CN102937513B - 一种在线监测光栅三维角度扰动的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线监测光栅三维角度扰动的方法，该方法包括如下步骤：第一步，建立针对待监测光栅的监测光路；第二步，建立远场探测单元；第三步，采集光栅三维角度扰动信息；第四步，光栅三维角度扰动监测；第五步，光栅三维角度扰动计算。本发明在线监测光栅三维角度扰动的方法可以实时监测光栅三维角度扰动方位角、俯仰角和面内角，并且监测精度可达到亚微弧度水平。

Description

一种在线监测光栅三维角度扰动的方法和系统

技术领域

本发明涉及激光领域，特别涉及到一种精密在线监测光栅三维角度扰动的方法，其主要适用于基于啁啾脉冲放大技术的高功率超短激光系统。

背景技术

高功率超短激光系统目前均基于啁啾脉冲放大技术，输出指标直接决定于系统后端的光栅压缩器。国内外建设和运行的高能拍瓦乃至艾瓦系统为获取高能高功率激光脉冲，压缩脉冲接近傅里叶转换极限达到亚皮秒或飞秒。这对光栅压缩器提出了很高的要求：一，压缩脉冲时间畸变受光栅三维角度失准影响敏感，光栅架通常需要很高的调节精度和稳定性，一般光栅调节精度为微弧度，稳定性为亚微弧度；二，通常高能高功率超短激光系统压缩器规模很大，光栅口径为米量级，细微的角度失准对于光束边缘光程的影响很大，导致脉冲时间前沿倾斜，展宽聚焦脉冲；三，为避免高功率超短激光（功率密度大于10¹²W/cm²）电离空气损坏光栅，压缩器必须运行在真空环境，因此抽真空过程成为影响光栅三维角度姿态的一大隐患；四，高能高功率超短激光系统打靶周期一般为一至两小时，长时间间隔对光栅三维角度姿态稳定维持提出了更高的要求；五，高能高功率超短激光系统中通常采用拼接光栅来拓展光栅口径，拼接光栅一般以其中一块子光栅为定光栅作为拼接基准，基准光栅三维角度姿态直接影响拼接光栅的效果。为保证高能高功率超短激光系统的性能必须对压缩器光栅三维角度扰动开展在线监视和测量。

由于耗资巨大，目前世界范围内从事高能高功率超短激光系统研究的单位不多，涉及大口径光栅三维角度扰动监测的研究更少。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）国家点火装置（NIF）的高能拍瓦激光系统针对光栅压缩器设计了光栅角度扰动监视和测量系统。光栅架上预装小口径反射镜，利用自准直原理，实现对光栅两维角度扰动（方位角和俯仰角）的在线监测，分辨率为微弧度量级。但监测结果缺失了光栅面内偏转，忽略了应力释放、随机扰动等因素造成的光栅相对调整架抖动及小口径反射镜自身抖动。

发明内容

    本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种精密在线监测光栅三维角度扰动的方法和系统。本发明的方法和系统可以实现光栅三维角度扰动监测，具有监测参数丰富和监测精度高的优点。

为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种在线监测光栅三维角度扰动的方法，该方法包括如下步骤：

第一步，建立针对待监测光栅的监测光路，该监测光路包括有监测光源、扩束器、第一分光镜、第二分光镜和角锥，监测光源经扩束器入射至第一分光镜分为第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待监测光栅面，第一透射光入射到第二分光镜分为第二反射光和第二透射光，第二反射光利特罗角入射到待监测光栅面，第二透射光入射至角锥；

第二步，建立远场探测单元，该远场探测单元包括有聚焦透镜、显微物镜和电荷耦合元件（CCD），该显微物镜的物面处于聚焦透镜的焦点位置，焦点成像在所述的电荷耦合元件（CCD）上；

