可移動式高功率激光光束波前測量裝置及其測量方法
【專利摘要】一種可移動式高功率激光光束波前測量裝置，待測高功率激光光束通過縮束器后由聚焦透鏡聚焦，然后通過光學衰減片調整光強以后經過分光棱鏡分成兩束，利用其中一個光斑探測器探測待測光束的焦點位置進行光路調整，當待測光束的焦點位置調整到校準的焦點位置時代表光路定位完成，此時利用另外一個光斑探測器記錄一幅待測光束經過隨機相位板后的衍射光斑即可獲得待測光束的波前測量。此裝置固定在一個多孔固定板上，經過一次校準以后可以移動進行波前測量，十分便攜，適用于連續和脈沖激光光束測量，成本低于現有常用的干涉測量波前儀器，并且分辨率高。由于裝置結構簡單、體積小，滿足于高功率激光驅動器中光束波前測量的要求。
【專利說明】 可移動式高功率激光光束波前測量裝置及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及可移動式高功率激光光束波前測量及其測量方法，該裝置部件固定在一個多孔固定板上，經過一次校準以后可以移動進行波前測量，十分便攜，適用于連續和脈沖激光光束測量，成本低于現有常用的干涉測量波前儀器，并且分辨率高。由于裝置結構簡單、體積小，滿足于高功率激光驅動器中光束波前測量的要求。
技術背景
[0002]在高功率激光裝置的系統中，光束質量控制對于提升激光能量密度具有十分重要的作用，光束質量的好壞直接關系著最終物理實驗的成敗。通常采用對高功率激光光束發生的波前畸變進行控制和糾正以獲得高質量的激光光束，只有準確知道波前畸變的大小和畸變發生的位置，才能采用有效的措施進行糾正并提高光束質量，因此對高功率激光光束波前進行精確的測量是一項十分重要的工作。實際中被測量的光束是脈沖激光，在相當短的脈沖時間內很難獲取波前信息，而且由于裝置內部空間非常有限，波前測量無法采用干涉的方法，因為干涉測量需要高度隔振的大型光學平臺和規整的平行或者球面參考光。國內的高功率固體激光器輸出光束的波前一般采用自適應光學系統中的哈特曼傳感器進行測量，但是由于傳感器陣列單元數有限，采用這種方法對波前的測量精度受到限制，并且這種方法還有系統復雜,對工作環境要求高的缺點。2008年美國Rochester大學的研究人員采用了“相位恢復算法”的原理在世界第二大激光裝置上進行了激光光束波前測量，并獲得了較高的檢測成功率，但是它存在體積太大而不能放入靶室測量等諸多需要改進的地方。因此對于高功率激光裝置的系統中光束波前測量新方法的研究具有十分重要的意義。
【發明內容】
[0003]本發明針對上述高功率激光裝置的系統波前測量的問題，設計出一種可移動式高功率激光光束波前測量裝置，該裝置裝置固定在一個多孔固定板上，經過一次校準以后可以移動進行波前測量，十分便攜，適用于連續和脈沖激光光束測量，成本低于現有常用的干涉測量波前儀器，并且分辨率高。由于裝置結構簡單、體積小，滿足于高功率激光驅動器中光束波前測量的要求。
[0004]為解決上述問題，本發明的技術方案如下:
[0005]一種可移動式高功率激光光束波前測量裝置，其特點在于，包括:沿待測高功率激光光束方向依次放置的縮束比可選的縮束器、聚焦透鏡、第一光學衰減片和分光棱鏡，該分光棱鏡將光束分成兩路光束，沿一路光束方向依次放置第二光學衰減片和第一光斑探測器，沿另一路光束方向依次放置一可調小孔光闌、隨機相位板和第二光斑探測器；所述的第一光斑探測器和第二光斑探測器分別與計算機連接。
[0006]本裝置還包括多孔固定板和設置在該多孔固定板上的直線滑動導軌及二維電動位移臺；
[0007]所述的縮束器、聚焦透鏡、第一光學衰減片、分光棱鏡、小孔光闌、隨機相位板、第二光學衰減片、第一光斑探測器和第二光斑探測器分別通過固定桿與所述的多孔固定板固定;
