CN103033261A

CN103033261A - 在线焦斑能量分布检测方法

Info

Publication number: CN103033261A
Application number: CN2012105729112A
Authority: CN
Inventors: 金博; 赵东峰; 邵平; 鄔融; 夏兰
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103033261B

Abstract

一种在线焦斑能量分布检测方法，引入一个分光装置将测量仪器损伤阈值以下能量的激光分离出来，利用缩束装置与哈特曼传感器来检测焦斑的能量分布，既可以避免实验光路引入的其他光学元件对实验的影响，又可以利用哈特曼传感器的可编程性来消除采样激光的固有误差来达到在线检测的目的。本发明可广泛应用于激光系统，特别是高功率激光装置的焦斑测试。

Description

在线焦斑能量分布检测方法

技术领域

本发明涉及焦斑能量分布检测，特别是一种在线焦斑能量分布检测方法，该方法可广泛应用于激光实验系统的光焦斑测量，特别是对于高功率激光装置，能量高、口径大、实时反馈焦斑分布，此方法就能满足实时精确测量，并且不影响激光实验光路的调试和实验。

背景技术

激光实验系统中对激光焦斑测量是一项关键技术，常规的CCD加衰减片方式只能应用于低功率、小口径的光束焦斑测量，并且衰减片产生的像差对实际焦斑分布影响很大。由于以上原因，对于高能量激光系统，如聚变点火相关研究的激光装置，路数多、能量高、口径大，常规的测试方法必然不能采用，而必须寻求新的、可用的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种在线焦斑能量分布检测方法，该方法引入一个分光装置将测量仪器损伤阈值以下能量的激光分离出来，利用缩束装置与哈特曼传感器来检测焦斑的能量分布，既可以避免实验光路引入的其他光学元件对实验的影响，又可以利用哈特曼传感器的可编程性来消除采样激光的固有误差来达到在线检测的目的。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种在线焦斑能量分布检测方法，其特点在于该方法通过主光路中取样分光镜透过取样测试激光，利用缩束系统将取样测试激光注入哈特曼传感器中，进行波前分布测试焦斑拟合，具体检测步骤如下：

①以待测高功率激光器发出的主激光为基准，确定主光轴，在待测高功率激光器发出的主激光方向依次设置取样分光镜、分光镜、反射镜，调整取样分光镜的角度，使主激光反射光垂直正入射到离轴抛物面镜的中心，主激光透过所述的取样分光镜的透射光透过所述的分光镜后被所述的反射镜反射；调整所述的反射镜的角度，使该反射镜的反射光束正入射到哈特曼传感器探头的中心；

②离轴抛物面镜的调试：调整轴抛物面镜，确保入射光经离轴抛物面镜反射后，反射光成水平方向；

③模拟光源的调试：将光纤激光器作为点光源放置在所述的离轴抛物面镜的焦点处，光纤激光器输出的光束经离轴抛物面镜反射后入射到所述的抽样分光镜上，设置半导体激光器，调整所述的分光镜的角度，将所述的半导体激光器发射的激光导入到所述的主光轴上；

④扩束系统与缩束系统的调试：将扩束系统置于所述的待测高功率激光器和整取样分光镜之间，将缩束系统置入所述的整取样分光镜和所述的分光镜之间，经调试保证系统的主光轴不变，出射光仍为平行光束；

⑤插入反射镜的调试：将小孔光阑加入在所述的缩束系统和分光镜之间的主光轴，在所述的扩束系统和取样分光镜之间设置插入反射镜，调整小孔光阑使所述的半导体激光器发出的激光束穿过所述的小孔光阑沿所述的主光轴逆向前进，调整所述的插入反射镜的角度，使反射光同样穿过所述的小孔光阑；

⑥模拟光固有误差的测量：关闭所述的光纤激光器，开启所述的半导体激光器，该半导体激光器输出的激光经分光镜、缩束系统和取样分光镜后入射到所述的插入反射镜上，该插入反射镜将光束原光路返回，再经所述的分光镜由所述的反射镜反射，由所述的哈特曼传感器检测得到波前信息，记作W₁；然后，关闭半导体激光器，开启光纤激光器，该光纤激光器发出的激光光束入射到离轴抛物面镜反射经所述的抽样分光镜反射到插入反射镜上，并由插入反射镜反射，经过缩束系统缩束，经所述的分光镜，所述的反射镜反射后，由所述的哈特曼传感器检测波前信息，记作W₂；