第三步，采集光栅三维角度扰动信息，入射角锥的第二透射光经角锥反射，反射光依原路返回，经第二分光镜透射和第一分光镜反射进入至所述的远场探测单元；垂直入射的第一反射光经待监测光栅反射，反射光依原路返回，经第一分光镜透射进入至所述的远场探测单元；利特罗角入射的第二反射光经待监测光栅衍射，衍射光依原路返回，经第二分光镜反射和第一分光镜反射进入至所述的远场探测单元； 

第四步，光栅三维角度扰动监测，在远场探测单元的电荷耦合元件上，入射角锥光形成为第一远场焦斑，垂直入射光形成为第二远场焦斑，利特罗角入射光形成为第三远场焦斑，监测光路搭建完成，第一远场焦斑、第二远场焦斑和第三远场焦斑的初始位置重叠，以第一远场焦斑的位置为基准零位，若第二远场焦斑和第三远场焦斑偏离基准零位，则第二远场焦斑和第三远场焦斑的横向偏移量（S1）反映待监测光栅方位角扰动，第二远场焦斑的纵向偏移量（S2）反映待监测光栅俯仰角扰动，第三远场焦斑的纵向偏移量（S3）反映待监测光栅俯仰角和面内角扰动； 

第五步，光栅三维角度扰动计算，基于第四步中的三个偏移量（S1、S2、S3）通过如下公式来获得待监测光栅三维角度的扰动情况，即方位角θ _tilt，俯仰角θ _tip和面内角θ _rot：

其中，M为显微物镜的倍率，f为聚焦透镜的焦距，k _tip  为俯仰角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，k _rot 为面内角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数。通常光栅三维角度扰动为小量，因此对于确定的待监测光栅的光栅常数和监测光源波长，影响系数k _tip 和k _rot 为常数，并可通过光线追迹方法获得。若待监测光栅的光栅常数为1740g/mm，监测光源波长为632.8nm，则影响系数k _tip 和k _rot 分别为1.6696和1.1011。

一种用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统，其特征在于，该系统包括有监测光源、扩束器、第一分光镜、第二分光镜、角锥、聚焦透镜、显微透镜，电荷耦合元件（CCD）和计算模块；所述的监测光源、扩束器、第一分光镜、第二分光镜和角锥组成对于待监测光栅的监测光路，该监测光路中的监测光源经扩束器入射至第一分光镜分为第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待监测光栅面，第一透射光入射到第二分光镜分为第二反射光和第二透射光，第二反射光利特罗角入射到待监测光栅面，第二透射光入射至角锥；所述的聚焦透镜、显微透镜和电荷耦合元件（CCD）组成远场探测单元，所述显微物镜的物面处于聚焦透镜的焦点位置，焦点成像在所述的电荷耦合元件（CCD）上；在所述的电荷耦合元件（CCD）上，入射角锥光成形第一远场焦斑，垂直入射光形成第二远场焦斑，利特罗角入射光形成第三远场焦斑，所述计算模块对采集的三个远场焦斑的相对偏移量计算以得出待监测光栅的三维角度扰动。

在本发明用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统中，所述第一远场焦斑、第二远场焦斑和第三远场焦斑的初始位置重叠，以第一远场焦斑的位置为基准零位，若第二远场焦斑和第三远场焦斑偏离基准零位，则第二远场焦斑和第三远场焦斑的横向偏移量（S1）反映出待监测光栅方位角扰动，第二远场焦斑的纵向偏移量（S2）反映待监测光栅俯仰角扰动，第三远场焦斑的纵向偏移量（S3）反映待监测光栅俯仰角和面内角扰动。

在本发明用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统中，三个偏移量（S1、S2、S3）通过如下公式来获得待监测光栅三维角度的扰动情况，即方位角θ _tilt，俯仰角θ _tip和面内角θ _rot：

其中，M为显微物镜的倍率，f为聚焦透镜的焦距，k _tip  为俯仰角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，k _rot 为面内角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，这里待监测光栅的光栅常数为1740g/mm，监测光源波长为632.8nm，影响系数k _tip 和k _rot 分别为1.6696和1.1011。

