CN103884436A - 光束相位在线测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光束相位在线测量装置和测量方法，装置包括：沿待测光束的传播方向依次为缩束器、相位板阵列和光斑探测器，所述的相位板阵列由N块相位分布已知的相位板依次排列组成，其中N为大于1的正整数，所述的相位板阵列和光斑探测器通过固定支杆固定，所述的光斑探测器的输出端与计算机的输入端相连。本发明只需要一个光斑探测器，一块或者多块已知分布的随机相位板及相应的固定装置，成本远远低于常见干涉仪，只需要记录一幅衍射光斑，对环境稳定性要求低，分辨率大为提高，显著提高CDI算法的收敛速度，增强鲁棒性，可用于光学元件的高精度检测和波前相位测量，脉冲激光的波前检测，特别是高功率激光驱动器中波前在线测量。

Description

光束相位在线测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及激光驱动器和波前相位，特别是一种光束相位在线测量装置和测量方法。

技术背景

波前相位检测在各个领域都有重要应用，特别是在高功率激光驱动器中，由于尺寸庞大，结构复杂，各个光学元件在加工和安装过程中的问题不可避免地影响驱动器的光束性能，这些问题往往通过光束的波前畸变体现出来，比如光学器件在加工过程中出现的材料瑕疵、加工工艺的缺陷、装校应力、温度变化和重力等因素，都会导致相差的出现，进而导致焦斑变形甚至是光路的改变，严重影响光斑的均匀性，降低光束传播质量，因此光学元器件在加工后、校装前后都需要进行准确的检测与矫正，运行中也需要进行实时检测矫正畸变，因此激光驱动器中对光学元件的面型、运行中波前相位在线检测都有严格的要求，但大型激光驱动器的独特性也导致了对光束波前检测的要求更加苛刻，和其他波前测量相比较，激光驱动器的波前测量过程有两个显著特点：

一、被测光束为脉冲激光，一般方法难以测量；

二、驱动器各个光学元件的庞大尺寸以及安装过程前后应力的变化导致该类装置的波前检测只能通过在线测量的方式实现，同时光路空间有限，检测装置对空间的要求不能过大。

虽然目前有一些方法可以用于激光驱动器的波前检测，比如常见的干涉仪、剪切干涉仪、哈特曼传感器等，但这些方法在驱动器波前检测中往往具有一定的局限。干涉仪对环境稳定性要求较苛刻，价格昂贵，例如一台18英寸的Zygo干涉仪售价为350万元人民币，并且参考光的引入会带来一定的误差；横向剪切干涉仪至少需要两路光学系统在两个互相垂直的方向上产生横向剪切干涉条纹,在实时性要求高的场合要求能同步采集到两幅干涉条纹,系统结构较复杂；哈特曼波前传感器通过测量光束经过透镜阵列后的偏移量来间接测量相位，在实际当中应用比较广泛，但是该方法面临的缺点是分辨率不高，只能分辨低频量信息。

不同于利用与参考光的干涉间接记录相位的干涉测量法，相干衍射成像（CDI,Coherent Diffractive Imaging）通过记录的一幅或者多幅衍射光斑进行迭代运算来恢复相位分布，该类方法的显著特点是不需要参考光的引入，光路非常简单，对环境稳定性要求显著降低；理论上分辨率能够达到衍射极限，也就是波长的二分之一。CDI成像理论主要用于成像，特别是X射线和电子束成像领域，借鉴CDI成像理论用于波前在线检测和现有的方案相比，具有显著的优势。

发明内容

本发明针对上述现有技术在高功率驱动装置波前测量中的缺点及波前在线测量的需求，提出一种光束相位在线测量装置和测量方法，该装置只需要一个光斑探测器，一块或者多块已知分布的随机相位板及相应的固定装置，成本远远低于常见干涉仪，对环境稳定性要求低，相比于传统的波前检测装置分辨率大为提高，同时结构简单体积小，随机相位板的引入显著提高CDI算法的收敛速度，增强鲁棒性，可用于光学元件的高精度检测和波前相位测量，由于只需要记录一幅衍射光斑，可用于脉冲激光的波前检测，特别是高功率激光驱动器中波前在线测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种光束相位在线测量装置，特点在于其构成包括：沿待测光束的传播方向依次为缩束器、相位板阵列和光斑探测器，所述的相位板阵列由N块相位分布已知的相位板依次排列组成，N为大于1的正整数，所述的相位板阵列和光斑探测器通过固定支杆固定，所述的光斑探测器的输出端与计算机的输入端相连。