[0008]所述的二維電動位移臺與計算機相連。
[0009]利用所述的測量裝置進行高功率激光光束波前的測量方法，其特點在于，該方法包括以下步驟:
[0010]I)以待測高功率激光光束為基準，確定光軸，沿待測光入射方向分別放置縮束比可選縮束器、聚焦透鏡、光學衰減片和分光棱鏡，光學元件與待測光束垂直并且中心保持在光軸上；
[0011]2)根據待測高功率激光光束直徑大小選擇合適的縮束器，使待測光束聚焦后通過隨機相位板后的衍射光斑尺寸大小與光斑探測器靶面大小基本相等；
[0012]3)選擇合適的光學衰減片，使待測光束聚焦后通過隨機相位板后的衍射光斑光強最大值與光斑探測器的飽和值相當；
[0013]4)選擇合適的光學衰減片，使分出來的光束聚焦到光斑探測器的焦點光強值與飽和值相當；
[0014]5)移動直線滑動導軌，使光斑探測器的靶面在垂直待測光入射方向光束的焦點的位置，此時記錄的焦斑分布送入計算機保存；
[0015]6)在待測光入射方向的光束焦點處放置一可調小孔光闌，調整小孔光闌孔徑的大小，在保證焦點處的光束全部通過小孔光闌的前提下使得光闌孔徑盡可能的小；
[0016]7)隨機相位板的相位分布已知，尺寸大小滿足待測光束全部通過，由二維電動位移臺控制送入光路中；
[0017]8)用直尺測量出聚焦透鏡到隨機相位板的直線距離Lci,小孔光闌到隨機相位板的直線距離L1,隨機相位板到光斑探測器靶面的直線距離L2 ；
[0018]9)整個裝置的部件用固定支桿固定在多孔固定板上，并且各自位置確定；
[0019]10)移動測量時，只需移動固定在多孔固定板上的所有部件，選擇合適的縮束器保證待測光束通過可調小孔光闌并使光斑探測器觀察到的焦點與計算機記錄保持的焦點位置重合；
[0020]11) 二維電動位移臺和光斑探測器與計算機的輸入端相連，由計算機程序控制二維電動位移臺的移動位移大小，使待測光束能全部通過隨機相位板，光斑探測器記錄的光斑強度分布輸入計算機進行數據處理；
[0021]12)所述的計算機采用下面的迭代運算實現待測高功率激光光束波前測量:
[0022]①在可調小孔光闌處給焦點光波分布一初始的隨機猜測值的光闌孔徑大小限制函數S1，初始光闌半徑1^
[0023]當實際光闌半徑在初始光闌半徑1^范圍以內，則函數S1取值為1，代表光可以透過光闌，
[0024]當實際光闌半徑在初始光闌半徑Γι范圍以外，則函數S1取值為0，代表光不能透過光闌，
[0025]初始小孔光闌面上的光波分布為/Ocw1 =的* S1;
[0026]②第η次傳播到隨機相位板面上的照明光函數為///〃? = ^Uocusii ,Li),Zs(JocusniL1)表示第η次迭代光波focusn傳播距離L1的過程；
[0027]③在隨機相位板面上，隨機相位板的的分布函數為P，第η次照明光通過隨機相位板后的出射波函數為= ^ifocusn,L1)*P ；
[0028]④第η次光斑探測器靶面上衍射光斑的復振幅分布而7:, = 3(ex//,,, U , 7s(ex//,?L2)
表示第η次迭代光波exitn傳播距離L2的過程；
[0029]⑤光斑探測器實際記錄的光斑分布為I，復振幅分布diffjP^Z的誤差
error =X(|?////；,.1->/7) ,/[/ ；
[0030]⑥對光斑探測器(9)靶面上的衍射光斑的復振幅分布進行更新，得到diff’n，diff ? = sfl exp(/'(//,,)，Ψη 為 diffn 的相位分布；
[0031]⑦反方向傳播diff’ ?到隨機相位板面上得到= 3 '((IiJfirL2) , 3 \diff >rU)