经哈特曼传感器直接测量：所述的半导体激光器的初始波前为W_REF1，光纤激光器的初始波前为W_REF2，由半导体激光器输出的激光传播到所述的插入反射镜的波前变化量为W_e，所述的光纤激光器发出的激光由离轴抛物面镜传播到所述的插入反射镜的波前变化量为W_i；

由光的传播原理可得到表达式：W₁=W_REF1+2W_e，W₂=T^-1(W_REF2)+W_e+W_i，其中T为所述的离轴抛物面镜的波前变换因子，通过计算得到波前检测的固有误差ΔW=W_e-W_i=(W₁-W₂)-[W_REF1-T^-1(W_REF2)]，将此固有误差记录并保存到哈特曼传感器中；

⑦大能量激光焦斑在线检测：光路中去掉所述的插入反射镜、半导体激光器和光纤激光器，启动所述的待测高功率激光器，发射的主激光经所述的扩束系统、抽样分光镜、缩束系统、分光镜，经所述的反射镜反射后，由所述的哈特曼传感器检测波前信息并记为W_测；

⑧所述的哈特曼传感器按下式计算聚焦焦斑的最终波前信息为W：

W=ΔW+W_测。

所述的取样反射镜的取样透过率为0.1%~5%。

所述的缩束系统的缩束比为40：1～60：1。

本发明的技术效果：

传统的激光焦斑直接检测方法通常使用的方法是引入多个能量衰减片，在激光能量降到检测装置的损伤阈值下时进行直接的焦斑能量检测，最终通过计算推断出聚焦焦斑的能量分布情况。这种方法存在着两点不足：首先，引入其他光学元件后，光束质量必定发生变化，测量结果不精确；其次，由于衰减片会妨碍打靶的进行，这种检测方法只能离线检测焦斑能量分布，并不能精确的测量每一次激光打靶时焦斑的情况。

本发明由于在检测端与聚焦端分别加入两个模拟激光光源，通过插入反射镜对光束进行反射，对主激光与采样激光所经过的不同路径的波前畸变分别测量，因此能实现在线测量焦斑能量分布，并根据模拟光固有误差，在线测量时就可以对测量结果进行固有误差的补偿来提高测量精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是大能量激光焦斑在线检测光路图

图2是中心高与主光轴的确定光路图

图3是扩束系统与缩束系统的调试光路图

图4是插入反射镜调试光路图

图5是模拟光故有误差测量光路图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明在线焦斑能量分布检测方法，通过主光路中取样分光镜透过取样测试激光，利用缩束系统将取样测试激光注入哈特曼传感器中，进行波前分布测试焦斑拟合，具体检测步骤如下：

①中心高与主光轴的确定

如图2所示，以前端高功率激光器1发射主激光为基准，确定光束的中心高度。确定好光束中心高度后，将将插入反射镜3、取样分光镜4、缩束系统5、小孔光阑6、分光镜7、反射镜8、离轴抛物面镜9、光纤激光器10、半导体激光器11、哈特曼传感器12的光学中心调整为此高度。接下来，以前端高功率激光器1入射的主激光为基准，确定主光轴，并使此光轴穿过取样分光镜4的中心。调整取样分光镜4的角度，使主激光反射光垂直正入射到离轴抛物面镜9中心；而主激光透射光透过分光镜7后被反射镜8反射。调整反射镜8的角度使光束正入射到哈特曼传感器12的探头中心。

②离轴抛物面镜的调试

离轴抛物面镜9为一聚焦光学元件，必须保证前端高功率激光器1发射的主激光经取样分光镜4反射后垂直正入射到离轴抛物面镜7的中心。如图2所示调整轴抛物面镜9，确保入射光经离轴抛物面镜9反射后，反射光是水平方向的，并且反射光没有被任何元件所遮挡。

③模拟光源的调试

本方法中，固有误差的测量需要借助两个模拟光源来测量光束经过不同路段所产生的波前畸变。这两个模拟光源分别是光纤激光器10与半导体激光器11。如图2所示，其中光纤激光器10作为点光源，应放置在离轴抛物面镜7的焦点处，光束经离轴抛物面镜9反射后入射到抽样分光镜4上。接下来，通过调整分光镜7的角度，将半导体激光器11发射的激光导入到之前确定的主光轴上。

