CN102937512A - 基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统，它的第一哈特曼探测器和第二哈特曼探测器呈对称状布置于待测分光镜的两侧，高能激光器发出的高功率激光入射至待测分光镜前表面后，一部分光能量被待测分光镜反射至离轴聚焦反射镜，然后被功率计接收；同步控制器发出同步触发信号控制高能激光器开启、第一哈特曼探测器和第二哈特曼探测器进行采集；第一哈特曼探测器和第二哈特曼探测器测得的子孔径偏移量数据被实时传送给计算机，通过计算机分析得到待测分光镜的反射像差

和透射像差随高能激光功率和辐照时间的变化特性。本发明具有结构简单紧凑、操作简便、能够提高高能激光分光镜膜系的测量分辨率和实时性等优点。

Description

基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统

技术领域

本发明主要涉及到分光镜像差的实时测量领域，特指一种基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统。

背景技术

“分光镜”是一种能够简化光学系统结构、增强系统抗干扰能力和便于系统波前像差探测的重要光学器件。分光镜像差，包括自身静态像差和在入射光作用下产生的动态像差，会在分光后的反射和透射波前中附加不同的相位畸变，使各子光束波前相位独立发生变化而不再具有可比性。在高能激光系统中，分光镜像差的影响尤为严重。因为高能激光系统是依据分光镜透射出来的弱光波前来评价强光光路中高功率激光光束质量的，而分光镜像差的存在会导致系统波前像差检测结果失真。由于分光镜薄膜及镜体材料对激光的吸收问题仍然难以解决，热致畸变导致的动态像差始终存在，因此分光镜像差、特别是热致动态像差的实时测量技术就尤为重要，准确获取像差信息才能设法消除其影响。

目前，分光镜像差的测量技术主要有：光热偏转技术、表面热透镜技术和哈特曼波前探测技术。光热偏转技术是上世纪八十年代提出的一种热波探测技术，可用于测量分光镜的反射或者透射像差，具有灵敏度高、实验装置简单和非接触测量等优势[W.B.Jackson,N.M.Amer,A.C.Boccara and D.Fournier,“Photothermal deflection spectroscopy and detection”，AppliedOptics,20(8),1333-1344(1981)]。但是，这种技术是通过探测光束的偏转量来分析测量点热致像差的，所以只能测量变形区域中某一点的像差信息，不能反映全貌。表面热透镜技术是对光热偏转技术的改进，使用大光斑探测，通过热致畸变对探测光束的热聚焦效应分析像差大小[范树海，贺洪波，范正修等，“表面热透镜技术应用于薄膜微弱吸收测量的理论和实验”，物理学报，30(12)，34-93(2005)]。这种技术只适合于空间低频缓变面形的检测，对于高频局部形变测量误差较大。哈特曼波前探测技术也是一种非接触测量技术，使用大光斑探测分光镜受热表面并通过子孔径划分的方式获取探测光在每一个子区域内的偏转量，再通过波前复原算法得到整个探测区域内的波前像差。这种技术具有精度高、速度快、实时性好、探测光束口径可调等优势，2005年在国内被首次应用于分光镜热致动态像差探测[齐文宗，黄伟，张彬等，“DF强激光反射镜热畸变的检测及热吸收的有限元分析”，《中国激光》，3(5)，379-383(2005)]。但是，根据目前公开技术资料，采用哈特曼探测器在单次测量中只能获取分光镜反射或透射像差中的一种，而要两者兼得必须采用分次测量的方式，这将导致两个问题：①分光镜动态热致像差具有时空变化特性，分次测量使得透/反波前像差的时间和空间对应性都较差，给消除分光镜像差的影响带来困难；②高能激光器运转功耗较大，分次测量增加了检测成本和复杂性。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、操作简便、能够提高高能激光分光镜膜系的测量分辨率和实时性的基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统，它包括第一哈特曼探测器、第二哈特曼探测器、高能激光器、离轴聚焦反射镜、功率计、同步控制器和计算机，所述第一哈特曼探测器和第二哈特曼探测器呈对称状布置于待测分光镜的两侧，所述高能激光器发出的高功率激光入射至待测分光镜前表面后，一部分光能量被待测分光镜反射至离轴聚焦反射镜，然后被功率计接收；所述同步控制器发出同步触发信号控制高能激光器开启、第一哈特曼探测器和第二哈特曼探测器进行采集；所述第一哈特曼探测器和第二哈特曼探测器测得的子孔径偏移量数据被实时传送给计算机，通过所述计算机分析得到待测分光镜的反射像差