在本发明用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统中，用于对焦斑进行边缘识别的电荷耦合元件（CCD）的像元为10μm，识别精度为一个像元，则光栅三维角度扰动方位角、俯仰角和面内角的监测精度为亚微弧度。

基于上述技术方案，本发明在线监测光栅三维角度扰动的方法与现有技术相比具有如下技术优点：

1.本发明是一种光栅三维角度扰动的精密在线监视和测量方法，解决了已有技术面内角缺失和非直接测量的问题。

2.本发明方法的原理简单，易于实现，监测对象包括方位角、俯仰角和面内角，监测结果直接反应光栅三维角度真实扰动，监测精度可达到亚微弧度水平，若进一步引入CCD分辨率提高算法，则监测精度可进一步提升一个数量级及以上。

附图说明

图1是待监测光栅的三维角度扰动状态示意图。

图2是本发明在线监测光栅三维角度扰动的方法中的光路设计示意图。

图3是本发明方法的远场探测单元中焦点光斑在电荷耦合元件上的分布示意图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的方法做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解本发明的方法步骤和工作流程，但不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的方法主要适用于基于啁啾脉冲放大技术的高功率超短激光系统，在应用中，光栅的三维角度扰动如图1所示，包含有方位角θ _tilt，俯仰角θ _tip和面内角θ _rot。

本发明在线监测光栅三维角度扰动的方法，该方法包括如下步骤：

第一步，建立针对待监测光栅的监测光路，该监测光路设置由监测光源2、扩束器3、第一分光镜4、第二分光镜5和角锥6组成的监测光路，监测光源2经扩束器3入射至第一分光镜4分为第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待监测光栅1的光栅面，第一透射光入射到第二分光镜5分为第二反射光和第二透射光，第二反射光利特罗角入射到待监测光栅1的光栅面，第二透射光入射至角锥，如图2所示。

第二步，建立远场探测单元，该远场探测单元包括有聚焦透镜7、显微物镜8和电荷耦合元件CCD，该显微物镜8的物面处于聚焦透镜7的焦点位置，焦点成像在所述的电荷耦合元件CCD上。

第三步，采集光栅三维角度扰动信息，入射角锥6的第二透射光经角锥6反射，反射光依原路返回，经第二分光镜5透射和第一分光镜4反射进入至所述的远场探测单元；垂直入射的第一入射光经待监测光栅1反射，反射光依原路返回，经第一分光镜4透射进入至所述的远场探测单元；利特罗角入射的第二反射光经待监测光栅1衍射，衍射光依原路返回，经第二分光镜反射5和第一分光镜4反射进入至所述的远场探测单元。

第四步，光栅三维角度扰动监测，在远场探测单元的电荷耦合元件CCD上，入射角锥光形成为第一远场焦斑J1，垂直入射光形成为第二远场焦斑J2，利特罗角入射光形成为第三远场焦斑J3，至此监测光路搭建完成，第一远场焦斑J1、第二远场焦斑J2和第三远场焦斑J3的初始位置重叠，以第一远场焦斑J1的位置为基准零位，若第二远场焦斑J2和第三远场焦斑J3偏离基准零位，则第二远场焦斑J2和第三远场焦斑J3的横向偏移量S1反映出待监测光栅方位角扰动，第二远场焦斑J2的纵向偏移量S2反映待监测光栅俯仰角扰动，第三远场焦斑J3的纵向偏移量S3反映待监测光栅俯仰角和面内角扰动，如图3所示。

第五步，光栅三维角度扰动计算，基于第四步中的三个偏移量S1、S2和S3通过如下公式来获得待监测光栅三维角度的扰动情况，即方位角θ _tilt，俯仰角θ _tip和面内角θ _rot：

其中，M为显微物镜的倍率，f为聚焦透镜的焦距，k _tip  为俯仰角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，k _rot 为面内角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数。通常光栅三维角度扰动为小量，因此对于确定的待监测光栅的光栅常数和监测光源波长，影响系数k _tip 和k _rot 为常数，并可通过光线追迹方法获得。