④扩束系统与缩束系统的调试

如图3所示，将扩束系统2和缩束系统5加入到光路中。以扩束系统2为例，首先必须调整扩束系统2的位置与水平，保证光束通过扩束系统1后光轴没有改变。再次必须保证平行光束经扩束系统扩束后，出射光仍为平行光束。此处可以使用干涉仪或剪切板配合扩束系统2的机械调整架整来调试。缩束系统5的调试方法同理。

⑤插入反射镜的调试

如图4所示，插入反射镜3的反射面朝向于取样分光镜4，其作用在于将模拟光源光纤激光器10与半导体激光器11发出的激光反射回哈特曼传感器10中。此处可使用一个小孔光阑6来辅助调整半导体激光器11发射的激光经插入反射镜3反射后原光路返回（调试过后，小孔光阑6必须移出光路）。如图3所示，首先将小孔光阑6加入到光路中并使半导体激光器11发射的激光穿过小孔光阑6。调整插入反射镜3的角度，使反射光同样穿过小孔光阑6，此时，插入反射镜3的角度就确定了。由于半导体激光器11与光纤激光器10发射的激光都在主光轴上，所以光纤激光器11发射的激光被插入反射镜3反射后也必定为原光路返回。

⑥模拟光固有误差的测量：

如图5所示。开启半导体激光器11，关闭光纤激光器10，激光通过分光镜7、缩束系统5后入射到插入反射镜3上，插入反射镜3将光束原光路反射回哈特曼传感器12中并测得的波前信息，记作W₁。

然后，关闭半导体激光器11，开启光纤激光器10，发散的激光光束入射到离轴抛物面镜9上，光束经抽样分光镜4反射到插入反射镜3上并由插入反射镜3反射，经过缩束光学系统5缩束至适应哈特曼传感器12探头口径的光束，由哈特曼传感器12接收并测得的波前信息，记作W₂。

最后，使用哈特曼传感器直接测量并获得半导体激光器11的初始波前为W_REF1，光纤激光器10的初始波前为W_REF2，设激光由半导体激光器11传播到插入反射镜3的波前变化量为W_e，光束由离轴抛物面镜9传播到插入反射镜3的波前变化量为W_i。

由光的传播原理可以得到表达式：

W₁=W_REF1+2W_e

W₂=T^-1(W_REF2)+W_e+W_i

其中T为离轴抛物面镜的波前变换因子。

通过计算可以得到波前检测的固有误差ΔW=W_e-W_i=(W₁-W-₂)-[W_REF1-T^-1(W_REF2)]。将此固有误差记录并保存到哈特曼传感器12中，待后续的大能量激光焦斑在线检测时使用。

⑦大能量激光焦斑在线检测：

得到故有误差ΔW后，如图1所示。光路中去掉插入反射镜3、半导体激光器11和光纤激光器10，将上述测量好的固有误差编程并补偿到哈特曼传感器12中，前端高功率激光器发射的主激光通过扩束系统2后扩束至大口径光束，此大能量大口径激光光束经过抽样分光镜4后，大能量反射激光由离轴抛物面镜9聚焦，小能量透射激光能量通过缩束系统5缩束后，由哈特曼传感器12测量波前信息，记为W_测，随后固有误差ΔW会补偿到测量结果当中。设最终经过补偿的焦斑检测结果为W。则有

W=ΔW+W_测

这样就得到了最终焦斑的波前信息W。哈特曼传感器12将通过W计算得到聚焦焦斑的最终能量分布，这样就可以极大的提高这种间接的焦斑检测方法的精度,以达到在线检测的目的。

本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思前提下做出各种变化，均落在本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种在线焦斑能量分布检测方法，其特征在于该方法通过主光路中取样分光镜透过取样测试激光，利用缩束系统将取样测试激光注入哈特曼传感器中，进行波前分布测试焦斑拟合，具体检测步骤如下：

