CN104034416B - 高动态范围激光远场焦斑测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高动态范围激光远场焦斑测量装置及方法，该高动态范围激光远场焦斑测量装置包括激光缩束/扩束系统、衰减楔板、分光镜、科学级CCD探测器、微透镜阵列、CCD探测器以及控制计算机；激光缩束/扩束系统、衰减楔板以及分光镜依次设置在同一光路上；分光镜将入射至分光镜的光分为透射光以及反射光；科学级CCD探测器设置在经分光镜后的反射光所在光路上；微透镜阵列以及CCD探测器依次设置在经分光镜后的折射光所在光路上；科学级CCD探测器以及CCD探测器分别与控制计算机相连。本发明提供了一种可实现对高动态范围激光远场焦斑动态测量、并很好保证测量精度的测量装置及方法。

Description

高动态范围激光远场焦斑测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种高动态范围激光远场焦斑测量装置及方法，尤其涉及一种基于傅里叶光学理论的激光远场焦斑重构，实现高动态范围激光远场焦斑测量的装置及其方法。

背景技术

激光远场焦斑是描述大型激光装置输出光束质量的重要指标，也是惯性约束聚变系统中表征激光束进洞能力的主要参数。由于激光远场焦斑的主瓣和旁瓣的光能密度像差悬殊(10000：1以上)，尚未有如此高动态范围的探测器。目前激光远场焦斑测量方法主要有：长焦距透镜成像法、列阵相机测试法、RattlePair测试法和纹影法。

长焦距透镜成像法是利用长焦距透镜对激光束进行聚焦，再通过成像放大透镜将焦斑成像在CCD的探测面上。其缺点是：1)由于强激光的主瓣和边缘的旁瓣部分能量密度之比可达几个数量级，远远超出了CCD的动态范围，因此采用此方法测试的激光焦斑图像实际上是强激光焦斑的主瓣分布，而旁瓣的信息被掩盖了；2)聚焦透镜的像差引入焦斑畸变，其影响远场焦斑的测试精度。

列阵相机测试法是基于尖劈原理，根据劈板的分割比例和记录介质的线性动态范围可从列阵图中重构激光焦斑的远场分布。其缺点是：1)受记录介质线性动态范围的限制，列阵图不能完全反映激光远场焦斑的旁瓣信息；2)列阵相机采用离轴反射式机械结构，虽然给系统的调整带来方便，但引入的像差较大；3)记录介质即CCD的分辨力有限，计算列阵图的焦斑直径时引入一定的相对误差，从而影响系统的测试精度。

Rattle Pair测试法与列阵相机测试法相似，不同的是它采用同轴光路，减少了系统的离轴像差。其缺点是：1)系统调试困难，两对尖劈分割光束的比例不同，焦斑重构难度大；2)由于一行或一列的焦斑点数过多，受CCD靶面大小的限制，很难完整记录焦面行或列的所有信息。

纹影法是分别测量远场焦斑的主瓣和旁瓣，通过图像重构得到完整的远场焦斑形态。其缺点是：1)激光远场焦斑的主瓣与旁瓣是分时测量，容易受探测器的时域噪声、环境气流扰动和激光不稳定性对其重构的影响；2)该方法要求激光远场焦斑的随机漂移不大，增加了对光束控制系统的要求；3)该方法测量旁瓣时需要将主瓣遮挡，否则会造成探测器的损伤，故对遮挡的器件性能要求比较高，其必须挡光严实、耐激光辐照，且对测量结果不引入影响。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可实现对高动态范围激光远场焦斑动态测量、并很好保证测量精度的测量装置及方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种高动态范围激光远场焦斑测量装置，其特殊之处在于：所述高动态范围激光远场焦斑测量装置包括激光缩束/扩束系统、衰减楔板、分光镜、科学级CCD探测器、微透镜阵列、CCD探测器以及控制计算机；所述激光缩束/扩束系统、衰减楔板以及分光镜依次设置在同一光路上；所述分光镜将入射至分光镜的光分为透射光以及反射光；所述科学级CCD探测器设置在经分光镜后的反射光所在光路上；所述微透镜阵列以及CCD探测器依次设置在经分光镜后的折射光所在光路上；所述科学级CCD探测器以及CCD探测器分别与控制计算机相连。