本发明用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统包括有监测光源2、扩束器3、第一分光镜4、第二分光镜5、角锥6、聚焦透镜7、显微物镜8，电荷耦合元件CCD和计算模块。其中，由监测光源2、扩束器3、第一分光镜4、第二分光镜5和角锥6组成对于待监测光栅1的监测光路。在该监测光路中，监测光源2经扩束器3入射至第一分光镜4分为第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待监测光栅1的光栅面，第一透射光入射到第二分光镜5分为第二反射光和第二透射光，第二反射光利特罗角入射到待监测光栅1的光栅面，第二透射光入射至角锥6。

上述的聚焦透镜7、显微物镜8和电荷耦合元件CCD组成远场探测单元，显微物镜8的物面处于聚焦透镜7的焦点位置，焦点成像在电荷耦合元件CCD上。在电荷耦合元件CCD上，入射角锥光形成为第一远场焦斑，垂直入射光形成为第二远场焦斑，利特罗角入射光形成为第三远场焦斑。上述的计算模块是对采集的三个远场焦斑的相对偏移量计算以得出待监测光栅1的三维角度扰动。

在本发明用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统中，所述第一远场焦斑、第二远场焦斑和第三远场焦斑的初始位置重叠，以第一远场焦斑的位置为基准零位，若第二远场焦斑和第三远场焦斑偏离基准零位，则第二远场焦斑和第三远场焦斑的横向偏移量S1反映待监测光栅方位角扰动，第二远场焦斑的纵向偏移量S2反映待监测光栅俯仰角扰动，第三远场焦斑的纵向偏移量S3反映待监测光栅俯仰角和面内角扰动。

在本发明用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统中，三个偏移量S1、S2和S3通过如下公式来获得待监测光栅三维角度的扰动情况，即方位角θ _tilt，俯仰角θ _tip和面内角θ _rot：

其中，M为显微物镜的倍率，f为聚焦透镜的焦距，k _tip  为俯仰角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，k _rot 为面内角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数。这里待监测光栅的光栅常数为1740g/mm，监测光源波长为632.8nm，得出的影响系数k _tip 和k _rot 分别为1.6696和1.1011。

在本发明线监测光栅三维角度扰动的方法和系统中，对于其监测精度，通常CCD像元约为10μm，对焦斑进行边缘识别，识别精度为一个像元，则光栅三维角度扰动方位角、俯仰角和面内角的监测精度可达到亚微弧度水平。而监测光源系统本身的抖动问题可通过角锥返回在CCD上的远场焦斑位置进行考核和修正。监测对象包括方位角、俯仰角和面内角，监测结果直接反应光栅三维角度真实扰动，监测精度可达到亚微弧度水平，若进一步引入CCD分辨率提高算法，则监测精度可进一步提升一个数量级及以上。

Claims (5)

1.一种在线监测光栅三维角度扰动的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，建立针对待监测光栅的监测光路，该监测光路包括有监测光源、扩束器、第一分光镜、第二分光镜和角锥，监测光源经扩束器入射至第一分光镜分为第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待监测光栅面，第一透射光入射到第二分光镜分为第二反射光和第二透射光，第二反射光利特罗角入射到待监测光栅面，第二透射光入射至角锥；

第二步，建立远场探测单元，该远场探测单元包括有聚焦透镜、显微物镜和电荷耦合元件（CCD），该显微物镜的物面处于聚焦透镜的焦点位置，焦点成像在所述的电荷耦合元件（CCD）上；

第三步，采集光栅三维角度扰动信息，入射角锥的第二透射光经角锥反射，反射光依原路返回，经第二分光镜透射和第一分光镜反射进入至所述的远场探测单元；垂直入射的第一反射光经待监测光栅反射，反射光依原路返回，经第一分光镜透射进入至所述的远场探测单元；利特罗角入射的第二反射光经待监测光栅衍射，衍射光依原路返回，经第二分光镜反射和第一分光镜反射进入至所述的远场探测单元； 

