CN104634542A - 大口径光学元件二次曝光相位测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径光学元件二次曝光相位测量装置及测量方法，激光器发出的相干光通过扩束器后由聚焦透镜聚焦，穿过焦点后经随机相位板形成散射光斑，用一个光斑探测器记录第一幅散射光斑；然后将大口径光学元件紧贴放置在聚焦透镜的前面，用光斑探测器记录第二幅散射光斑，通过记录的散射光斑并由计算机进行迭代计算获得随机相位板上的照明光场分布，由菲涅尔衍射积分公式计算可以获得聚焦透镜面上的光场分布，分别求出二次曝光记录的散射光斑恢复获得的聚焦透镜面上的光场分布，并求出他们的相位差即为待测大口径光学元件的相位分布。本发明不受限于光斑探测器尺寸，受环境影响较小，结构简单，测量分辨率高，满足于大口径光学元件相位测量的要求。

Description

大口径光学元件二次曝光相位测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及高功率激光装置的大口径光学元件相位测量技术领域，具体是一种利用二次曝光实现大口径光学元件相位测量装置及测量方法。

技术背景

在高功率激光装置中，激光传输和放大链路上存在着数千个大口径光学元件，对大口径光学元件相位进行精密的测量对激光驱动器的整体性能至关重要，大口径光学元件质量的好坏甚至关系着最终物理实验的成败。理论上讲，这些光学元件的特性都可以用大口径干涉仪进行精密测量，但在实际测量中却有很多难以解决的难题。比如，要用大口径干涉仪检测一个直径半米的元件的面型，通常所能达到的横向分辨率大约为0.5毫米左右，如此低的分辨率对于测量平面光学元件没有什么问题，但若测量透镜等具有一定面型分布的元件则由于相邻像素间相位梯度过大而使测量难以实现。理论上子孔径拼接技术中可以保证每个孔径内的准确度，但对于直径半米左右的元件来说，如何保证几百次次扫描和拼接的精度则又是一个非常棘手的技术问题。另外，常用的大口径光学元件测量设备，例如Zygo干涉仪，还存在由于体积太大而难以在高功率激光驱动器有限的空间内得到采用。因此对于大口径光学元件相位测量新方法的研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对上述大口径光学元件相位测量的问题，提出一种大口径光学元件相位测量装置，利用一个光斑探测器记录两幅散射光斑，由计算机进行迭代计算实现大口径光学元件相位测量，该测量方法不受限于光斑探测器尺寸，受环境影响较小，装置结构简单，测量分辨率高，满足于大口径光学元件相位测量的要求。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种大口径光学元件二次曝光相位测量装置，其特点在于：包括激光器、扩束器、聚焦透镜、随机相位板、二维电动位移台、光斑探测器和计算机；

上述元件的位置关系如下：

沿所述的激光器发出的相干光方向依次是所述的扩束器、聚焦透镜、随机相位板和光斑探测器，所述的随机相位板置于所述的二维电动位移台上并垂直于光束的入射方向，该随机相位板位于所述的聚焦透镜的焦点后，在靠近所述的聚焦透镜前设有供待测大口径光学元件放置的机构，所述的光斑探测器输出端与所述的计算机输入端相连，所述的计算机输出端与所述的二维电动位移台控制端相连。

利用所述的测量装置进行二次曝光实现大口径光学元件相位测量方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

①以激光器发出的相干光光束为基准，确定光轴，将随机相位板置于所述的二维电动位移台上，由二维电动位移台控制送入光路中，使随机相位板垂直于光束的入射方向，同时，确保各光学元件与光束垂直且中心保持在光轴上，该随机相位板的相位分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过；

②用直尺测量聚焦透镜到随机相位板的直线距离L₀，聚焦透镜焦点到随机相位板的直线距离L₁，随机相位板到光斑探测器靶面的直线距离L₂；

③计算机控制所述的二维电动位移台的移动，使随机相位板移动至光路中光束全部通过该随机相位板的位置；

④在聚焦透镜前面没有放置待测大口径光学元件时，用光斑探测器记录第一幅散射光斑；

⑤将待测大口径光学元件置于所述的机构上靠近所述的聚焦透镜并与入射光束垂直，用光斑探测器记录第二幅散射光斑；

⑥光斑探测器记录的光斑强度分布分别输入计算机，由计算机利用光斑数据进行待测大口径光学元件的相位处理。

利用计算机对光斑探测器记录的两幅散射光斑，分别迭代计算，迭代过程具体如下：

步骤6.1、给聚焦透镜焦点处光波分布一初始的随机猜测值构造一个光阑，其孔径大小限制函数S₁，初始光阑半径r₁，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以内，则函数S₁取值为1，代表光透过光阑，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以外，则函数S₁取值为0，代表光不能透过光阑，