上述微透镜阵列与科学级CCD探测器的靶面距分光镜的距离相等。

上述激光缩束/扩束系统包括物镜以及目镜；所述物镜、目镜、衰减楔板以及分光镜依次设置在同一光路上。

一种基于如上所述的高动态范围激光远场焦斑测量装置的测量方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)由科学级CCD探测器采集到被测激光束的光场图像，得到其光场强度分布I(x,y)；

2)由CCD探测器采集到点阵图像，根据夏克-哈特曼波前测试原理，计算微透镜阵列分割的每个子孔径内的畸变波前相比参考波前的光斑质心偏移，并计算被微透镜阵列分割的子孔径范围内波前的平均斜率，根据shouthwell模型求得被测激光束的畸变波前W(x,y)；

3)根据广义光瞳函数理论，得到被测激光束的光场复振幅P(x,y)为：

$P(x,y)=\sqrt{I(x,y)}\exp \left[\mathrm{jkW}(x,y)\right]$

式中，k＝2π/λ；

4)根据傅里叶光学理论，被测激光束的远场焦斑为其光场复振幅的傅里叶频谱，对被测激光束的光场复振幅P(x,y)进行二维快速傅里叶变换，并取模平方，得到激光远场焦斑强度分布U(ξ,η)为：

U(ξ,η)＝abs{FFT[P(x,y)]}²

式中，FFT()为快速傅里叶变换算子，abs()为取模算子；

5)对步骤4)所得到的激光远场焦斑强度分布进行归一化处理，得到标准激光远场焦斑强度分布为：

$\stackrel{\‾}{U}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{U(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})}{\max \left(U(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right)}$

式中，max()为取最大算子。

本发明的优点是：

本发明提供了一种高动态范围激光远场焦斑测量装置及方法，该装置及方法基于傅里叶光学广义光瞳函数理论，通过动态同步测量激光束的波前和光场强度分布，并利用远场焦斑重构方法完成激光远场焦斑的重构，从而实现了对高动态范围激光远场焦斑的动态测量，并很好的保证了测量精度。本发明不受探测器动态范围的限制，可实现高动态范围度激光远场焦斑的测量；动态测量激光束的波前和光场强度分布，并完成激光远场焦斑的重构，不受外界环境(空气气流扰动、振动等)的影响；同步测量激光束的波前和光场强度分布，并完成激光远场焦斑的重构，不受激光不稳定性的影响；通过对测试系统透射波前事先标定，激光远场焦斑测量时不受测试系统像差的影响；可实现对不同口径大小激光束的远场焦斑进行测量。结构简单、稳定性高、重复性好，测量结果置信度高；

附图说明

图1是本发明所提供的高动态范围激光远场焦斑测量装置的结构示意图；

其中：

1-激光缩束/扩束系统；2-衰减楔板；3-分光镜；4-科学级CCD探测器；5-微透镜阵列；6-CCD探测器；7-控制计算机；8-物镜；9-目镜。

具体实施方式

如图1所示，本发明由激光缩束/扩束系统1、衰减楔板2、分光镜3、科学级CCD探测器4、微透镜阵列5、CCD探测器6、控制计算机7组成。激光缩束/扩束系统1由物镜8和目镜9组成，其为开普勒结构，采用双远心光路，并进行消色差设计，保证测试系统的宽谱段工作和消除探测器位置误差对测量结果的影响。根据被测激光束口径大小选取缩束/扩束比相匹配的激光缩束/扩束系统1。根据被测激光光束能量大小，选取衰减倍率合适的衰减楔板2，保证科学级CCD探测器4和CCD探测器6工作在线性响应区。微透镜阵列5与科学级CCD探测器4的靶面距分光镜3的距离相等，且置于激光缩束/扩束系统1的出瞳位置。图中黑实线为固定装置，虚线为可更换装置。

本发明具体工作过程如下：被测激光束经激光缩束/扩束系统1缩束/扩束，再经衰减楔板2将其衰减，然后被分光镜3一部分反射，一部分透射。反射的激光束入射到科学级CCD探测器4的靶面上，由科学级CCD探测器4采集被测激光束光场强度分布图像。同时透射的激光束入射到微透镜阵列5上，在CCD探测器6靶面上得到点阵子孔径光斑图象，由CCD探测器6采集光斑点阵图像。通过控制计算机7实现科学级CCD探测器4和CCD探测器6的同步采集和数据存储。

