns)甚至皮秒(ps)量級(jí)的近紅外脈沖，利用常規(guī)的相移干涉術(shù)不可能獲取多幅干涉圖信息，在系統(tǒng)完全同步的情況下，也只能采集一幅干涉圖。采用夏克-哈特曼波前傳感器可動(dòng)態(tài)測量激光近場波前，其工作原理為通過計(jì)算微透鏡陣列分割的每個(gè)子孔徑內(nèi)畸變波前平均斜率，從而來重構(gòu)被測波前分布。同時(shí)，根據(jù)夏克-哈特曼波前傳感器獲取的子孔徑光斑陣列的強(qiáng)度分布，可得到激光光場強(qiáng)度分布，然后重構(gòu)激光遠(yuǎn)場焦斑強(qiáng)度分布。此方法的缺點(diǎn)是：(1)波前斜率計(jì)算采用一階線性近似，即sinθ≈tanθ≈θ，波前測量精度受到影響；(2)由于測量的是子孔徑內(nèi)畸變波前平均斜率，故認(rèn)為被測波前是由許多子孔徑內(nèi)的平面波近似組成，子孔徑內(nèi)的畸變波前細(xì)節(jié)信息被忽略了，波前測量分辨率不高；(3)利用夏克-哈特曼波前傳感器獲取到的激光近場光強(qiáng)分布也受到微透鏡陣列數(shù)的限制，分辨率不高；(4)激光遠(yuǎn)場焦斑重構(gòu)精度受夏克-哈特曼波前傳感器系統(tǒng)誤差的影響。傳統(tǒng)相位恢復(fù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率波前測量，但需要測量入瞳處激光近場強(qiáng)度分布和遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布或者需要測量兩個(gè)或更多離焦位置遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布來恢復(fù)激光近場波前。激光輸出的不穩(wěn)定性、環(huán)境擾動(dòng)和探測器移動(dòng)引入的波前誤差無法扣除。同時(shí)，以光強(qiáng)測量為已知條件進(jìn)行相位恢復(fù)的算法在數(shù)學(xué)上歸屬于反演問題。盡管一般認(rèn)為相位恢復(fù)的解是唯一的，但不同的算法對解的精確性、收斂速度將產(chǎn)生很大影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
基于以上背景，本實(shí)用新型提出了一種激光遠(yuǎn)場焦斑高精度動(dòng)態(tài)診斷裝置。高能激光系統(tǒng)中的激光遠(yuǎn)場焦斑診斷主要關(guān)心的是遠(yuǎn)場能量集中度，通常采用環(huán)圍能量比曲線來全面描述激光光束遠(yuǎn)場焦斑的能量集中狀況。環(huán)圍能量比定義為遠(yuǎn)場給定尺寸包圍的激光功率占總功率的百分比。本實(shí)用新型利用多通道二元光學(xué)元件可同時(shí)獲取被測激光光束不同離焦下的光場強(qiáng)度分布，再通過相位恢復(fù)法得到被測激光光束近場的振幅和相位分布，最后利用激光遠(yuǎn)場焦斑診斷算法完成被測激光光束遠(yuǎn)場光斑強(qiáng)度分布重構(gòu)和環(huán)圍能量比曲線的計(jì)算。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：激光遠(yuǎn)場焦斑高精度動(dòng)態(tài)診斷裝置包括單模光纖激光器、準(zhǔn)直鏡、可變光闌、分束鏡、縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)、反射鏡、CCD探測器和控制計(jì)算機(jī)；其特殊之處在于：還包括取樣鏡、參考積分球功率計(jì)、測量積分球功率計(jì)、多通道二元光學(xué)元件；所述準(zhǔn)直鏡、可變光闌、分束鏡、取樣鏡、縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)、反射鏡、多通道二元光學(xué)元件以及CCD探測器依次設(shè)置在單模光纖激光器的輸出光路上；所述參考積分球功率計(jì)設(shè)置在所述分束鏡的反射光路上；所述測量積分球功率計(jì)設(shè)置在所述反射鏡的反射光路上；所述控制計(jì)算機(jī)同時(shí)與參考積分球功率計(jì)、測量積分球功率計(jì)以及CCD探測器相聯(lián)；所述單模光纖激光器的光纖端面置于準(zhǔn)直鏡的焦點(diǎn)處，光纖芯徑小于2.44λf/d，其中λ為單模光纖激光器輸出激光的波長，f為所述準(zhǔn)直鏡的焦距，d為所述準(zhǔn)直鏡的出瞳尺寸；所述多通道二元光學(xué)元件位于所述縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)的出瞳位置，用于將縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)入瞳處的激光光束近場分割成一系列子孔徑區(qū)域。