和透射像差

随高能激光功率和辐照时间的变化特性。

作为本发明的进一步改进：

所述高能激光器发出的高功率激光以25°角入射至待测分光镜的前表面。

所述第一哈特曼探测器的标定流程为：所述第一哈特曼探测器利用内部配备的激光器发出与接收系统共光路的准直探测光束，将一标准平面反射镜放置于第一哈特曼探测器的前方，调整标准平面反射镜的角度和位置，使探测光束经标准平面反射镜反射后被第一哈特曼探测器自身接收；调整探测光的强度和第一哈特曼探测器内部的可调节中性滤光片，使第一哈特曼探测器各子孔径内光斑均可见且曝光适度，运行标定程序确定哈特曼测量零点。

所述第二哈特曼探测器的标定流程为：将所述第一哈特曼探测器发出的准直探测光束作为标定光，所述第二哈特曼探测器采用接收外部信号光方式工作，通过粗精对准功能调整自身光瞳及光轴位置，使第一哈特曼探测器的探测光束进入第二哈特曼探测器的各子孔径视场，并调节光强衰减使光斑曝光适度，运行标定程序确定第二哈特曼探测器的测量零点。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用两台哈特曼探测器协同探测，可同时获得分光镜的透射和反射像差随着激光辐照功率和辐照时间的变化特性。克服了现有技术中分光镜透/反像差必须分次测量、时间和空间对应性差、测量成本高的缺点。本发明中反射像差数据可用于分光镜薄膜吸收特性分析，透/反波前的实时相位差可为高能激光系统中消除分光镜影响提供重要依据。本发明还可应用于其他透明介质的动态像差检测，如板条激光器增益介质的热致像差测量等。

附图说明

图1是本发明中基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统的结构示意图。

图2是本发明中第一哈特曼探测器标定方法的示意图。

图3是本发明中第二哈特曼探测器标定方法的示意图。

图4是本发明在使用时标定的流程示意图。

图5是本发明中分光镜表面激光辐照区域与探测区域空间对应关系的示意图。

图6是通过本发明测量系统测量得到的分光镜反射像差的示意图。

图7是通过本发明测量系统测量得到的分光镜反射像差峰谷值随激光辐照时间的变化曲线示意图。

图8是通过本发明测量系统测量得到的分光镜透射像差的示意图。

图9是通过本发明测量系统测量得到的分光镜透射像差峰谷值随激光辐照时间的变化曲线示意图。

图例说明：

1、第一哈特曼探测器；2、第二哈特曼探测器；3、高能激光器；4、待测分光镜；5、离轴聚焦反射镜；6、功率计；7、同步控制器；8、计算机；9、标准平面反射镜。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明为一种基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统，它包括第一哈特曼探测器1、第二哈特曼探测器2、高能激光器3、离轴聚焦反射镜5、功率计6、同步控制器7和计算机8，第一哈特曼探测器1和第二哈特曼探测器2呈对称状布置于待测分光镜4的两侧，高能激光器3发出的高功率激光以25°角入射至待测分光镜4前表面后，一部分光能量被待测分光镜4反射至离轴聚焦反射镜5，然后被功率计6接收。同步控制器7发出同步触发信号，控制高能激光器3开启、第一哈特曼探测器1和第二哈特曼探测器2进行采集。通过第一哈特曼探测器1和第二哈特曼探测器2测得的子孔径偏移量数据被实时传送给计算机8。计算机8将根据哈特曼波前复原算法，通过分析得到分光镜反射像差

和透射像差

随高能激光功率和辐照时间的变化特性。

其中，第一哈特曼探测器1位于待测分光镜4的前方并采用自准直工作模式，内部配备独立激光光源，发出与接收系统共光路的探测光束，采用自准直测量标准平面镜的方式标定子孔径光斑零点位置。第二哈特曼探测器2位于待测分光镜4的后方并采用接收外来信号光工作模式。在未放入待测分光镜4的情况下，通过直接接收第一哈特曼探测器1的探测光束标定子孔径光斑零点位置。第一哈特曼探测器1发出的探测光束覆盖分光镜表面激光辐照区域，探测光强均匀，使探测光经待测分光镜4分光后的反射光束强度不低于自身探测器的光强响应下限，透射光束强度不低于第二哈特曼探测器2的光强响应下限。同步控制器7用来控制高能激光器3启动和两台哈特曼探测器开始采集，根据功率计6监测的高能激光功率以及两台哈特曼探测器测量得到的波前像差结果，分析计算待测分光镜4的分光镜像差随着激光辐照强度和辐照时间的变化特性。第一哈特曼探测器1和第二哈特曼探测器2的系统工作波长相同，但是子孔径规模可以不同。

在其他实施例中，两台哈特曼探测器可以更换为其他波前探测器件，如曲率传感器、剪切干涉仪和点衍射干涉仪等等，其中放于第一哈特曼探测器1位置的探测器需具有自准直测量功能。