初始聚焦透镜焦点面上的光波分布为

步骤6.2、第n次传播到随机相位板面上的照明光函数为表示第n次迭代光波focus_n传播距离L₁的过程，n代表第n次迭代；

步骤6.3、在随机相位板面上，随机相位板的分布函数为P,第n次照明光通过随机相位板后的出射波函数为

步骤6.4、第n次光斑探测器靶面上散射光斑的复振幅分布

表示第n次迭代光波exit_n传播距离L₂的过程；

步骤6.5、光斑探测器实际记录的光斑分布为I,复振幅分布diff_n和的误差 ${\mathrm{error}}_n=\mathrm{\Σ}{\left(\right|{\mathrm{diff}}_n|-\sqrt{I})}^2/\mathrm{\ΣI};$

步骤6.6、对光斑探测器靶面上的散射光斑的复振幅分布进行更新，即将其振幅更新为光斑探测器实际记录光斑的振幅得到diff'_n，ψ_n为diff_n的相位分布；

步骤6.7、反方向传播diff'_n到随机相位板面上得到

表示第n次迭代光波diff'_n反方向传播距离L₂的过程；

步骤6.8、更新随机相位板面上的照明光函数illu'_n＝exit'_n/P；

步骤6.9、反方向传播illu'_n到聚焦透镜焦点面上得到 表示第n次迭代光波illu'_n反方向传播距离L₁的过程；

步骤6.10、增大光阑半径为r_n+1，半径r_n+1范围以内光阑孔径大小限制函数S_n+1取值为1，半径r_n+1范围以外S_n+1函数取值为0，更新后的聚焦透镜焦点面上的光波分布为focus_n+1＝focus'_n*S_n+1作为第n+1次迭代的初始光波分布；

步骤6.11重复步骤6.2到6.10，直至误差error_n变化非常小甚至不变时，迭代过程停止，此时更新后的随机相位板面上的照明光函数为illu；

步骤6.12、光斑探测器记录的第一幅散射光斑迭代计算获得的照明光函数为illu1，光斑探测器记录的第二幅散射光斑迭代计算获得的照明光函数为illu2；

步骤6.13、由菲涅尔衍射积分公式，illu1和illu2反方向传播到聚焦透镜面上得到光场分布，

$U(x^{\′},y^{\′})=\frac{\exp \left({\mathrm{ikL}}_0\right)}{\mathrm{i\λ}{L}_0}\∫\∫\mathrm{illu}1(x,y)\exp \left[\mathrm{ik}\frac{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2}{2L_0}\right]\mathrm{dxdy}$

$T(x^{\′},y^{\′})=\frac{\exp \left({\mathrm{ikL}}_0\right)}{\mathrm{i\λ}{L}_0}\∫\∫\mathrm{illu}2(x,y)\exp \left[\mathrm{ik}\frac{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2}{2L_0}\right]\mathrm{dxdy}$

其中，λ是激光器发出的相干光波长，k为波矢，k＝2π/λ，U(x′,y′)为没有放置待测大口径光学元件时聚焦透镜面上的光场分布，T(x′,y′)为放置待测大口径光学元件时聚焦透镜面上的光场分布；

步骤6.14、计算二次曝光获得的聚焦透镜面上光场分布的相位差U(x′,y′)T^*(x′,y′)，其中T^*(x′,y′)为T(x′,y′)的共轭函数，即为待测大口径光学元件(3)的相位。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

1)只需用一个光斑探测器记录两幅散射光斑，由计算机进行迭代计算可以实现大口径光学元件相位测量。

2)结构简单、体积小，满足于高功率激光驱动器中大口径光学元件相位测量的要求。

3)成本低于现有常用的干涉测量仪器，并且分辨率高，由于高功率激光领域有十分重要的应用，需求量比较大，该装置具有十分广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明二次曝光实现大口径光学元件相位测量装置示意图。