上述縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)的波像差小于被測激光光束波前相位分布峰谷值的1/3。上述多通道二元光學(xué)元件包括多個(gè)口徑為矩形的微結(jié)構(gòu)元件，所述多個(gè)微結(jié)構(gòu)元件在同一平面內(nèi)任意組合排布，相鄰兩個(gè)微結(jié)構(gòu)元件的焦距不同。上述多通道二元光學(xué)元件由兩種焦距不同的微結(jié)構(gòu)元件交替排布組成。上述多通道二元光學(xué)元件為多通道計(jì)算全息片或者微透鏡陣列；多通道計(jì)算全息片的微結(jié)構(gòu)元件為菲涅爾透鏡，微透鏡陣列的微結(jié)構(gòu)元件為微透鏡。上述縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)為開普勒結(jié)構(gòu)，由物鏡和目鏡組成，并采用雙遠(yuǎn)心光路。本實(shí)用新型具有如下有益效果：1、精度高：本實(shí)用新型基于多通道二元光學(xué)元件和相位恢復(fù)法實(shí)現(xiàn)了激光遠(yuǎn)場焦斑的高精度動(dòng)態(tài)診斷，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)診斷方法精度不高和分辨率低的缺點(diǎn)。2、測量結(jié)果置信度高：本實(shí)用新型通過事先對激光縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)標(biāo)定，使激光遠(yuǎn)場焦斑診斷結(jié)果不受其誤差影響。3、穩(wěn)定性好：本實(shí)用新型不受外界環(huán)境(空氣氣流擾動(dòng)、振動(dòng)等)和激光輸出能量不穩(wěn)定性的影響。4、本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)性好，可實(shí)現(xiàn)對不同口徑大小的激光光束的遠(yuǎn)場焦斑診斷。附圖說明圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為多通道二元光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為多通道二元光學(xué)元件的工作原理示意圖；圖中，1-單模光纖激光器，2-準(zhǔn)直鏡，3-可變光闌，4-分束鏡，5-參考積分球功率計(jì)，6-取樣鏡，7-縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)，71-物鏡，72-目鏡，8-反射鏡，9-測量積分球功率計(jì)，10-多通道二元光學(xué)元件，11-CCD探測器，12-控制計(jì)算機(jī)，13-被測激光光束。具體實(shí)施方式如圖1所示，本實(shí)用新型所提供的激光遠(yuǎn)場焦斑高精度動(dòng)態(tài)診斷裝置包括依次設(shè)置在單模光纖激光器1輸出激光光路上的準(zhǔn)直鏡2、可變光闌3(光闌口徑根據(jù)被測激光光束13的光束口徑選取)、分束鏡4、縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7、反射鏡8、多通道二元光學(xué)元件10、CCD探測器11，并且在分束鏡4的反射光路上設(shè)置參考積分球功率計(jì)5，在反射鏡8的反射光路上設(shè)置測量積分球功率計(jì)9；本實(shí)用新型還包括同時(shí)與參考積分球功率計(jì)5、測量積分球功率計(jì)9、CCD探測器11相聯(lián)的控制計(jì)算機(jī)12。單模光纖激光器1的光纖端面置于準(zhǔn)直鏡2的焦點(diǎn)處，光纖芯徑小于2.44λf/d，其中λ為單模光纖激光器1輸出激光的波長，f為準(zhǔn)直鏡2的焦距，d為準(zhǔn)直鏡2的出瞳尺寸?？s束/擴(kuò)束系統(tǒng)7為開普勒結(jié)構(gòu)，由物鏡71和目鏡72組成，采用雙遠(yuǎn)心光路，并進(jìn)行消色差設(shè)計(jì)，以保證診斷裝置的寬譜段工作和消除CCD探測器11的位置誤差對測量結(jié)果的影響；縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7的縮束/擴(kuò)束比根據(jù)CCD探測器11靶面的大小和被測激光光束13的光束口徑確定；縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7的波像差小于被測激光光束波前相位分布峰谷值的1/3，以進(jìn)一步提高測量精度。多通道二元光學(xué)元件10位于縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7的出瞳位置，用于將縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7入瞳處的激光光束近場分割成一系列子孔徑區(qū)域，并與CCD探測器11結(jié)合實(shí)現(xiàn)被測激光光束不同離焦下的光場強(qiáng)度分布的同時(shí)獲?。