本發(fā)明涉及波前相位檢測，特別是一種編碼分束相位測量裝置和測量方法。

技術背景

波前相位檢測在高功率激光驅動器中有著重要的應用，由于高功率激光器裝置尺寸龐大，內部結構復雜，光學元件在加工和安裝過程中不可避免地會影響激光光束質量，使激光光束波前發(fā)生畸變，光斑均勻性降低，焦斑變形，從而影響高功率激光器實驗的成功率，因此高功率激光驅動器中波前相位畸變的實時檢測對于光束波前畸變的矯正，提高光束質量有重要意義。

目前波前相位檢測的主要方法有干涉儀，剪切干涉儀，哈特曼傳感器等。干涉測量需要高度隔震的大型光學平臺和規(guī)整的參考光，對于環(huán)境穩(wěn)定性要求極高，且干涉儀售價昂貴；哈特曼傳感器在相位測量中應用比較廣泛，但是由于哈特曼傳感器陣列單元數(shù)有限，測量分辨率不高。1969年hoppe提出相干衍射成像(coherentdiffractionimaging，簡稱為cdi)，cdi是一種用迭代算法從所記錄的一幅或多幅物體衍射光斑的光強中恢復物體的振幅和相位的成像技術，cdi成像不受透鏡像差影響，理論上能夠獲得接近衍射極限的空間分辨率且不需要參考光。cdi實驗光路簡單，數(shù)據(jù)采集時間短，實驗過程簡便快捷，能夠很好的適應激光驅動器中的實際光束是脈沖光束的情況。傳統(tǒng)cdi通過利用待測光束經過隨機相位板后的一幅衍射光斑，經過迭代運算恢復出待測光束的振幅和相位，在迭代過程中由于只利用一幅衍射光斑，限制條件較弱，恢復的相位信息中會含有散斑，提升cdi方法的信噪比對于高功率激光驅動器中波前相位檢測具有十分重要的意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對cdi技術在高功率驅動裝置波前測量中的缺點，提出一種編碼分束相位測量裝置和測量方法，該裝置需要一個光斑探測器，一塊已知分布的衍射樣品和各個衍射級光強相等的二維光柵及相應的固定裝置，成本遠遠低于常見干涉儀，對環(huán)境穩(wěn)定性要求低。待測光束經過光柵分光后經過分布已知的衍射樣品在成像靶面上形成多個不同互相分離的衍射光斑，再利用迭代算法對每一個衍射光斑進行處理，最終恢復出待測光束的波前振幅和相位。該裝置和方法由于利用光柵分光得到多個不同的衍射光斑，在迭代恢復過程中相比于利用一個衍射光斑迭代恢復的分辨率更高。該裝置和方法由于只需要記錄一幅衍射光斑，測量過程簡便快捷，可用于脈沖激光的波前檢測，為波前測量提供了一種解決方案。

本發(fā)明的技術解決方案如下：

一種編碼分束相位測量裝置，其特點在于，包括：沿待測光束的入射光傳播方向依次為縮束器、入射平面、透鏡、各級次分布已知的衍射光柵、分布已知的衍射樣品、光斑探測器和計算機，所述的入射平面位于所述的透鏡前2倍焦距處，所述的光班探測器的靶面與所述的透鏡的距離為2倍焦距，所述的衍射光柵置于所述的透鏡與該透鏡的焦平面之間，所述的衍射樣品置于所述的透鏡的焦平面與光斑探測器之間，所述的衍射光柵的衍射級次為n*m，其中n和m為正整數(shù)，衍射光柵各個級次光強相等，且各級次透過率已知，衍射光柵與待測光波長相對應，所述的光斑探測器的輸出端與所述的計算機的輸入端相連。

利用上述編碼分束相位測量的裝置對待測光束相位的測量方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)待測光波的直徑大小選擇合適縮束器，使待測光波縮束后光束直徑為2.4mm，縮束后光束經過所述的透鏡和衍射光柵后在所述的光斑探測器靶面上成像的光斑陣列范圍小于所述的光斑探測器靶面尺寸，將所述的縮束器置于光路中并垂直于光軸；

2)輸入待測光，所述的光斑探測器記錄一幅n*m級衍射光斑陣列并送入計算機中；

3)所述的計算機迭代運算實現(xiàn)波前再現(xiàn)的步驟包括：

①以衍射光柵所在平面為初始猜測面，設n*m級衍射光柵各級次的復振幅透過率依次為p1,1，p1,2，...，pn,m，...，pn,m，所述的衍射樣品的透過率為s，經測量，所述的衍射光柵與衍射樣品之間的距離為l1，衍射樣品與光斑探測器靶面之間的距離為l2；