表示第η次迭代光波diff’ n反方向傳播距離L2的過程；
[0032]⑧更新隨機相位板面上的照明光函數illu’ n = exit’ n/P ；
[0033]⑨反方向傳播illu’ n到可調小孔光闌面上得到focus ? = 3 ' (/7/" ,,.L1)，3 1 (///〃?.L1)表示第η次迭代光波illu’η反方向傳播距離L1的過程；
[0034]⑩增大小孔光闌半徑為rn+1，半徑rn+1范圍以內光闌孔徑大小限制函數Sn+1取值為1，半徑rn+1范圍以外Sn+1函數取值為0，更新后的小孔光闌面上的光波分布為f0CUSn+1 =focus’ n*Sn+1作為第n+1次迭代的初始光波分布；
[0035]?重復步驟②到⑩，直至誤差err0rn變化非常小甚至不變時迭代過程停止，此時更新后的隨機相位板面上的照明光函數為illu ；
[0036]?反方向傳播iIIu到聚焦透鏡面上得到Iem = 3 1 (illu, Ln), 3 1 (///".L(i)表示光波illu反方向傳播距離Ltl的過程；
[0037]?聚焦透鏡面上波函數lens分布乘以選擇的縮束器的縮束比k即獲得待測高功率激光光束波前分布。
[0038]本發明的技術效果:
[0039]I)裝置固定在一個多孔固定板上，經過一次校準以后可以移動進行波前測量，十分便攜，適用于任意光路中，只需要記錄一幅衍射光斑，適用于連續和脈沖激光光束測量。
[0040]2)裝置結構簡單、體積小，滿足于高功率激光驅動器中光束波前測量的要求。
[0041]3)該裝置部件構成簡單，成本低于現有常用的干涉測量波前儀器，并且分辨率高，由于波前測量在各個領域都有十分重要的應用，需求量比較大，該裝置具有十分廣闊的市場前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0043]圖1是x-z平面上的可移動式高功率激光光束波前測量裝置示意圖。
[0044]圖2是y-ζ平面上的可移動式高功率激光光束波前測量裝置示意圖。
[0045]圖3是χ-y平面上的可移動式高功率激光光束波前測量裝置示意圖。
[0046]圖中:1-縮束器，2-聚焦透鏡，3-光學衰減片，4-分光棱鏡，5-小孔光闌，6_隨機相位板，7-光學衰減片，8-光斑探測器，9-光斑探測器，10- 二維電動位移臺，11-多孔固定板，12-22固定支桿，23-直線滑動導軌。
【具體實施方式】
[0047]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此實施例限制本發明的保護范圍。
[0048]請先參閱圖1，圖1是x-z平面上的可移動式高功率激光光束波前測量裝置示意圖，如圖所示，待測高功率激光光束通過縮束比可選縮束器I后由聚焦透鏡2聚焦，然后通過第一光學衰減片3調整光強以后經過分光棱鏡4分成兩束，其中一束光經過第二光學衰減片7調整光強后利用第一光斑探測器8探測待測光束的焦點位置進行光路調整，當待測光束的焦點位置調整到校準的焦點位置時代表光路定位完成，另外一束光焦點處放置一可調小孔光闌5，通過光闌后照射到隨機相位板6，此時利用第二光斑探測器9記錄一幅衍射光斑即可獲得待測光束的波前測量，第一光斑探測器8、第二光斑探測器9與計算機的輸入端相連。圖2所示該裝置部件縮束器1、聚焦透鏡2、第一光學衰減片3、分光棱鏡4、小孔光闌5、隨機相位板6、第二光學衰減片7、第一光斑探測器8和第二光斑探測器9分別通過固定桿12-20固定在多孔固定板11上，各自位置保持確定。圖3所示用一個直線滑動導軌23移動光斑探測器8來尋找焦點的位置，當焦點位置確定以后，第一光斑探測器8位置保持確定，固定支桿21和22分別用來把第二光學衰減片7和第一光斑探測器8固定在多孔固定板11上。
