CN101614585A - 一种新型光束焦深区域光强分布实时测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型光束焦深区域光强分布实时测量方法及装置。本发明采用散焦光栅和图像传感器件结合使用，同时将需要探测的多个平面成像于图像传感器件靶面上，图像传感器靶面上的各衍射级图像对应于所需要探测的不同平面上的光强分布，不同于传统需要移动图像传感器来测量不同位置处光强分布方法，可以用来实时检测脉冲激光或者变化过程中的光束光强分布。本发明具有操作方便、测量精度高、使用范围广、成本低廉等优点。

Description

一种新型光束焦深区域光强分布实时测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光束焦深区光强实时检测方法及装置，适用于实时检测光束焦深区传输路径上焦点附近不同位置处的多个平面上的光强分布，尤其适用于检测高重复频率激光的光束光强分布。可广泛应用于超快激光物理实验和激光核聚变等需要确切知道与物质相互作用面处激光光强分布的研究中。

背景技术

在激光与物质相互作用研究中，一般需要将激光聚焦，以便获得高的激光功率密度。因此准确测量聚焦光斑的光强分布对研究的进展具有重要的现实意义。在某些具体的应用中，如激光核聚变，需要驱动多路脉冲激光束从不同的角度同时辐照靶丸，这就需要控制多路光束的光强分布，使其在靶丸上的光强分布接近一致，为保证精确性，就需要对各路光束的焦深区域的光强分布进行精确检测。另外在高精度激光材料加工、激光热处理、光的数字化处理等应用中，也需要对光束焦深区域的光强分布进行检测。常规的焦深区域焦点附近前后位置光强分布测量采用移动图像传感器逐点测量，测量精度低，且不能应用于测量脉冲激光焦深区域的光强分布。分光镜法和透镜阵列法可实现多个位置同时测量，但非全光学实现，存在结构复杂、操作繁琐等缺陷。

1998年，英国学者Paul M.Blanchard等人提出了基于散焦光栅的多平面成像技术，并实验实现了在同一像平面对三个物平面同时成像。散焦光栅实质上是离轴的菲涅耳波带片如图1所示，一方面起着普通光栅的棱镜作用，将入射波前在不同的衍射级上分束；另一方面起着菲涅耳波带片的透镜作用，在不同的衍射级上面引入不同的透镜作用。将两个散焦光栅正交叠放可用于实现对多个物平面同时成像，如果将更多的散焦光栅叠放在一起，可以实现对更多平面的同时成像。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题和实现的复杂程度，本发明基于散焦光栅衍射分光效应，提供了一种简单而有效的实时检测入射光束焦深区域焦点前后多个位置处光强分布的方法及装置。本发明利用散焦光栅和图像传感器件结合使用，通过图像传感器检测入射光束成像光斑的光强分布情况，成像光斑分布对应着入射光束焦深区域对应位置处的光强分布，可以直观地反映入射光束焦深区域焦点附近对应位置处的光强分布，为实时光束控制和光束分析利用提供有效的反馈信息。该发明检测精度高，操作方便，成本低廉。

本发明的技术解决方案为：

一种新型光束焦深区域光强分布实时测量方法，该方法包含下列步骤：

1、将入射光束采用光束变换器件，分离部分光束用于光束焦深区域光强实时检测。

2、将散焦光栅和图像传感器置于被测光束光路中。

3、调节图像传感器位置，将图像传感器置于被测光束焦平面上，成像出各级衍射光斑。

4、采用计算实时采集图像，对图像进行滤波等处理，滤除图像传感器噪声，得到所成像的光斑分布。

5、根据成像关系得出成像光斑所对应的实际光斑的位置和光强分布情况。

散焦光栅具有对称分布的正负焦点。散焦光栅结合图像传感器可用于对光束焦点附近的光场分布进行实时检测。图像传感器置于入射光束的焦点位置，假设入射光束的等效焦距为f，散焦光栅的正一级等效焦距为f_g，图像传感器上面所成像的各级衍射光斑与实际光束光场分布，可根据成像关系得到。

