CN102243098B - 强激光器光束质量原位检测系统 - Google Patents

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本发明提出强激光器光束质量原位检测系统，属于军用激光测试技术领域。本发明提出的强激光器光束质量原位检测系统由光学测量头单元，信息处理计算机，主控电箱，散射接收系统和指示激光器组成。该系统能对天基、地基、机载、舰载、车载多平台激光器系统的光束质量进行检测，实现强激光器光束质量的一次性快速、原位、综合评价，提高激光器系统的生成能力和抗干扰能力，为激光器系统发挥最优效能提供有力支持。

Description

强激光器光束质量原位检测系统
技术领域
本发明涉及强激光器光束质量原位检测系统，属于激光测试技术领域。
背景技术
自激光器诞生50余年来，其必须要解决的关键技术是：研制性能优异的高能激光器使其产生高光束质量的高能光束，提供对目标破坏、供能或加工的能源，是高能激光器的基础和核心；发展高精度跟踪瞄准系统用于使发射望远镜始终跟踪瞄准飞行中的目标，并使光斑锁定在目标的某一固定部位，即激光以最小光斑、最大功率密度、最大能量集中度汇聚在瞄准点上，从而有效地摧毁或破坏目标。因此，对于高能激光器的研制、生产和应用而言，如何快速、精密、综合评价激光器的光束质量至关重要。
激光光束质量由光场振幅和相位共同决定，它是激光器系统的一项重要性能指标。激光的作用效果即传输到目标上的功率密度，不仅取决于激光器输出功率，而且与激光的光束质量密切相关。传统的激光器光束质量检测中，重要的参数之一是其束散角的测量。目前综合起来常用测量方法主要有：烧蚀法、CCD法、五棱镜法及M2因子法。除烧蚀法外其他几种方法在确定束散角大小时，并不是直接测量束散角，而是首先测量激光光束的束宽，然后根据束宽和发散角之间的关系推导出束散角的大小。所以，束散角的测量方法实质上是激光光束的束宽的测量方法。但在测量高能激光器激光光束的束宽时，受探测器损伤阈值所限，传统的测量方法有：针孔装置法；狭缝扫描法；空心探针法；套孔法等。这些方法都是以实现能量分解为目的，有效地实现能量衰减，满足探测器不饱和的要求。其中，ISO认可的针孔法使用时由于衍射引起较大的束宽测量误差，所以很少用；狭缝法使用时狭缝宽度为被测束宽的1/10以下才不致引起较大测量误差；空心探针法使用时，探针的制备相当复杂，工程实用化水平不高；套孔法是非ISO认可方法。这些方法最大的弊端是难以实现脉冲式激光器的实时测量，亦即无法完成在一个激光脉冲期间实现测量。随着CCD器件性能的不断提高，目前广泛采用CCD光斑成像法实现对激光光束质量的分析。该种方法使用时同样要考虑探测器件的损伤阈值，因此对高能激光器测量时需要对激光光束进行整体能量衰减，从而造成大部分高阶分量被滤掉，带来用1/e2能量确定束宽时的测量误差。另外强激光器原位检测问题也是一个难题，以往的检测方法只能对激光器单个单元器件进行，无法对已经安装光学系统进行检测，或是对已经长时间使用的激光器进行复检。原位检测是指对被检测对象在其原来的安装、装配位置或整体系统上，进行的检查与测试，具有快速、方便、有效的特性，是现代检测技术的重要组成部分。依据国际标准度量局ISO在ISO1146和ISO15637中推荐的光束质量评价方法，本发明提出基于微透镜阵列的强激光器光束质量原位检测系统，完成高能激光武器光束质量的一次性快速、原位、综合评价，解决高能激光器光束质量测试的难题。
发明内容
为实现高能激光器光束质量的一次性快速、原位、综合评价，本发明提出了强激光器光束质量原位检测系统。
强激光器光束质量原位检测系统，如图1所示，其特征在于，该系统由光学测量头单元2，信息处理计算机3，主控电箱4，散射接收系统5和指示激光器6组成。其中光学测量头单元2是由适配光学系统20，缩束系统21，电光衰减22，微透镜阵列23，CCD24和精密二维调整平台25构成。
所述的光学测量头单元2是用来测量强激光器光束质量的接收器件，适配光学系统20、缩束系统21、电光衰减22、微透镜阵列23和CCD24均固定在精密二维调整平台25上方，并依次同轴机械连接；被试品1发射的激光束首先入射到适配光学系统20，适配光学系统20调整光束大小后，入射到缩束系统21并由缩束系统21缩束后，入射到电光衰减22，电光衰减22接收主控电箱4发出的定比衰减驱动信号，完成激光束能量的定比衰减；定比衰减后的光束入射到微透镜阵列23，由微透镜阵列23聚焦形成的阵列光斑入射CCD24，CCD24接收主控电箱4发出的同步采集触发信号，完成激光束的阵列光斑的同步采集；精密二维调整平台25接收主控电箱4发出的对准倾斜参数电驱动信号，对精密二维调整平台25的水平和垂直角度进行调整，使激光束聚焦后的阵列光斑成像在CCD24的中心位置，完成光束在线精密对准。