激光远场焦斑重构方法的步骤如下：

Step1:由科学级CCD探测器4采集到被测激光束的光场图像，得到其光场强度分布I(x,y)。

Step2：由CCD探测器6采集到点阵图像，根据夏克-哈特曼波前测试原理，计算每个子孔径内的畸变波前相比参考波前的光斑质心偏移，并计算被微透镜阵列5分割的子孔径范围内波前的平均斜率，继而根据shouthwell模型求得被测激光束的畸变波前W(x,y)。

Step3：根据广义光瞳函数理论，得到被测激光束的光场复振幅P(x,y)为：

$P(x,y)=\sqrt{I(x,y)}\exp \left[\mathrm{jkW}(x,y)\right]---\left(1\right)$

式中，k＝2π/λ。

Step4：根据傅里叶光学理论，被测激光束的远场焦斑为其光场复振幅的傅里叶频谱，故对被测激光束的光场复振幅P(x,y)进行二维快速傅里叶变换，并取模平方，得到激光远场焦斑强度分布U(ξ,η)为：

U(ξ,η)＝abs{FFT[P(x,y)]}² (2)

式中，FFT()为快速傅里叶变换算子，abs()为取模算子。

Step5：对(2)式归一化，得到标准激光远场焦斑强度分布为：

$\stackrel{\‾}{U}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{U(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})}{\max \left(U(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\right)}---\left(2\right)$

式中，max()为取最大算子。

根据(1)～(3)式可重构出标准激光远场焦斑强度分布，从而实现了高动态范围激光远场焦斑的高精度测量。

Claims (4)

1.一种高动态范围激光远场焦斑测量装置，其特征在于：所述高动态范围激光远场焦斑测量装置包括激光缩束/扩束系统、衰减楔板、分光镜、科学级CCD探测器、微透镜阵列、CCD探测器以及控制计算机；所述激光缩束/扩束系统、衰减楔板以及分光镜依次设置在同一光路上；所述分光镜将入射至分光镜的光分为透射光以及反射光；所述科学级CCD探测器设置在经分光镜后的反射光所在光路上；所述微透镜阵列以及CCD探测器依次设置在经分光镜后的透射光所在光路上；所述科学级CCD探测器以及CCD探测器分别与控制计算机相连。

2.根据权利要求1所述的高动态范围激光远场焦斑测量装置，其特征在于：所述微透镜阵列与科学级CCD探测器的靶面距分光镜的距离相等。

3.根据权利要求1或2所述的高动态范围激光远场焦斑测量装置，其特征在于：所述激光缩束/扩束系统包括物镜以及目镜；所述物镜、目镜、衰减楔板以及分光镜依次设置在同一光路上。

4.一种基于如权利要求3所述的高动态范围激光远场焦斑测量装置的测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)由科学级CCD探测器采集到被测激光束的光场图像，得到其光场强度分布I(x,y)；

2)由CCD探测器采集到点阵图像，根据夏克-哈特曼波前测试原理，计算微透镜阵列分割的每个子孔径内的畸变波前相比参考波前的光斑质心偏移，并计算被微透镜阵列分割的子孔径范围内波前的平均斜率，根据shouthwell模型求得被测激光束的畸变波前W(x,y)；

3)根据广义光瞳函数理论，得到被测激光束的光场复振幅P(x,y)为：

$P(x,y)=\sqrt{I\left(x,y\right)}\exp \[jkW(x,y)\]$

式中，k＝2π/λ；

4)根据傅里叶光学理论，被测激光束的远场焦斑为其光场复振幅的傅里叶频谱，对被测激光束的光场复振幅P(x,y)进行二维快速傅里叶变换，并取模平方，得到激光远场焦斑强度分布U(ξ,η)为：

U(ξ,η)＝abs{FFT[P(x,y)]}²

式中，FFT( )为快速傅里叶变换算子，abs( )为取模算子；

5)对步骤4)所得到的激光远场焦斑强度分布进行归一化处理，得到标准激光远场焦斑强度分布为：

$\stackrel{\‾}{U}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=\frac{U(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})}{max\left(U\right(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η}\left)\right)}$

式中，max( )为取最大算子。