$f_{+n}=\frac{f_g/\mathrm{nf}}{f_g/n+f}---\left(1\right)$

$f_{-n}=\frac{f_g/\mathrm{nf}}{f_g/n-f}---\left(1\right)$

f₀＝f    (3)

式中n代表衍射级次，f_+n和f_-n分别为散焦光栅和入射光束等效焦距的组合焦距，也为成像的衍射光斑所对应的实际光斑距离散焦光栅的距离。所以焦平面上图像传感器所成像的衍射光斑分别对应散焦光栅后距离散焦光栅为f_+n到f再到f_-n的位置处光场光强分布。

成像光斑与实际光斑的大小关系为：

$d_{+n}=\frac{f_n+f}{f_n}{d}_{+2n}---\left(4\right)$

$d_{-n}=\frac{f_{-n}-f}{f_{-n}}{d}_{-2n}---\left(5\right)$

d_+n和d_-n为图像传感器所成像光斑的大小，d_+2n和d_-2n为实际光斑的大小。

两个一维散焦光栅正交叠放使用，散焦光栅等效焦距为两个一维散焦光栅焦距的组合。在图像传感器上面成像的光斑数量是一维散焦光栅的二次方，所以可以有效地扩大焦深区域测量范围和测量精度。根据图像传感器所成像的光斑分布，可以得出系统实际位置处的光场光强分布。可根据需要实现测量的精度和范围，合理选择散焦光栅参数。

本发明提供了新型光束焦深区域光强分布实时测量装置。包括激光束1、光束变换单元2、正交散焦光栅3、中性密度滤波片4、图像传感器5和计算机6，其中光束变换单元2位于正交散焦光栅3之前，中性密度滤波片4位于正交散焦光栅3之后，图像传感器5位于中性密度滤波片4之后，计算机6之前。

散焦光栅可以为一维散焦光栅，也可以为二维正交散焦光栅，二维散焦光栅在图像传感器上成像的光斑数量是一维光栅的二次方，测量范围和测量精度要优于一维散焦光栅；也可以采用更多的一维散焦光栅成一定角度叠放使用，在图像传感器上成像更多的光斑；图像传感器可以为CCD、CMOS等器件；散焦光栅可以为相位型也可以为振幅型，其中相位型散焦光栅性能要优于振幅型散焦光栅。

本发明中需要检测的激光束1入射到光束变换单元2，分离一部分光束用作实时检测应用。取样光束进入正交散焦光栅3，调节图像传感器5位于入射光束的焦平面上。光束通过正交散焦光栅3和中型密度滤波片4，成像于图像传感器5上面。计算机6实时采集数据，并对图像进行滤波等处理，得到各衍射光斑，根据成像光斑和实际光斑的对应关系，计算得出系统的实际光斑分布信息。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1、本发明提出的实时检测光束焦深区域不同位置处光强分布的方法及装置，克服了传统检测装置采用逐步移动图像传感器来检测焦深区域不同位置处的光强分布的复杂性和不准确性。由于只使用单图像传感器，可应用于脉冲激光的焦深区域光强分布检测。

2、本发明适用范围广，可以广泛应用于化学、固体和光纤等激光器的检测，全光学地实现了焦深区域光强分布检测，对工作环境和仪器设备没有特殊要求，不需要复杂的后续数据处理过程。

3、本系统具有大的视场角，本发明整个系统的光路容易对准。因此只要入射光束能够在散焦光栅和图像传感器组合的视场角范围内，就能够在图像传感器上面探测到光斑分布。

附图说明

图1为散焦光栅结构原理图

图2为光束焦深区域光强分布实时检测装置结构原理图

图3分离光路检测原理图

图4为直接将相位型散焦光栅和图像传感器置于入射光路中进行测量

图5为采用准直透镜对入射光束进行准直，准直后光束入射相位型散焦光栅、透镜组合(图像传感器位于透镜焦平面)进行测量

图6正交散焦光栅测量光斑与光束焦深区域实际光斑对应关系图

具体实施方式

整个检测系统包括激光束1、光束变换单元2、正交散焦光栅3、中性密度滤波片4、图像传感器5和计算机6，其中光束变换单元2位于正交散焦光栅3之前，中性密度滤波片4位于正交散焦光栅3之后，图像传感器5位于中性密度滤波片4之后，计算机6之前。整个系统的工作原理如图2所示：