①以待测高功率激光器（1）发出的主激光为基准，确定主光轴，在待测高功率激光器（1）发出的主激光方向依次设置取样分光镜（4）、分光镜（7）、反射镜（8），调整取样分光镜（4）的角度，使主激光反射光垂直正入射到离轴抛物面镜（9）的中心，主激光透过所述的取样分光镜（4）的透射光透过所述的分光镜（7）后被所述的反射镜（8）反射；调整所述的反射镜（8）的角度，使该反射镜（8）的反射光束正入射到哈特曼传感器（12）探头的中心；

②离轴抛物面镜的调试：调整轴抛物面镜（9），确保入射光经离轴抛物面镜（9）反射后，反射光成水平方向；

③模拟光源的调试：将光纤激光器（10）作为点光源放置在所述的离轴抛物面镜（7）的焦点处，光纤激光器（10）输出的光束经离轴抛物面镜（9）反射后入射到所述的抽样分光镜（4）上，设置半导体激光器（11），调整所述的分光镜（7）的角度，将所述的半导体激光器（11）发射的激光导入到所述的主光轴上；

④扩束系统与缩束系统的调试：将扩束系统（2）置于所述的待测高功率激光器（1）和整取样分光镜（4）之间，将缩束系统（5）置入所述的整取样分光镜（4）和所述的分光镜（7）之间，经调试保证系统的主光轴不变，出射光仍为平行光束；

⑤插入反射镜（3）的调试：将小孔光阑（6）加入在所述的缩束系统（5）和分光镜（7）之间的主光轴，在所述的扩束系统（2）和取样分光镜（4）之间设置插入反射镜（3），调整小孔光阑（6）使所述的半导体激光器（11）发出的激光束穿过所述的小孔光阑（13）沿所述的主光轴逆向前进，调整所述的插入反射镜（3）的角度，使反射光同样穿过所述的小孔光阑（6）；

⑥模拟光固有误差的测量：关闭所述的光纤激光器（10），开启所述的半导体激光器（11），该半导体激光器（11）输出的激光经分光镜（7）、缩束系统（5）和取样分光镜（4）后入射到所述的插入反射镜（3）上，该插入反射镜（3）将光束原光路返回，再经所述的分光镜（7）由所述的反射镜（8）反射，由所述的哈特曼传感器（12）检测得到波前信息，记作W₁；然后，关闭半导体激光器（11），开启光纤激光器（10），该光纤激光器（10）发出的激光光束入射到离轴抛物面镜（9）反射经所述的抽样分光镜（4）反射到插入反射镜（3）上，并由插入反射镜（3）反射，经过缩束系统（5）缩束，经所述的分光镜（7），所述的反射镜（8）反射后，由所述的哈特曼传感器（12）检测波前信息，记作W₂；

经哈特曼传感器（12）直接测量：所述的半导体激光器（11）的初始波前为W_REF1，光纤激光器（10）的初始波前为W_REF2，由半导体激光器（11）输出的激光传播到所述的插入反射镜（3）的波前变化量为W_e，所述的光纤激光器（10）发出的激光由离轴抛物面镜（9）传播到所述的插入反射镜（3）的波前变化量为W_i；

由光的传播原理可得到表达式：W₁=W_REF1+2W_e，W₂=T^-1(W_REF2)+W_e+W_i，其中T为所述的离轴抛物面镜的波前变换因子，通过计算得到波前检测的固有误差ΔW=W_e-W_i=(W₁-W₂)-[W_REF1-T^-1(W_REF2)]，将此固有误差记录并保存到哈特曼传感器（12）中；

⑦大能量激光焦斑在线检测：光路中去掉所述的插入反射镜（3）、半导体激光器（11）和光纤激光器（10），启动所述的待测高功率激光器（1），发射的主激光经所述的扩束系统（2）、抽样分光镜（4）、缩束系统（5）、分光镜（7），经所述的反射镜（8）反射后，由所述的哈特曼传感器（12）检测波前信息并记为W_测；

⑧所述的哈特曼传感器（12）按下式计算聚焦焦斑的最终波前信息为W：

W=ΔW+W_测。

2.按照权利要求1所述的在线焦斑能量分布检测方法，其特性在于所述的取样反射镜（4）的取样透过率为0.1%~5%。

3.按照权利要求1所述的在线焦斑能量分布检测方法，其特征在于所述的缩束系统（5）的缩束比为40：1～60：1。