利用上述光束相位在线测量装置进行光束相位的测量方法，其特点在于该方法包括以下步骤：

1）根据待测光束的直径，调节所述的缩束器，使待测光束经过所述的相位板阵列后的光斑的直径与所述的光斑探测器靶面的直径相当；

2）将所述的光束相位在线测量的装置置于待测的光路中并垂直于光轴；

3）待测光束经过相位板阵列后由所述的光斑探测器记录待测光束的光斑强度分布I并输入所述的计算机；

4）所述的计算机通过下列迭代运算实现波前再现包括下列步骤：

①首先确定一个入射面，通常待测光束的高频量相对基频量比较弱，因此总能找到一个入射面，在这个入射面上光波的主要能量集中在某一点或者某一个范围之内，且该范围半径为R，若待测光束为球面波且焦点在所述的相位板阵列的第一块相位板之前，则该焦点所在的平面即为入射面；其他情况下第一块相位板入射光的频谱面即为入射面，所述的相位板阵列的各个相位板的复振幅透过率依次为P₁，P₂，…P_N，相邻两块相位板的距离依次为：

②对入射面的光波分布进行随机猜测得到G₁，根据各个面之间的传播距离计算并模拟光波从入射面到所述的光斑探测器面的传播过程，并在光斑记录面根据实际记录的光斑强度分布I对计算值进行更正并进行迭代运算，第k次迭代过程为：

③根据衍射理论计算入射面的光波G_k传播到第一块相位板面的分布，并作为其相位板阵列的照明光Illu_k,1；

④计算Illu_k,1经过相位板阵列后的出射光分布为O_k,N，若第i块相位板的出射波为O_k,i，则传播相应距离

后作为i+1块相位板的照明光Illu_k,i+1，第i+1块相位板的出射波函数表示为：

其中，

表示光波O_k,i传播距离

的过程；

⑤根据所述的相位板阵列的出射光波分布O_k,N计算光斑探测器的探测面上的复振幅分布Diff_k：

其中，L为所述的相位板阵列的最后一块相位板到所述的光斑探测器的探测面的距离，同时计算的复振幅Diff_k和的误差Er_k

${\mathrm{Er}}_k=\frac{\mathrm{\Σ}{\left(\right|{\mathrm{Diff}}_k|-\sqrt{I})}^2}{\mathrm{\ΣI}};$

⑥根据实际记录的光斑强度分布I对计算得到的分布进行更新，得到Diff'_k：

其中，为Diff_k的相位分布；

⑦逆向传播Diff'_k到相位板阵列得到

其中，表示逆向传播过程；

⑧逆向传播O'_k,N，按下列公式计算第i块相位板照明光的更新分布为：

⑨再次逆向传播Illu'_k,1到达入射面，得到更新后的入射面波函数G'_k，根据入射面光能量的分布特点，半径R范围以外的G'_k强制为0，R范围以内的不变，得到G_k+1，作为k+1次循环入射面的初始猜测分布；

⑩重复步骤③到⑨，直到误差Er_k变化较小或不变，停止迭代过程，得到待测光束波前相位的分布。

本发明的技术效果：

1）本发明装置结构和数据记录过程简单，对环境要求较低，可以放在任意光路中，只需要记录单幅衍射光斑即可对光波前进行在线测量及诊断，特别适用于高功率激光驱动器中脉冲光波前的在线测量及诊断，同时也可用于大口径光学元件面型的测量。

2）主要成本集中在光斑探测器及相位板的制作上，相对于干涉仪等成本较低。

3）本发明的再现方法基于相干衍射成像理论，具有较高的分辨率，待测光束的高频信息也能够得到有效再现，并且随机相位板的加入能够显著改善单幅光斑相干衍射成像的收敛速度和最终精度，同时可以通过增加相位板密度和个数提高性能。

附图说明

图1是本发明光束相位在线测量装置的结构示意图。

图2本发明光束相位在线测量的装置对应的光路图。

图中：1-缩束器，2-相位板阵列，3-第一块相位板，4-第i块相位板（i介于1和N之间），5-第N-1块相位板，6-第N块相位板，7-固定支杆，8-光斑探测器，9-对应入射面。

具体实施方式

先请采用图1，图1是本发明光束相位在线测量装置的结构示意图。由图可见，本发明光束相位在线测量装置，构成包括：沿待测光束的传播方向依次为缩束器1、相位板阵列2和光斑探测器8，所述的相位板阵列2由N块相位分布已知的相位板3-6依次排列组成，其中N为大于1的正整数，所述的相位板阵列2和光斑探测器8通过固定支杆7固定，所述的光斑探测器8的输出端与计算机（图中未示）的输入端相连。