图中：1-激光器，2-扩束器，3-待测大口径光学元件，4-聚焦透镜，5-随机相位板，6-二维电动位移台，7-光斑探测器，8-计算机。聚焦透镜4到随机相位板5的直线距离为L₀，聚焦透镜4焦点到随机相位板5的直线距离为L₁，随机相位板5到光斑探测器7靶面的直线距离为L₂。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1是二次曝光实现大口径光学元件相位测量装置示意图，如图所示，激光器1发出的相干光通过扩束器2后由聚焦透镜4聚焦，穿过焦点后附近放置的一块随机相位板5形成散射光斑，用一个光斑探测器7记录散射光斑，待测大口径光学元件3紧贴放置在聚焦透镜4的前面，随机相位板5由二维电动位移台6固定放置于光路中，二维电动位移台6和光斑探测器7和计算机8相连。

随机相位板5采用相位板为0和π随机分布P，最小单元的大小为7.4μm，直尺测量出的聚焦透镜4到随机相位板5的直线距离L₀为1.575m，聚焦透镜4焦点位置距离随机相位板5平面L₁为3.5cm，随机相位板5平面到光斑探测器7的距离L₂为6.0cm，光斑探测器7的分辨率为2048像素×2048像素，最小单元为7.4μm，光斑探测器7首先记录第一幅散射光斑，然后将大口径光学元件3紧贴放置在聚焦透镜的前面，用光斑探测器7记录第二幅散射光斑，分别输入计算机进行迭代运算。

利用该装置二次曝光实现大口径光学元件相位测量，步骤如下：

1)以激光器1发出的相干光光束为基准，确定光轴，沿光束入射方向依次放置扩束器2、待测大口径光学元件3和聚焦透镜4，各光学元件与待测光束垂直且中心保持在光轴上；

2)随机相位板5的相位分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过，由二维电动位移台6控制送入光路中；

3)用直尺测量出聚焦透镜4到随机相位板5的直线距离L₀，聚焦透镜4焦点到随机相位板5的直线距离L₁，随机相位板5到光斑探测器7靶面的直线距离L₂；

4)由计算机8程序控制二维电动位移台6的移动，使随机相位板5移动至光路中光束全部通过该随机相位板5的位置；

5)聚焦透镜4前面没有放置待测大口径光学元件3时，用光斑探测器7记录第一幅散射光斑，然后将大口径光学元件3紧贴放置在聚焦透镜4的前面，用光斑探测器7记录第二幅散射光斑，光斑探测器7记录的光斑强度分布分别输入计算机8进行数据处理；

6)利用计算机8进行待测大口径光学元件相位测量，对于光斑探测器7记录的两幅散射光斑，分别迭代计算，迭代过程具体如下：

①给聚焦透镜4焦点处光波分布一初始的随机猜测值构造一个光阑，其孔径大小限制函数S₁，初始光阑半径r₁，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以内，则函数S₁取值为1，代表光可以透过光阑，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以外，则函数S₁取值为0，代表光不能透过光阑，

初始聚焦透镜4焦点面上的光波分布为

②第n次传播到随机相位板5面上的照明光函数为表示第n次迭代光波focus_n传播距离L₁的过程，n代表第n次迭代；

③在随机相位板5面上，随机相位板的分布函数为P,第n次照明光通过随机相位板后的出射波函数为

④第n次光斑探测器7靶面上散射光斑的复振幅分布表示第n次迭代光波exit_n传播距离L₂的过程；

⑤光斑探测器7实际记录的光斑分布为I,复振幅分布diff_n和的误差 ${\mathrm{error}}_n=\mathrm{\Σ}{\left(\right|{\mathrm{diff}}_n|-\sqrt{I})}^2/\mathrm{\ΣI};$

⑥对光斑探测器7靶面上的散射光斑的复振幅分布进行更新，将其振幅更新为光斑探测器7实际记录光斑的振幅得到diff'_n，ψ_n为diff_n的相位分布；

⑦反方向传播diff'_n到随机相位板5面上得到 表示第n次迭代光波diff'_n反方向传播距离L₂的过程；

⑧更新随机相位板5面上的照明光函数illu'_n＝exit'_n/P；

⑨反方向传播illu'_n到聚焦透镜4焦点面上得到 表示第n次迭代光波illu'_n反方向传播距离L₁的过程；

⑩增大光阑半径为r_n+1，半径r_n+1范围以内光阑孔径大小限制函数S_n+1取值为1，半径r_n+1范围以外S_n+1函数取值为0，更新后的聚焦透镜4焦点面上的光波分布为focus_n+1＝focus'_n*S_n+1作为第n+1次迭代的初始光波分布；