②對初始猜測面的光波分布進行隨機猜測得到gk,n,m，根據(jù)各個面之間的傳播距離迭代計算初始猜測面的光波分布；

③令k＝k+1，第k次迭代過程為：

初始猜測面的光波gk,n,m經過衍射光柵的第(n,m)衍射級pn,m傳播到所述的衍射樣品的分布，并作為衍射樣品的照明光illuk,n,m：

其中，表示沿光波傳播方向的傳播過程；計算illuk,n,m經過衍射樣品后的出射光分布為ok,s,n,m：

ok,s,n,m＝illuk,n,m*s；

在光斑探測器面上的復振幅分布為diffk,n,m：

根據(jù)光斑探測器上實際記錄的光斑陣列中對應級次的光斑強度分布in,m對計算得到的分布diffk,n,m進行更新得到diff'k,n,m，更新方法是用實際的振幅分布代替diffk,n,m的振幅分布并保持相位不變，即

其中，為diffk,n,m的相位分布；逆?zhèn)鞑iff'k,n,m到衍射樣品得到其中表示逆向傳播過程；

由o'k,n,n,m得到illuk,n,m的更新分布illu'k,n,m，衍射樣品照明光的更新分布為：

逆向傳播illu'k,n,m到初始猜測面得到更新后的光柵面的出射波函數(shù)并對初始猜測gk,n,m進行更新，更新公式為：

令更新得到的g'k,n,m作為下次循初始猜測面的初始分布，即gk,n,m+1＝g'k,n,m；

④返回步驟③，但是在步驟①中gk,n,m+1是經過衍射光柵的下一衍射級，即第(n,m+1)級，在步驟④中利用記錄的光斑陣列中第(n,m+1)級的衍射斑的強度分布in,m+1進行振幅替換，重復步驟①到④直到光斑探測器上所記錄每個衍射光斑均完成振幅替換，此時一次迭代完成，按下式計算誤差：

若誤差erk在可以接受的范圍以下則停止迭代，否則將上一次迭代得到的g'k做為下一次迭代的初始值，繼續(xù)進行迭代，直到誤差erk在可接受范圍以下；

⑤迭代完成后，將最后得到的gk逆向傳播到入射平面(2)，即得到待測光束的復振幅分布。

本發(fā)明的技術效果：

1)傳統(tǒng)cdi通過利用待測光束經過隨機相位板后的一幅衍射光斑，經過迭代運算恢復出待測光束的振幅和相位，在迭代過程中由于只利用一幅衍射光斑，限制條件較弱，恢復的相位信息中會含有散斑。本發(fā)明利用光柵的分光原理，使待測光束經過光柵后分出的每一束光分別通過不同的衍射物體，并且成像在ccd靶面上，實現(xiàn)單次曝光得到多個不同衍射光斑，把每一幅衍射光斑進行迭代運算，加強限制條件從而提升恢復圖像的信噪比。

2)本發(fā)明對環(huán)境要求較低，結構和數(shù)據(jù)記錄過程簡單，只需要記錄單幅衍射光斑，可用于脈沖光束的測量。

3)主要成本集中在光斑探測器及衍射光柵的制作上，相比于干涉儀等成本較低。

4)本發(fā)明的再現(xiàn)方法基于相干衍射成像理論，具有較高的分辨率，通過光柵分光實現(xiàn)單次曝光得到多個衍射光斑，相比于單次曝光得只得到一個衍射光斑的cdi，該方法恢復的結果散斑較小，信噪比較高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明編碼分束相位測量裝置的示意圖。

圖中：1-縮束器，2-入射平面，3-75mm透鏡，4-衍射光柵，5-衍射樣品，6-光斑探測器，7-計算機。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。

先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明編碼分束相位測量裝置的示意圖。由圖可見，本發(fā)明一種編碼分束相位測量裝置，包括：沿待測光束的入射光傳播方向依次是縮束器1、入射平面2、透鏡3、各級次分布已知的衍射光柵4、分布已知的衍射樣品5、光斑探測器6和計算機7，所述的入射平面2位于所述的透鏡3前2倍焦距處，所述的光班探測器5的靶面與所述的透鏡3的距離為2倍焦距，所述的衍射光柵4置于所述的透鏡3與該透鏡的焦平面之間，所述的衍射樣品5置于所述的透鏡3的焦平面與光斑探測器6之間，所述的衍射光柵4的衍射級次為n*m，其中n和m為正整數(shù)，衍射光柵各個級次光強相等，且各級次透過率已知，衍射光柵與待測光波長相對應，所述的光斑探測器6的輸出端與所述的計算機7的輸入端相連。