其具体的工作过程为：

1、如图3所示，采用分光器件，分离部分光束供检测；

2、将相位型散焦光栅和图像传感器置于光路中，调节图像传感器置于分离光路光束的焦平面位置，成像出各级衍射光斑。

3、采用计算实时采集图像，对图像进行滤波等处理，滤除图像传感器噪声，得到所成像的光斑分布。

4、根据成像关系得出成像光斑所对应的实际光斑的位置和光强分布情况。

可以采用光束变换器件(主要包括透镜和分束镜等器件)如图3所示，分离一部分光束出来，用做检测应用；也可以不分离光束出来，直接将散焦光栅和图像传感器置于主光路中如图4所示，检测焦深区域光强分布；也可以采用准直透镜对被测光束进行准直如图5所示，准直后的光束入射散焦光栅和短焦透镜组合(图像传感器器被置于短焦透镜的焦平面位置)，在图像传感器上面成像出各级衍射光斑，根据像传递关系，得出实际光束焦深区域的光强分布。

图像传感器需要位于被测光束的焦点位置或者分离光路光束的焦点位置，焦距f为入射光束的等效焦距。

采用图像传感器采集成像光斑时，可以根据实际需要和器件特性，采集散焦光栅的正负一级和零级光斑，也可以通过合理设计光栅参数和选择合适的图像传感器采集正负三级或者更高衍射级的光斑、正负一级和零级光斑，从而可以覆盖更大的测量范围。

该光束焦深区光强实时检测方法不仅可以用来检测发散球面波或者会聚球面波的焦深区域的光强分布，还可以用来检测高斯光束束腰附近的光强分布，这时可根据高斯光束的薄透镜变换关系，得出高斯光束束腰附近实际光场分布与图像传感器上面成像光斑之间的关系；可采用散焦光栅和短焦透镜密接使用，调节图像传感器，使得图像传感器成像零级光斑最小，即图像传感器位于经散焦光栅和短焦透镜变换过的被测光束的束腰位置，图像传感器上面成像的光斑分别对应入射高斯光束束腰附近不同位置处的光场光强分布。

Claims (7)

1、一种新型光束焦深区光强实时测量方法及装置，其特征在于该方法包含下列步骤：

①将入射光束采用光束变换器件，分离部分光束用于光束焦深区域光强实时检测。

②将散焦光栅和图像传感器置于被测光束光路中。

③调节图像传感器位置，将图像传感器置于被测光束焦平面上，成像出各级衍射光斑。

④采用计算机实时采集图像，并对图像进行滤波等处理，滤除图像传感器噪声，得到各衍射级光斑分布。

⑤根据成像关系得出成像光斑所对应的实际光斑的位置和光强分布情况。

⑥散焦光栅具有对称分布的正负焦点，散焦光栅结合图像传感器可用于对光束焦点附近的光场分布进行实时检测，图像传感器置于入射光束的焦点位置，假设入射光束的等效焦距为f，散焦光栅的正一衍射级等效焦距为f_g，图像传感器上面所成像的各级衍射光斑与实际光束光场分布，可根据成像关系得到，

$f_{+n}=\frac{f_g/\mathrm{nf}}{f_g/n+f}---\left(1\right)$

$f_{-n}=\frac{f_g/\mathrm{nf}}{f_g/n-f}---\left(2\right)$

f₀＝f    (3)

式中n代表衍射级次，f_+n和f_-n分别为散焦光栅和入射光束等效焦距的组合焦距，也为成像的衍射光斑所对应的实际光斑距离散焦光栅的距离，所以焦平面上图像传感器所成像的衍射光斑分别对应散焦光栅后距离散焦光栅为f_+n到f再到f_-n的位置处光场光强分布；