所述的信息处理计算机3有两个信号接口，一个信号接口与CCD24相连接，另外一个信号接口与主控电箱4相连接；信息处理计算机3中安装有图像采集卡，采集来自于CCD24的阵列光斑；信息处理计算机3对阵列光斑进行分析后，通过阵列光斑的平均斜率重构出入射激光束的波前图像，通过波前图像的解算得到M2因子、束散角、斯特列尔比、衍射极限倍数、光斑近场和远场能量密度分布、光斑振幅和相位等光束质量综合参数，同时通过阵列光斑的平均斜率解算出精密二维调整平台25的对准倾斜参数并传递给主控电箱4；信息处理计算机3通过阵列光斑的灰度信息来计算入射激光束的衰减倍率并传递给主控电箱4。
所述的主控电箱4有两个输入接口和三个输出接口；主控电箱4的一个输入接口接收信息处理计算机3发送的入射激光束的衰减倍率和精密二维调整平台25的对准倾斜参数；主控电箱4通过接收到的入射激光束的衰减倍率产生入射激光束的定比衰减驱动信号，并将此信号通过第一个输出接口传送给电光衰减22；主控电箱4通过接收到的精密二维调整平台25的对准倾斜参数产生对准倾斜参数电驱动信号，并将此信号通过第二个输出接口传送给精密二维调整平台25；主控电箱4的另一个无线输入接口接收散射接收系统5发送的超前预测同步信号；主控电箱4通过接收到的超前预测同步信号产生同步采集触发信号，并将此信号通过第三个输出接口传送给CCD24。
所述的散射接收系统5接收被试品1的激光后向散射激光脉冲信号，计算出超前预测同步信号，并将此信号传递给主控电箱4。
所述的指示激光器6发出可见的绿色激光入射到CCD24，用于对被试品1入射到CCD24的激光光束进行粗对准。
有益效果
本发明提出的强激光器光束质量原位检测系统能对天基、地基、机载、舰载、车载多平台激光器系统的光束质量进行检测，提高激光器系统的生成能力和抗干扰能力，为激光器系统发挥最优效能提供有力支持。
附图说明
图1是强激光器光束质量原位检测系统构成示意图，此图也是说明书摘要附图，其中：1为被试品，2为光学测量头单元，3为信息处理计算机，4为主控电箱，5为散射接收系统，6为指示激光器，20为适配光学系统，21为缩束系统，22为电光衰减，23为微透镜阵列，24为CCD，25为精密二维调整平台。
具体实施方式
强激光器光束质量原位检测系统，如图1所示，其特征在于，该系统由光学测量头单元2，信息处理计算机3，主控电箱4，散射接收系统5和指示激光器6组成。其中光学测量头单元2是由适配光学系统20，缩束系统21，电光衰减22，微透镜阵列23，CCD24和精密二维调整平台25构成。
所述的光学测量头单元2是用来测量强激光器光束质量的接收器件，适配光学系统20、缩束系统21、电光衰减22、微透镜阵列23和CCD24均固定在精密二维调整平台25上方，并依次同轴机械连接；被试品1发射的激光束首先入射到适配光学系统20，适配光学系统20调整光束大小后，入射到缩束系统21并由缩束系统21缩束后，入射到电光衰减22，电光衰减22接收主控电箱4发出的定比衰减驱动信号，完成激光束能量的定比衰减；定比衰减后的光束入射到微透镜阵列23，由微透镜阵列23聚焦形成的阵列光斑入射CCD24，CCD24接收主控电箱4发出的同步采集触发信号，完成激光束的阵列光斑的同步采集；精密二维调整平台25接收主控电箱4发出的对准倾斜参数电驱动信号，对精密二维调整平台25的水平和垂直角度进行调整，使激光束聚焦后的阵列光斑成像在CCD24的中心位置，完成光束在线精密对准。
所述的信息处理计算机3有两个信号接口，一个信号接口与CCD24相连接，另外一个信号接口与主控电箱4相连接；信息处理计算机3中安装有图像采集卡，采集来自于CCD24的阵列光斑；信息处理计算机3对阵列光斑进行分析后，通过阵列光斑的平均斜率重构出入射激光束的波前图像，通过波前图像的解算得到M2因子、束散角、斯特列尔比、衍射极限倍数、光斑近场和远场能量密度分布、光斑振幅和相位等光束质量综合参数，同时通过阵列光斑的平均斜率解算出精密二维调整平台25的对准倾斜参数并传递给主控电箱4；信息处理计算机3通过阵列光斑的灰度信息来计算入射激光束的衰减倍率并传递给主控电箱4。
所述的主控电箱4有两个输入接口和三个输出接口；主控电箱4的一个输入接口接收信息处理计算机3发送的入射激光束的衰减倍率和精密二维调整平台25的对准倾斜参数；主控电箱4通过接收到的入射激光束的衰减倍率产生入射激光束的定比衰减驱动信号，并将此信号通过第一个输出接口传送给电光衰减22；主控电箱4通过接收到的精密二维调整平台25的对准倾斜参数产生对准倾斜参数电驱动信号，并将此信号通过第二个输出接口传送给精密二维调整平台25；主控电箱4的另一个无线输入接口接收散射接收系统5发送的超前预测同步信号；主控电箱4通过接收到的超前预测同步信号产生同步采集触发信号，并将此信号通过第三个输出接口传送给CCD24。
所述的散射接收系统5接收被试品1的激光后向散射激光脉冲信号，计算出超前预测同步信号，并将此信号传递给主控电箱4。
所述的指示激光器6发出可见的绿色激光入射到CCD24，用于对被试品1入射到CCD24的激光光束进行粗对准。