第四步，光栅三维角度扰动监测，在远场探测单元的电荷耦合元件上，入射角锥光形成为第一远场焦斑，垂直入射光形成为第二远场焦斑，利特罗角入射光形成为第三远场焦斑，监测光路搭建完成，第一远场焦斑、第二远场焦斑和第三远场焦斑的初始位置重叠，以第一远场焦斑的位置为基准零位，若第二远场焦斑和第三远场焦斑偏离基准零位，则第二远场焦斑和第三远场焦斑的横向偏移量（S1）反映待监测光栅方位角扰动，第二远场焦斑的纵向偏移量（S2）反映待监测光栅俯仰角扰动，第三远场焦斑的纵向偏移量（S3）反映待监测光栅俯仰角和面内角扰动； 

第五步，光栅三维角度扰动计算，基于第四步中的三个偏移量（S1、S2、S3）通过如下公式来获得待监测光栅三维角度的扰动情况，即方位角θ _tilt，俯仰角θ _tip和面内角θ _rot：

其中，M为显微物镜的倍率，f为聚焦透镜的焦距，k _tip  为俯仰角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，k _rot 为面内角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，若待监测光栅的光栅常数为1740g/mm，监测光源波长为632.8nm，则影响系数k _tip 和k _rot 分别为1.6696和1.1011。

2.一种用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统，其特征在于，该系统包括有监测光源、扩束器、第一分光镜、第二分光镜、角锥、聚焦透镜、显微物镜、电荷耦合元件（CCD）和计算模块；所述的监测光源、扩束器、第一分光镜、第二分光镜和角锥组成对于待监测光栅的监测光路，该监测光路中的监测光源经扩束器入射至第一分光镜分为第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待监测光栅面，第一透射光入射到第二分光镜分为第二反射光和第二透射光，第二反射光利特罗角入射到待监测光栅面，第二透射光入射至角锥；所述的聚焦透镜、显微物镜和电荷耦合元件（CCD）组成远场探测单元，所述显微物镜的物面处于聚焦透镜的焦点位置，焦点成像在所述的电荷耦合元件（CCD）上；在所述的电荷耦合元件（CCD）上，入射角锥光形成第一远场焦斑，垂直入射光形成第二远场焦斑，利特罗角入射光形成第三远场焦斑，所述计算模块对采集的三个远场焦斑的相对偏移量计算以得出待监测光栅的三维角度扰动。

3.根据权利要求2所述的一种用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统，其特征在于，所述第一远场焦斑，第二远场焦斑和第三远场焦斑的初始位置重叠，以第一远场焦斑的位置为基准零位，若第二远场焦斑和第三远场焦斑偏离基准零位，则第二远场焦斑和第三远场焦斑的横向偏移量（S1）反映待监测光栅方位角扰动，第二远场焦斑的纵向偏移量（S2）反映待监测光栅俯仰角扰动，第三远场焦斑的纵向偏移量（S3）反映待监测光栅俯仰角和面内角扰动。

4.根据权利要求3所述的一种用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统，其特征在于，三个偏移量（S1、S2、S3）通过如下公式来获得待监测光栅三维角度的扰动情况，即方位角θ _tilt，俯仰角θ _tip和面内角θ _rot：

其中，M为显微物镜的倍率，f为聚焦透镜的焦距，k _tip  为俯仰角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，k _rot 为面内角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，若待监测光栅的光栅常数为1740g/mm，监测光源波长为632.8nm，则影响系数k _tip 和k _rot 分别为1.6696和1.1011。

5.根据权利要求3所述的一种用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统，其特征在于，用于对焦斑进行边缘识别的电荷耦合元件（CCD）的像元为10μm，识别精度为一个像元，则光栅三维角度扰动方位角、俯仰角和面内角的监测精度为亚微弧度。