在具体应用实例中，第一哈特曼探测器1和第二哈特曼探测器2可以采用中科院光电技术研究所研制的哈特曼探测器，如型号为HS-KD-01、HS-KD-02。高能激光器3可以采用Corelase公司的O-lase高能激光器。功率计6可以采用以色列OPHIR公司的大功率热电堆探头。

在本发明中，为了在测量结果中包含待测分光镜4的静态像差，第一哈特曼探测器1和第二哈特曼探测器2需要分别采用不同的标定方法确定子孔径光斑的零点位置。

如图2所示，为第一哈特曼探测器1的标定方法。第一哈特曼探测器1利用内部配备的激光器发出与接收系统共光路的准直探测光束，经检测面形平整度良好（畸变峰谷值≤0.5λ，畸变均方差≤0.1λ）的标准平面反射镜9被放置于第一哈特曼探测器1的前方，调整标准平面反射镜9的角度和位置，根据常规的哈特曼对准方法，使探测光束经标准平面反射镜9反射后被第一哈特曼探测器1自身接收。调整探测光的强度和探测器内部的可调节中性滤光片，使第一哈特曼探测器1各子孔径内光斑均可见且曝光适度，运行标定程序确定哈特曼测量零点。

如图3所示，为第二哈特曼探测器2的标定方式。将第一哈特曼探测器1发出的准直探测光束作为标定光，第二哈特曼探测器2采用接收外部信号光方式工作，通过粗精对准功能调整自身光瞳及光轴位置，使第一哈特曼探测器1的探测光束进入第二哈特曼探测器2各子孔径视场，并调节光强衰减使光斑曝光适度，运行标定程序确定第二哈特曼探测器2的测量零点。

需要注意的是，由于哈特曼探测器的测量精度与标定方式关系很大，所以光路的调整和哈特曼探测器的标定顺序非常重要。可以先按照图1所示的系统结构框图完成整个光路的调整，确定好光路中各个光学器件的相对位置。再将待测分光镜4替换成标准平面反射镜9（如果二者的外形尺寸基本相当，最好保持镜架固定不动，只更换镜片），标定第一哈特曼探测器1。然后，将标准平面反射镜9取出，使第一哈特曼探测器1发出的探测光束直接进入第二哈特曼探测器2，并完成第二哈特曼探测器2的标定。最后将待测分光镜4放入原来位置，准备开始分光镜热畸变测量工作，具体操作流程如图4所示。

本实施例中，进行系统光路调整的关键在于：确定高能激光光束和探测光束在待测分光镜4前表面上的光斑相对位置。如图5所示，当高能激光器3的激光输出窗口为圆形时，高能激光在待测分光镜4前表面的辐照区域为椭圆形，如标注Ⅰ所示。该椭圆短轴长度为r1，长轴长度为r2，该椭圆的外接圆如区域Ⅱ所标识，区域Ⅲ代表待测分光镜4的外缘，半径为r3。这样，第一哈特曼探测器1发出的圆形探测光束半径需∈[r2,r3]，才能保证热畸变测量范围完整。

本实施例中，同步控制器7兼有同步触发功能和计时功能。在实验开始后，同步控制器7发出触发信号，控制高能激光器3启动，并控制第一哈特曼探测器1和第二哈特曼探测器2同时开始数据采集。哈特曼探测器采集得到的原始光斑点阵图像被实时传输给计算机8，通过计算机8运行波前复原算法，最终得到待测分光镜4的反射像差

和透射像差

哈特曼波前复原算法主要分为区域法和模式法。区域法是利用子孔径相邻位置的测量数据估计中心点相位，适用于任意形状口径的波前重构；模式法将全孔径的波前相位展成一组基函数模式的线性组合，用全孔径的测量数据计算各模式系数，得到完整的波前展开式，从而求得波前相位。在本发明中，分光镜热畸变属于缓变低阶像差，因此适合采用复原算法中的模式法。

在复原算法中的模式法中，由于Zernike多项式在圆域彼此正交，且其低阶模式与光学设计中的Seidel像差（如：离焦、象散、彗差等）相对应，在测量光学系统中加工、装调引入的面形像差时，可以直观地进行像差分析，成为最为常用的基函数。在圆域，设入射光束波前像差

用Zernike模式函数系列Z_k(x,y)展开表示：

式中：l为模式数，a_k为待定的各模式系数，Z_k(x,y)为k阶Zernike函数。

模式法波前重构的实质是建立模式函数系列Z_k(x,y)与波前传感器测量的波前相位斜率间之间的线性关系，以求解各模式系数a_k。设波前传感器测量的第j个子孔径内的入射光束波前相位平均斜率为G_jx和G_jy：

其中，s_j表示第j个子孔径的面积，且式中：

$Z_{\mathrm{jkx}}=\frac{1}{s_j}\underset{s_j}{\∫\∫}{\left[\frac{\∂Z_k(x,y)}{\∂x}\right]}_j\mathrm{dxdy}---\left(4\right)$