Claims (1)

1.强激光器光束质量原位检测系统，其特征在于，该系统是由光学测量头单元(2)，信息处理计算机(3)，主控电箱(4)，散射接收系统(5)和指示激光器(6)组成；其中光学测量头单元(2)是由适配光学系统(20)，缩束系统(21)，电光衰减(22)，微透镜阵列(23)，CCD(24)和精密二维调整平台(25)构成；
所述的光学测量头单元(2)是用来测量强激光器光束质量的接收器件，适配光学系统(20)、缩束系统(21)、电光衰减(22)、微透镜阵列(23)和CCD(24)均固定在精密二维调整平台(25)上方，并依次同轴机械连接；被试品(1)发射的激光束首先入射到适配光学系统(20)，适配光学系统(20)调整光束大小后，入射到缩束系统(21)并由缩束系统(21)缩束后，入射到电光衰减(22)，电光衰减(22)接收主控电箱(4)发出的定比衰减驱动信号，完成激光束能量的定比衰减；定比衰减后的光束入射到微透镜阵列(23)，由微透镜阵列(23)聚焦形成的阵列光斑入射CCD(24)，CCD(24)接收主控电箱(4)发出的同步采集触发信号，完成激光束的阵列光斑的同步采集；精密二维调整平台(25)接收主控电箱(4)发出的对准倾斜参数电驱动信号，对精密二维调整平台(25)的水平和垂直角度进行调整，使激光束聚焦后的阵列光斑成像在CCD(24)的中心位置，完成光束在线精密对准；
所述的信息处理计算机(3)有两个信号接口，一个信号接口与CCD(24)相连接，另外一个信号接口与主控电箱(4)相连接；信息处理计算机(3)中安装有图像采集卡，采集来自于CCD(24)的阵列光斑；信息处理计算机(3)对阵列光斑进行分析后，通过阵列光斑的平均斜率重构出入射激光束的波前图像，通过波前图像的解算得到M2因子、束散角、斯特列尔比、衍射极限倍数、光斑近场和远场能量密度分布、光斑振幅和相位等8个光束质量综合参数，同时通过阵列光斑的平均斜率解算出精密二维调整平台(25)的对准倾斜参数并传递给主控电箱(4)；信息处理计算机(3)通过阵列光斑的灰度信息来计算入射激光束的衰减倍率并传递给主控电箱(4)；
所述的主控电箱(4)有两个输入接口和三个输出接口；主控电箱(4)的一个输入接口接收信息处理计算机(3)发送的入射激光束的衰减倍率和精密二维调整平台(25)的对准倾斜参数；主控电箱(4)通过接收到的入射激光束的衰减倍率产生入射激光束的定比衰减驱动信号，并将此信号通过第一个输出接口传送给电光衰减(22)；主控电箱(4)通过接收到的精密二维调整平台(25)的对准倾斜参数产生对准倾斜参数电驱动信号，并将此信号通过第二个输出接口传送给精密二维调整平台(25)；主控电箱(4)的另一个无线输入接口接收散射接收系统(5)发送的超前预测同步信号；主控电箱(4)通过接收到的超前预测同步信号产生同步采集触发信号，并将此信号通过第三个输出接口传送给CCD(24)；
所述的散射接收系统(5)接收被试品(1)的激光后向散射激光脉冲信号，计算出超前预测同步信号，并将此信号传递给主控电箱(4)；
所述的指示激光器(6)发出可见的绿色激光入射到CCD(24)，用于对被试品(1)入射到CCD(24)的激光光束进行粗对准。
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