成像光斑与实际光斑的大小关系为：

$d_{+n}=\frac{f_n+f}{f_n}{d}_{+2n}---\left(4\right)$

$d_{-n}=\frac{f_{-n}-f}{f_{-n}}{d}_{-2n}---\left(5\right)$

d_+n和d_-n为图像传感器所成像光斑的大小，d_+2n和d_-2n为实际光斑的大小；

两个一维散焦光栅正交叠放使用，散焦光栅等效焦距为两个一维散焦光栅焦距的组合，在图像传感器上面成像的光斑数量是一维散焦光栅的二次方，所以可以有效地扩大焦深区域测量范围和测量精度，根据图像传感器所成像的光斑分布，可以得出系统实际位置处的光场光强分布，可根据需要实现测量的精度和范围，合理选择散焦光栅参数。

2、根据权利要求1所述的一种新型光束焦深区光强实时测量方法及装置，其特征在于：散焦光栅可以为一维散焦光栅，也可以为二维正交散焦光栅，二维散焦光栅在图像传感器上成像的光斑数量是一维光栅的二次方，测量范围和测量精度要优于一维散焦光栅；也可以采用更多的一维散焦光栅成一定角度叠放使用，在图像传感器上成像更多的光斑；图像传感器可以为CCD、CMOS等器件；散焦光栅可以为相位型也可以为振幅型，其中相位型散焦光栅性能要优于振幅型散焦光栅。

3、根据权利要求1所述的一种新型光束焦深区光强实时测量方法及装置，其特征在于：可以采用光束变换器件如图3所示，分离一部分光束出来，用做检测应用；也可以不分离光束出来，直接将散焦光栅和图像传感器置于主光路中如图4所示，检测焦深区域光强分布；也可以采用准直透镜对被测光束进行准直如图5所示，准直后的光束入射散焦光栅和短焦透镜组合(图像传感器器被置于短焦透镜的焦平面位置)，在图像传感器上面成像出各级衍射光斑，根据像传递关系，得出实际光束焦深区域的光强分布。

4、根据权利要求1所述的一种新型光束焦深区光强实时测量方法及装置，其特征在于图像传感器需要位于被测光束的焦点位置或者分离光路光束的焦点位置，焦距f为入射光束的等效焦距。

5、根据权利要求1所述的一种新型光束焦深区光强实时测量方法及装置，其特征在于采用图像传感器采集成像光斑时，可以根据实际需要和器件特性，采集散焦光栅的正负一级和零级光斑，也可以通过合理设计光栅参数和选择合适的图像传感器采集正负三级或者更高衍射级的光斑、正负一级和零级光斑，从而可以覆盖更大的测量范围。

6、根据权利要求1所述的一种新型光束焦深区光强实时测量方法及装置，其特征在于：不仅可以用来检测发散球面波或者会聚球面波的焦深区域的光强分布，还可以用来检测高斯光束束腰附近的光强分布，这时可根据高斯光束的薄透镜变换关系，得出高斯光束束腰附近实际光场分布与图像传感器上面成像光斑之间的关系；可采用散焦光栅和短焦透镜密接使用，调节图像传感器，使得图像传感器成像零级光斑最小，即图像传感器位于经散焦光栅和短焦透镜变换过的被测光束的束腰位置，图像传感器上面成像的光斑分别对应入射高斯光束束腰附近不同处的光场光强分布。

7、根据权利要求1所述的一种新型光束焦深区光强实时测量方法及装置，其特征在于：装置包括光束变换器件(2)，正交散焦光栅(3)，中性密度滤波片(4)，图像传感器(5)和计算机(6)，其中光束变换单元(2)位于正交散焦光栅(3)之前，中性密度滤波片(4)位于正交散焦光栅(3)之后，图像传感器(5)位于中性密度滤波片(4)之后，计算机(6)之前。

Images