重复步骤②到⑩，直至误差error_n变化非常小甚至不变时迭代过程停止，此时更新后的随机相位板5面上的照明光函数为illu；

光斑探测器7记录的第一幅散射光斑迭代计算获得的照明光函数为illu1，光斑探测器7记录的第二幅散射光斑迭代计算获得的照明光函数为illu2；

由菲涅尔衍射积分公式，illu1和illu2反方向传播到聚焦透镜4面上得到光场分布

$U(x^{\′},y^{\′})=\frac{\exp \left({\mathrm{ikL}}_0\right)}{\mathrm{i\λ}{L}_0}\∫\∫\mathrm{illu}1(x,y)\exp \left[\mathrm{ik}\frac{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2}{2L_0}\right]\mathrm{dxdy}$

$T(x^{\′},y^{\′})=\frac{\exp \left({\mathrm{ikL}}_0\right)}{\mathrm{i\λ}{L}_0}\∫\∫\mathrm{illu}2(x,y)\exp \left[\mathrm{ik}\frac{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2}{2L_0}\right]\mathrm{dxdy}$

其中，λ是激光器1发出的相干光波长，k为波矢，k＝2π/λ，U(x′,y′)为没有放置待测大口径光学元件时聚焦透镜4面上的光场分布，T(x′,y′)为放置待测大口径光学元件时聚焦透镜4面上的光场分布；

求出二次曝光获得的聚焦透镜4面上光场分布的相位差U(x′,y′)T^*(x′,y′)，其中T^*(x′,y′)为T(x′,y′)的共轭函数，即为待测大口径光学元件3的相位。

实验结果表明，本发明装置成功实现了二次曝光实现大口径光学元件相位测量，该装置用一个光斑探测器记录两幅散射光斑，由计算机进行迭代计算可以实现大口径光学元件相位测量，该测量方法不受限于光斑探测器尺寸，受环境影响较小，装置结构简单，测量分辨率高，满足于大口径光学元件相位测量的要求。

Claims (3)

1.一种大口径光学元件二次曝光相位测量装置，其特征在于：包括激光器(1)、扩束器(2)、聚焦透镜(4)、随机相位板(5)、二维电动位移台(6)、光斑探测器(7)和计算机(8)；

上述元件的位置关系如下：

沿所述的激光器(1)发出的相干光方向依次是所述的扩束器(2)、聚焦透镜(4)、随机相位板(5)和光斑探测器(7)，所述的随机相位板(5)置于所述的二维电动位移台(6)上并垂直于光束的入射方向，该随机相位板(5)位于所述的聚焦透镜(4)的焦点后，在靠近所述的聚焦透镜(4)前设有供待测大口径光学元件(3)放置的机构，所述的光斑探测器(7)输出端与所述的计算机(8)输入端相连，所述的计算机(8)输出端与所述的二维电动位移台(6)控制端相连。

2.利用权利要求1所述的大口径光学元件二次曝光相位测量装置对待测大口径光学元件进行二次曝光的相位测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①以激光器发出的相干光光束为基准，确定光轴，将随机相位板(5)置于所述的二维电动位移台(6)上，由二维电动位移台(6)控制送入光路中，使随机相位板(5)垂直于光束的入射方向，同时，确保各光学元件与光束垂直且中心保持在光轴上，该随机相位板(5)的相位分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过；

②用直尺测量聚焦透镜(4)到随机相位板(5)的直线距离L₀，聚焦透镜(4)焦点到随机相位板(5)的直线距离L₁，随机相位板(5)到光斑探测器(7)靶面的直线距离L₂；