实施例是测量激光驱动器中的焦斑分布，采用一块随机相位板2，相位板为0和π随机分布P，最小单元的大小为7.4μm，焦平面位于相位板2前方3cm处，使用CCD作为光斑探测器8，其分辨率为2048×2048，最小单元为7.4μm，CCD到相位板的距离L为10cm，添加外部触发信号记录一幅衍射光斑I，通过菲涅尔衍射理论计算传播过程。

利用上述装置进行光束相位在线测量的方法，包括：

1）根据待测光束的直径，调节所述的缩束器1，使待测光束经过所述的相位板阵列2后的光斑的直径与所述的光斑探测器8靶面的直径相当；

2）将所述的光束相位在线测量的装置置于待测的光路中并垂直于光轴；

3）待测光束经过相位板阵列2后由所述的光斑探测器8记录待测光束的光斑强度分布I并输入所述的计算机；

4）所述的计算机通过下列迭代运算实现波前再现包括下列步骤：

①首先确定一个入射面9，通常待测光束的高频量相对基频量比较弱，因此总能找到一个入射面9，在这个入射面9上光波的主要能量集中在某一点或者某一个范围之内，且该范围半径为R，若待测光束为球面波且焦点在所述的相位板阵列2的第一块相位板3之前，则该焦点所在的平面即为入射面9；其他情况下第一块相位板3入射光的频谱面即为入射面9，所述的相位板阵列2的各个相位板的复振幅透过率依次为P₁，P₂，…P_N，相邻两块相位板的距离依次为：

②对入射面9的光波分布进行随机猜测得到G₁，根据各个面之间的传播距离计算并模拟光波从入射面到所述的光斑探测器面8的传播过程，并在光斑记录面根据实际记录的光斑强度分布I对计算值进行更正并进行迭代运算，第k次迭代过程为：

③根据衍射理论计算入射面9的光波G_k传播到第一块相位板面3的分布，并作为其相位板阵列2的照明光Illu_k,1；

④计算Illu_k,1经过相位板阵列2后的出射光分布为O_k,N，若第i块相位板的出射波为O_k,i，则传播相应距离

后作为i+1块相位板的照明光Illu_k,i+1，第i+1块相位板的出射波函数表示为：

其中，

表示光波O_k,i传播距离

的过程；

⑤根据所述的相位板阵列2的出射光波分布O_k,N计算光斑探测器8的探测面上的复振幅分布Diff_k：

其中，L为所述的相位板阵列2的最后一块相位板6到所述的光斑探测器8的探测面的距离，同时计算的复振幅Diff_k和

的误差Er_k

${\mathrm{Er}}_k=\frac{\mathrm{\Σ}{\left(\right|{\mathrm{Diff}}_k|-\sqrt{I})}^2}{\mathrm{\ΣI}};$

⑥根据实际记录的光斑强度分布I对计算得到的分布进行更新，得到Diff'_k：

其中，

为Diff_k的相位分布；

⑦逆向传播Diff'_k到相位板阵列2得到

其中，

表示逆向传播过程；

⑧逆向传播O'_k,N，按下列公式计算第i块相位板照明光的更新分布为：

⑨再次逆向传播Illu'_k,1到达入射面9，得到更新后的入射面9波函数G'_k，根据入射面9光能量的分布特点，半径R范围以外的G'_k强制为0，R范围以内的不变，得到G_k+1，作为k+1次循环入射面9的初始猜测分布；

⑩重复步骤③到⑨，直到误差Er_k变化较小或不变，停止迭代过程，得到待测光束波前相位的分布。

本实施例中

1）焦平面即为入射面9，初始R=2mm。

2）对入射面9的光波分布进行随机猜测得到G₁，第k次迭代过程为：

①根据菲涅尔衍射理论计算入射面9的光波G_k传播到相位板2面的分布Illu_k，并作为其相位板2的照明光；

②计算Illu_k经过相位板2后的出射光分布O_k，即

③根据O_k计算CCD8面上的复振幅分布Diff_k，即

同时计算Diff_k的振幅和

的误差： ${\mathrm{Er}}_k=\frac{\mathrm{\Σ}{\left(\right|{\mathrm{Diff}}_k|-\sqrt{I})}^2}{\mathrm{\ΣI}};$

④根据实际记录的光斑强度分布I对计算得到的分布进行更新，得到Diff'_k，具体为用实际的振幅分布代替Diff_k的振幅分布并保持相位不变，即

其中

为Diff_k的相位分布，逆传播Diff'_k到相位板2得到

其中

表示逆向传播过程；

⑤逆向传播O'_k并得到Illu_k的更新分布：

⑥再次逆向传播Illu'_k到达入射面9，得到更新后的入射面波函数G'_k，根据入射面光能量的分布特点，半径R范围以外的G'_k强制为0，R范围以内的不变，得到G_k+1，作为k+1次循环入射面的初始猜测分布；