[0049]隨機相位板6采用相位板為O和π隨機分布P，最小單元的大小為7.4 μ m，可調小孔光闌5處平面焦點位置距離隨機相位板6平面L1為3.5cm,普通(XD作為第一光斑探測器8和第二光斑探測器9，其分辨率為2048像素X 2048像素，最小單元為7.4 μ m，隨機相位板6平面到第二光斑探測器9的距離L2為6cm，記錄高功率脈沖激光光束時利用外部觸發信號觸發C⑶記錄一幅衍射光斑，光斑分布為I，輸入計算機進行迭代運算。
[0050]利用該裝置實現可移動式高功率激光光束波前測量，步驟如下:
[0051]I)根據待測高功率激光光束直徑大小選擇合適的縮束器1，本實施例中縮束器I的縮束比k為5，使待測光束聚焦后通過隨機相位板6后的衍射光斑尺寸大小與第二光斑探測器9靶面大小基本相等；
[0052]2)選擇合適的第一光學衰減片3，使待測光束聚焦后通過隨機相位板6后的衍射光斑光強最大值與第二光斑探測器9的飽和值相當；
[0053]3)移動測量時，只需移動固定在多孔固定板11上的所有部件，調制整個裝置的高度和方向，保證待測光束通過可調小孔光闌5并使第一光斑探測器8觀察到的焦點與計算機記錄保持的焦點位置重合；
[0054]4) 二維電動位移臺10和第二光斑探測器9與計算機的輸入端相連，由計算機程序控制二維電動位移臺10的移動位移大小，使得待測光束全部通過隨機相位板6，第二光斑探測器9記錄的光斑強度分布輸入計算機進行數據處理；
[0055]5)所述的計算機采用下面的迭代運算實現待測高功率激光光束波前測量:
[0056]①在小孔光闌5處給焦點光波分布一初始的隨機猜測值奶，光闌孔徑大小限制函數S1, Γι為初始光闌半徑，本實施例中初始光闌半徑η為3mm，半徑Γι范圍以內S1函數取值為1，Γ!范圍以外S1函數取值為O，初始小孔光闌5面上的光波分布為=^1 ;
[0057]②第η次傳播到隨機相位板6面上的照明光函數為W? = ^(Jocusii--?),3(/οα--.Α)表示第η次迭代光波f0Cusn傳播距離L1的過程；
[0058]③在隨機相位板6面上，隨機相位板的的分布函數為P，第η次照明光通過隨機相位板后的出射波函數為= Zs(JocusirLi)*P ；
[0059]④第η次第二光斑探測器9靶面上衍射光斑的復振幅分布difj], = ^(CxiiirL1)，3(?77,,.L2)表示第n次迭代光波exitj#播距離L2的過程；
[0060]⑤第二光斑探測器9實際記錄的光斑分布為I，復振幅分布(^〖匕和^/7的誤差error” = ^(卜////:,| — >/7) /[ / ;
[0061]⑥對光斑探測器9靶面上的衍射光斑的復振幅分布進行更新，得到diff’n，diff,, = V/ exp(/i//?)? Ψη 為 diffn 的相位分布；
[0062]⑦反方向傳播diff’ n到隨機相位板6面上得到exit= 7s 1 (Cliff irL2)，
3 ^/故__,,.乙)表示第η次迭代光波diff’ n反方向傳播距離L2的過程；
[0063]⑧更新隨機相位板6面上的照明光函數illu’ n = exit’ n/P ；
[0064]⑨反方向傳播iIlu’ n到可調小孔光闌5面上得到focus" = 3-1 (/77//
3 1 (///〃_?.V)表示第η次迭代光波illu’η反方向傳播距離L1的過程；