③计算机(8)控制所述的二维电动位移台(6)的移动，使随机相位板(5)移动至光路中光束全部通过该随机相位板(5)的位置；

④在聚焦透镜(4)前面没有放置待测大口径光学元件(3)时，用光斑探测器(7)记录第一幅散射光斑；

⑤将待测大口径光学元件(3)置于所述的机构上靠近所述的聚焦透镜(4)并与入射光束垂直，用光斑探测器(7)记录第二幅散射光斑；

⑥光斑探测器(7)记录的光斑强度分布分别输入计算机(8)，由计算机(8)利用光斑数据进行待测大口径光学元件的相位处理。

3.根据权利要求2所述的相位测量方法，其特征在于，所述的步骤⑥，利用计算机(8)对光斑探测器(7)记录的两幅散射光斑，分别迭代计算，迭代过程具体如下：

步骤6.1、给聚焦透镜(4)焦点处光波分布一初始的随机猜测值构造一个光阑，其孔径大小限制函数S₁，初始光阑半径r₁，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以内，则函数S₁取值为1，代表光透过光阑，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以外，则函数S₁取值为0，代表光不能透过光阑，

初始聚焦透镜(4)焦点面上的光波分布为

步骤6.2、第n次传播到随机相位板(5)面上的照明光函数为 表示第n次迭代光波focus_n传播距离L₁的过程，n代表第n次迭代；

步骤6.3、在随机相位板(5)面上，随机相位板的分布函数为P,第n次照明光通过随机相位板后的出射波函数为

步骤6.4、第n次光斑探测器(7)靶面上散射光斑的复振幅分布

表示第n次迭代光波exit_n传播距离L₂的过程；

步骤6.5、光斑探测器(7)实际记录的光斑分布为I,复振幅分布diff_n和的误差 ${\mathrm{error}}_n=\mathrm{\Σ}{\left(\right|{\mathrm{diff}}_n|-\sqrt{I})}^2/\mathrm{\ΣI};$

步骤6.6、对光斑探测器(7)靶面上的散射光斑的复振幅分布进行更新，即将其振幅更新为光斑探测器(7)实际记录光斑的振幅得到diff'_n，ψ_n为diff_n的相位分布；

步骤6.7、反方向传播diff'_n到随机相位板(5)面上得到

表示第n次迭代光波diff'_n反方向传播距离L₂的过程；

步骤6.8、更新随机相位板(5)面上的照明光函数illu'_n＝exit'_n/P；

步骤6.9、反方向传播illu'_n到聚焦透镜(4)焦点面上得到 表示第n次迭代光波illu'_n反方向传播距离L₁的过程；

步骤6.10、增大光阑半径为r_n+1，半径r_n+1范围以内光阑孔径大小限制函数S_n+1取值为1，半径r_n+1范围以外S_n+1函数取值为0，更新后的聚焦透镜(4)焦点面上的光波分布为focus_n+1＝focus'_n*S_n+1作为第n+1次迭代的初始光波分布；

步骤6.11重复步骤6.2到6.10，直至误差error_n变化非常小甚至不变时，迭代过程停止，此时更新后的随机相位板(5)面上的照明光函数为illu；

步骤6.12、光斑探测器(7)记录的第一幅散射光斑迭代计算获得的照明光函数为illu1，光斑探测器(7)记录的第二幅散射光斑迭代计算获得的照明光函数为illu2；

步骤6.13、由菲涅尔衍射积分公式，illu1和illu2反方向传播到聚焦透镜(4)面上得到光场分布，

$U(x^{\′},y^{\′})=\frac{\exp \left(\mathrm{ik}{L}_0\right)}{\mathrm{i\λ}{L}_0}\∫\∫\mathrm{illu}1(x,y)\exp \left[\mathrm{ik}\frac{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2}{2L_0}\right]\mathrm{dxdy}$

$T(x^{\′},y^{\′})=\frac{\exp \left(\mathrm{ik}{L}_0\right)}{\mathrm{i\λ}{L}_0}\∫\∫\mathrm{illu}2(x,y)\exp \left[\mathrm{ik}\frac{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2}{2L_0}\right]\mathrm{dxdy}$

其中，λ是激光器(1)发出的相干光波长，k为波矢，k＝2π/λ，U(x′,y′)为没有放置待测大口径光学元件时聚焦透镜(4)面上的光场分布，T(x′,y′)为放置待测大口径光学元件时聚焦透镜(4)面上的光场分布；步骤6.14、计算二次曝光获得的聚焦透镜(4)面上光场分布的相位差U(x′,y′)T^*(x′,y′)，其中T^*(x′,y′)为T(x′,y′)的共轭函数，即为待测大口径光学元件(3)的相位。