$Z_{\mathrm{jky}}=\frac{1}{s_j}\underset{s_j}{\∫\∫}{\left[\frac{\∂Z_k(x,y)}{\∂y}\right]}_j\mathrm{dxdy}---\left(5\right)$

设哈特曼传感器共有M个子孔径，并取模式函数系列前l项进行波前重构，则模式重构的矩阵表达式为：

简化表示为：

G＝Z·A                （7）

式中G为波前相位斜率向量，包括哈特曼所有子孔径测量的x和y方向平均斜率，Z为波前重构矩阵，可根据子孔径的布局和模式函数事先计算得到，A为待定的模式函数系数向量。在测量得到波前相位斜率向量G后，利用奇异值分解法求出波前重构矩阵Z的广义逆Z⁺，就可以得到模式函数系数向量A在最小二乘意义下的最小范数解：

A＝Z⁺·G               （8）

将公式（8）计算得到的模式函数系数向量A代入公式（1），可得到圆域完整的波前相位展开式。

通过上述波前复原算法，就可以根据哈特曼探测器的子孔径光斑偏移量获得波前像差。图6是通过本发明系统测量得到的分光镜反射像差，测量区域如图5中Ⅲ所示；可以看到，该像差在整个镜面区域内呈现缓变凸起特征，形态接近Zernike像差中的离焦项。

如图7所示，为该分光镜反射像差峰谷值随激光辐照时间的变化曲线。可以看到，在被高能激光辐照的8秒（第3秒到第10秒）时间内，分光镜反射像差幅值不断上升，随着时间增加上升趋势有所变缓，在第10秒时变形量达到最大4μm。在第11秒高能激光器3关闭以后，分光镜像差在与周围环境的热交换过程中逐步减小，经过一段时间后会恢复到平衡状态。

如图8所示，为通过本发明系统测量得到的分光镜透射像差，该像差的形态与图6中面形呈互补的凹形，主要也是由Zernike像差中的离焦项构成（系数为负）。

如图9所示，为该透射像差峰谷值随激光辐照时间的变化曲线。可以看到，透射像差在激光辐照的8秒时间内也呈明显上升趋势，且曲线的斜率在整个出光过程中没有减小，也就是说透射像差随着激光辐照时间呈线性增长特性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统，其特征在于：它包括第一哈特曼探测器（1）、第二哈特曼探测器（2）、高能激光器（3）、离轴聚焦反射镜（5）、功率计（6）、同步控制器（7）和计算机（8），所述第一哈特曼探测器（1）和第二哈特曼探测器（2）呈对称状布置于待测分光镜（4）的两侧，所述高能激光器（3）发出的高功率激光入射至待测分光镜（4）前表面后，一部分光能量被待测分光镜（4）反射至离轴聚焦反射镜（5），然后被功率计（6）接收；所述同步控制器（7）发出同步触发信号控制高能激光器（3）开启、第一哈特曼探测器（1）和第二哈特曼探测器（2）进行采集；所述第一哈特曼探测器（1）和第二哈特曼探测器（2）测得的子孔径偏移量数据被实时传送给计算机（8），通过所述计算机（8）分析得到待测分光镜（4）的反射像差

和透射像差

随高能激光功率和辐照时间的变化特性。

2.根据权利要求1所述的基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统，其特征在于：所述高能激光器（3）发出的高功率激光以25°角入射至待测分光镜（4）的前表面。

3.根据权利要求1所述的基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统，其特征在于，所述第一哈特曼探测器（1）的标定流程为：所述第一哈特曼探测器（1）利用内部配备的激光器发出与接收系统共光路的准直探测光束，将一标准平面反射镜（9）放置于第一哈特曼探测器（1）的前方，调整标准平面反射镜（9）的角度和位置，使探测光束经标准平面反射镜（9）反射后被第一哈特曼探测器（1）自身接收；调整探测光的强度和第一哈特曼探测器（1）内部的可调节中性滤光片，使第一哈特曼探测器（1）各子孔径内光斑均可见且曝光适度，运行标定程序确定哈特曼测量零点。

4.根据权利要求3所述的基于双哈特曼探测器的分光镜像差测量系统，其特征在于，所述第二哈特曼探测器（2）的标定流程为：将所述第一哈特曼探测器（1）发出的准直探测光束作为标定光，所述第二哈特曼探测器（2）采用接收外部信号光方式工作，通过粗精对准功能调整自身光瞳及光轴位置，使第一哈特曼探测器（1）的探测光束进入第二哈特曼探测器（2）的各子孔径视场，并调节光强衰减使光斑曝光适度，运行标定程序确定第二哈特曼探测器（2）的测量零点。

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