[0065]⑩增大小孔光闌5半徑為rn+1，半徑rn+1范圍以內光闌孔徑大小限制函數Sn+1取值為1，半徑rn+1范圍以外Sn+1函數取值為0，更新后的小孔光闌5面上的光波分布為f0CUsn+1=focus’n*Sn+1作為第n+1次迭代的初始光波分布；
[0066]?重復步驟②到⑩，直至誤差err0rn變化非常小甚至不變時迭代過程停止，此時更新后的隨機相位板6面上的照明光函數為illu ；
[0067]?反方向傳播illu到聚焦透鏡2面上得到丨u1、= 3 '(/////.L0), 3 '(illu.Lu)表示光波illu反方向傳播距離Ltl的過程；
[0068]?聚焦透鏡2面上波函數lens分布乘以選擇的縮束器I的縮束比大小k = 5即獲得待測高功率激光光束波前分布。
[0069]實驗結果表明，本發明裝置成功實現了可移動式高功率激光光束波前測量，該裝置固定在一個多孔固定板上，經過一次校準以后可以移動進行波前測量，十分便攜，適用于連續和脈沖激光光束測量，成本低于現有常用的干涉測量波前儀器，并且分辨率高。由于裝置結構簡單、體積小，滿足于高功率激光驅動器中光束波前測量的要求。
【權利要求】
1.一種可移動式高功率激光光束波前測量裝置，其特征在于，包括:沿待測高功率激光光束方向依次放置的縮束比可選的縮束器(I)、聚焦透鏡(2)、第一光學衰減片(3)和分光棱鏡(4)，該分光棱鏡(4)將光束分成兩路光束，沿一路光束方向依次放置第二光學衰減片(7)和第一光斑探測器(8)，沿另一路光束方向依次放置一可調小孔光闌(5)、隨機相位板(6)和第二光斑探測器(9);所述的第一光斑探測器⑶和第二光斑探測器(9)分別與計算機連接。
2.根據權利要求1所述的可移動式高功率激光光束波前測量裝置，其特征在于，還包括多孔固定板(11)和設置在該多孔固定板(11)上的直線滑動導軌(23)及二維電動位移臺(10)； 所述的縮束器(I)、聚焦透鏡(2)、第一光學衰減片(3)、分光棱鏡(4)、小孔光闌(5)、隨機相位板￠)、第二光學衰減片(7)、第一光斑探測器(8)和第二光斑探測器(9)分別通過固定桿與所述的多孔固定板(11)固定； 所述的二維電動位移臺(10)與計算機相連。
3.利用權利要求1所述的測量裝置進行高功率激光光束波前測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)以待測高功率激光光束為基準，確定光軸，沿待測光入射方向依次放置縮束比可選的縮束器(I)、聚焦透鏡(2)、第一光學衰減片(3)和分光棱鏡(4)，各光學元件與待測光束垂直且中心保持在光軸上； 2)根據待測高功率激光光束直徑大小選擇合適的縮束器(I)，使待測光束被聚焦后通過隨機相位板(6)后的衍射光斑尺寸大小與第二光斑探測器(9)靶面大小基本相等； 3)選擇合適的第一光學衰減片(3)，使待測光束聚焦后通過隨機相位板(6)后的衍射光斑光強最大值與第二光斑探測器(9)的飽和值相當； 4)選擇合適的第二光學衰減片(7)，使分出來的光束聚焦到第一光斑探測器(8)的焦點光強值與飽和值相當； 5)移動直線滑動導軌(23)，當第一光斑探測器(8)的靶面在垂直待測光入射方向光束的焦點的位置，記錄此時的焦斑分布，送入計算機保存； 6)在分光棱鏡(4)分光后的一路光束焦點處放置一可調的小孔光闌(5),調整小孔光闌(5)孔徑的大小，在保證焦點處的光束全部通過小孔光闌(5)的前提下使得光闌孔徑盡可能的小； 7)隨機相位板￠)的相位分布已知，尺寸大小滿足待測光束全部通過，由二維電動位移臺(10)控制送入光路中； 8)用直尺測量出聚焦透鏡(2)到隨機相位板(6)的直線距離Ltl，小孔光闌(5)到隨機相位板(6)的直線距離L1，隨機相位板(6)到第二光斑探測器(9)靶面的直線距離L2; 