⑦重复步骤①到⑥，直到误差Er_k随迭代次数增加变化较小或不变，停止迭代过程，最终得到待测光束波前相位的准确分布。

实验表明，本发明只需要一个光斑探测器，一块或者多块已知分布的随机相位板及相应的固定装置，成本远远低于常见干涉仪，只需要记录一幅衍射光斑，对环境稳定性要求低，分辨率大为提高，显著提高CDI算法的收敛速度，增强鲁棒性，可用于光学元件的高精度检测和波前相位测量，脉冲激光的波前检测，特别是高功率激光驱动器中波前在线测量。

Claims (2)

1.一种光束相位在线测量装置，特征在于其构成包括：沿待测光束的传播方向依次为缩束器（1）、相位板阵列（2）和光斑探测器（8），所述的相位板阵列（2）由N块相位分布已知的相位板（3-6）依次排列组成，其中N为大于1的正整数，所述的相位板阵列（2）和光斑探测器（8）通过固定支杆（7）固定，所述的光斑探测器（8）的输出端与计算机的输入端相连。

2.利用权利要求1所述的光束相位在线测量的装置进行光束相位的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）根据待测光束的直径，调节所述的缩束器（1），使待测光束经过所述的相位板阵列（2）后的光斑的直径与所述的光斑探测器（8）靶面的直径相当；

2）将所述的光束相位在线测量的装置置于待测的光路中并垂直于光轴；

3）待测光束经过相位板阵列（2）后由所述的光斑探测器（8）记录待测光束的光斑强度分布I并输入所述的计算机；

4）所述的计算机通过下列迭代运算实现波前再现包括下列步骤：

①首先确定一个入射面（9），通常待测光束的高频量相对基频量比较弱，因此总能找到一个入射面（9），在这个入射面（9）上光波的主要能量集中在某一点或者某一个范围之内，且该范围半径为R，若待测光束为球面波且焦点在所述的相位板阵列（2）的第一块相位板（3）之前，则该焦点所在的平面即为入射面（9）；其他情况下第一块相位板（3）入射光的频谱面即为入射面（9），所述的相位板阵列（2）的各个相位板的复振幅透过率依次为P₁，P₂，…P_N，相邻两块相位板的距离依次为：

②对入射面（9）的光波分布进行随机猜测得到G₁，根据各个面之间的传播距离计算并模拟光波从入射面到所述的光斑探测器面（8）的传播过程，并在光斑记录面根据实际记录的光斑强度分布I对计算值进行更正并进行迭代运算，第k次迭代过程为：

③根据衍射理论计算入射面（9）的光波G_k传播到第一块相位板面（3）的分布，并作为其相位板阵列（2）的照明光Illu_k,1；

④计算Illu_k,1经过相位板阵列（2）后的出射光分布为O_k,N，若第i块相位板的出射波为O_k,i，则传播相应距离

后作为i+1块相位板的照明光Illu_k,i+1，第i+1块相位板的出射波函数表示为：

其中，

表示光波O_k,i传播距离

的过程；

⑤根据所述的相位板阵列（2）的出射光波分布O_k,N计算光斑探测器（8）的探测面上的复振幅分布Diff_k：

其中，L为所述的相位板阵列（2）的最后一块相位板（6）到所述的光斑探测器（8）的探测面的距离，同时计算的复振幅Diff_k和

的误差Er_k

${\mathrm{Er}}_k=\frac{\mathrm{\Σ}{\left(\right|{\mathrm{Diff}}_k|-\sqrt{I})}^2}{\mathrm{\ΣI}};$

⑥根据实际记录的光斑强度分布I对计算得到的分布进行更新，得到Diff'_k：

其中，

为Diff_k的相位分布；

⑦逆向传播Diff'_k到相位板阵列（2）得到

其中，

表示逆向传播过程；

⑧逆向传播O'_k,N，按下列公式计算第i块相位板照明光的更新分布为：

⑨再次逆向传播Illu'_k,1到达入射面（9），得到更新后的入射面（9）波函数G'_k，根据入射面（9）光能量的分布特点，半径R范围以外的G'_k强制为0，R范围以内的不变，得到G_k+1，作为k+1次循环入射面（9）的初始猜测分布；

⑩重复步骤③到⑨，直到误差Er_k变化较小或不变，停止迭代过程，得到待测光束波前相位的分布。

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