欢嗤ǖ蓝鈱W(xué)元件10由在同一平面內(nèi)任意組合排布的多個(gè)微結(jié)構(gòu)元件組成，微結(jié)構(gòu)元件口徑為矩形，相鄰微結(jié)構(gòu)元件的焦距不同；圖2為多通道二元光學(xué)元件10的一種結(jié)構(gòu)形式，其由兩種形式的微結(jié)構(gòu)元件在同一平面內(nèi)交替排布組成。本實(shí)施例的多通道二元光學(xué)元件10采用多通道計(jì)算全息片或者微透鏡陣列，多通道計(jì)算全息片的微結(jié)構(gòu)元件為菲涅爾透鏡，微透鏡陣列的微結(jié)構(gòu)元件為微透鏡。本實(shí)用新型的具體工作過程和工作原理是：(1)對縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7進(jìn)行標(biāo)定(標(biāo)定時(shí)，取樣鏡6切出測量光路)對縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7的標(biāo)定包括縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7的透過率和波像差的標(biāo)定：單模光纖激光器1輸出的激光經(jīng)準(zhǔn)直鏡2和可變光闌3后，由分束鏡4分成兩束光，其中反射光進(jìn)入?yún)⒖挤e分球功率計(jì)5，測得激光功率值為I0；透射光通過縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7后，經(jīng)反射鏡8反射進(jìn)入測量積分球功率計(jì)9，測得激光功率值為I1；通過控制計(jì)算機(jī)采集測量數(shù)據(jù)，并計(jì)算得到縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7的透射率β為：β＝I1/(I0ηγ)(1)式中，η為分束鏡的分束比，γ為反射鏡的表面反射率；將分束鏡4和反射鏡8切出測量光路，準(zhǔn)直鏡2輸出的光通過可變光闌3和縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7后，經(jīng)多通道二元光學(xué)元件10將縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7入瞳處的激光光束近場分割成一系列子孔徑區(qū)域，同時(shí)CCD探測器11探測到所述一系列子孔徑區(qū)域內(nèi)激光光束不同離焦下的光場強(qiáng)度分布，再利用相位恢復(fù)法計(jì)算得到縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7的波像差Φ1(x,y)；(2)激光遠(yuǎn)場焦斑診斷將取樣鏡6切入測量光路，被測激光經(jīng)取樣鏡6反射，進(jìn)入激光縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7后，經(jīng)多通道二元光學(xué)元件10將激光縮束/擴(kuò)束7入瞳處激光光束近場分割成一系列子孔徑區(qū)域，通過控制計(jì)算機(jī)12實(shí)現(xiàn)CCD探測器11同時(shí)探測所述一系列子孔徑區(qū)域內(nèi)被測激光光束不同離焦下的光場強(qiáng)度分布，并利用相位恢復(fù)法進(jìn)行相位恢復(fù)計(jì)算，得到被測激光光束在縮束/擴(kuò)束系統(tǒng)7的出瞳位置處的波前相位分布Φ(x,y)和振幅分布A(x,y)，則被測激光光束的近場光場相位分布Φ0(x,y)可表示為：Φ0(x,y)＝Φ(x,y)-Φ1(x,y)(2)被測激光光束的近場光場振幅分布A0(x,y)可表示為：被測激光光束的近場光場分布為：根據(jù)標(biāo)量衍射理論可知，激光近場光場分布與遠(yuǎn)場光場分布滿足傅里葉關(guān)系，通過計(jì)算可得到被測激光遠(yuǎn)場光場分布為：Uf(u,v)＝F{P(x,y)·U0(x,y)}＝F{P(x,y)}*F{U0(x,y)}(5)式中，F(xiàn){}為傅里葉變換算子；P(x,y)為瞳函數(shù)，當(dāng)被測激光光束13的孔徑為矩形孔徑時(shí)，P(x,y)的傅里葉變換為sinc函數(shù)；當(dāng)被測激光光束13的孔徑為圓形孔徑時(shí)，P(x,y)的傅里葉變換為一階貝塞爾函數(shù)。被測激光遠(yuǎn)場焦斑強(qiáng)度分布為：I(u,v)＝Uf(u,v)·Uf(u,v)*＝|Uf(u,v)|2(6)式中，Uf(u,v)*為Uf(u,v)的共軛；對公式(6)進(jìn)行積分，可得到環(huán)圍能量比曲線。