9)整個裝置的部件用固定支桿(12-22)固定在多孔固定板(11)上，并且各自位置確定; 10)移動測量時，只需移動固定在多孔固定板(11)上的所有部件，待測光束通過縮束器(I)和可調小孔光闌(5)并使第一光斑探測器(8)觀察到的焦點與計算機記錄保持的焦點位置重合； 11)由計算機程序控制二維電動位移臺(10)的移動，帶動隨機相位板(6)移動至使待測光束全部通過隨機相位板￠)的位置，第二光斑探測器(9)記錄的光斑強度分布輸入計算機進行數據處理； 12)利用計算機進行待測高功率激光光束波前測量。
4.根據權利要求3所述的高功率激光光束波前測量方法，其特征在于，所述的步驟12)利用計算機進行待測高功率激光光束波前測量，具體如下: ①在小孔光闌(5)處給焦點光波分布一初始的隨機猜測值奶，光闌孔徑大小限制函數S1，初始光闌半徑r1; 當實際光闌半徑在初始光闌半徑!^范圍以內，則函數S1取值為1，代表光可以透過光闌， 當實際光闌半徑在初始光闌半徑A范圍以外，則函數S1取值為O，代表光不能透過光闌， 初始小孔光闌(5)面上的光波分布為介CiW1 =的*51; ②第η次傳播到隨機相位板(6)面上的照明光函數為—n= Ajocrnu ,I1),^./OcmvL1)表示第η次迭代光波f0Cusn傳播距離LI的過程； ③在隨機相位板(6)面上，隨機相位板的分布函數為P，第η次照明光通過隨機相位板后的出射波函數為exit,, = ZKJbcus1rLlVP; ④第η次第二光斑探測器(9)靶面上衍射光斑的復振幅分布diJl, = ^(cxil?,L2),i2)表示第n次迭代光波exitj#播距離L2的過程； ⑤第二光斑探測器(9)實際記錄的光斑分布為I，復振幅分布diffn和力的誤差error =X(|c////；,|->/7) /[J ; ⑥對第二光斑探測器(9)靶面上的衍射光斑的復振幅分布進行更新，得到diff’n，<；////'? = λ/7exp(/'i//?)，ψη 為 diffn 的相位分布； ⑦反方向傳播diff’n到隨機相位板(6)面上得到八古3'(CliffirL2)，3 1 (Ciiffi,.!)表示第η次迭代光波diff’ n反方向傳播距離L2的過程； ⑧更新隨機相位板(6)面上的照明光函數illu’n= exifn/P ； ⑨反方向傳播1111!’?到小孔光闌(5)面上得到.細=3 '(HhlirLl), 3 X./J表示第η次迭代光波illu’ η反方向傳播距離L1的過程； ⑩增大小孔光闌(5)半徑為rn+1，半徑rn+1范圍以內光闌孔徑大小限制函數Sn+1取值為.1，半徑rn+1范圍以外Sn+1函數取值為0，更新后的小孔光闌(5)面上的光波分布為f0CUsn+1=focus’n*Sn+1作為第n+1次迭代的初始光波分布； ?重復步驟②到⑩，直至誤差61^04變化非常小甚至不變時迭代過程停止，此時更新后的隨機相位板(6)面上的照明光函數為illu ； ?反方向傳播illu到聚焦透鏡⑵面上得到/e/w= 1 (illu,L0)，3-1 (///h,Ltj)表示光波illu反方向傳播距離Ltl的過程； ?聚焦透鏡⑵面上波函數lens分布乘以選擇的縮束器⑴的縮束比k即獲得待測 高功率激光光束波前分布。
【文檔編號】G01J9/00GK104198054SQ201410428016
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】陶華, 潘興臣, 劉誠, 朱健強 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所