下面是一個實施例的情況說明：

實施例中，所述的透鏡3為75mm透鏡，該實施例測量1053nm激光器中的光束分布，采用一塊1053nm衍射光柵4，衍射光柵衍射級為7*7，衍射角度為11.42°。衍射樣品5為載玻片上涂勻的聚苯乙烯小球，使用ccd作為光斑探測器6，其分辨率為4008×2672，最小單元為9μm，75mm透鏡3到衍射光柵4的距離為56.98mm，衍射光柵4到弱衍射樣品5的距離l1為45.92mm，弱衍射樣品5到ccd靶面的距離l2為51.7mm。添加外部觸發(fā)信號，記錄一幅衍射光斑i，通過菲涅爾衍射理論計算傳播過程。

通過計算機迭代運算實現(xiàn)波前再現(xiàn)的步驟包括：

1)以衍射光柵所在平面為初始猜測面，對衍射光柵的入射光分布進行隨機猜測得到gk,n,m，根據(jù)各個面之間的傳播距離計算并模擬gk,n,m從初始猜測面到光斑探測器靶面的傳播過程，并在光斑記錄面根據(jù)實際記錄的光斑陣列中相應級次的光斑強度分布in,m對計算值進行更新并進行迭代運算，第k次迭代過程為：

①根據(jù)衍射理論計算初始猜測面的光波gk,n,m經過光柵的第(n,m)衍射級pn,m后傳播到衍射樣品的分布，并作為衍射樣品的照明光illuk,n,m，其中表示沿光波傳播方向的傳播過程。

②計算illuk,n,m經過衍射樣品后的出射光分布ok,s,n,m，其中ok,s,n,m＝illuk,n,m*s。

③根據(jù)衍射樣品的出射光波分布ok,s,n,m計算光斑探測器面上的復振幅分布diffk,n,m，即

④根據(jù)光斑探測器上實際記錄的光斑陣列中對應級次的光斑強度分布in,m對計算得到的分布diffk,n,m進行更新得到diff'k,n,m，具體為用實際的振幅分布代替diffk,n,m的振幅分布并保持相位不變，即其中為diffk,n,m的相位分布。逆?zhèn)鞑iff'k,n,m到衍射樣品面得到其中表示逆向傳播過程。

⑤由o'k,n,n,m得到illuk,n,m的更新分布illu'k,n,m。衍射樣品照明光的更新分布為：

⑥逆向傳播illu'k,n,m到初始猜測面得到更新后的光柵面的出射波函數(shù)并對初始猜測gk,n,m進行更新，更新公式為：令更新得到的g'k,n,m作為下次循初始猜測面的初始分布，即gk,n,m+1＝g'k,n,m。

⑦在下次循環(huán)中重復步驟①到⑥，但是在步驟①中gk,n,m+1是經過衍射光柵的下一衍射級，即第(n,m+1)級，在步驟④中利用記錄的光斑陣列中第(n,m+1)級的衍射斑的強度分布in,m+1進行振幅替換，循環(huán)重復步驟①到⑥直到光斑探測器上所記錄每個衍射光斑均完成振幅替換，此時一次迭代完成，計算誤差若誤差erk在可以接受的范圍以下則停止迭代，否則將上一次迭代得到的g'k做為下一次迭代的初始值，繼續(xù)進行迭代，直到誤差erk在可接受范圍以下。迭代完成后將最后得到的gk逆向傳播到入射平面，即得到待測光束的復振幅分布。

實驗表明，本發(fā)明只需一個光斑探測器，一塊已知分布的衍射樣品和各個衍射級光強相等的二維光柵及相應的固定裝置，成本遠遠低于常見干涉儀，對環(huán)境穩(wěn)定性要求低。待測光束經過光柵分光后經過分布已知的衍射樣品在成像靶面上形成多個不同互相分離的衍射光斑，再利用迭代算法對每一個衍射光斑進行處理，最終恢復出待測光束的波前振幅和相位。本發(fā)明由于利用光柵分光得到多個不同的衍射光斑，在迭代恢復過程中相比于利用一個衍射光斑迭代恢復的分辨率更高。

本發(fā)明只需要記錄一幅衍射光斑，測量過程簡便快捷，可用于脈沖激光的波前檢測，為波前測量提供了一種解決方案。