CN105806479A - 激光远场焦斑高精度动态诊断装置及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种的激光远场焦斑高精度动态诊断装置及方法，旨在解决现有技术分辨率低、误差大的弊端。本发明包括依次设置在同一光路上的单模光纤激光器、准直镜、可变光阑、分束镜、取样镜、缩束/扩束系统、反射镜、多通道二元光学元件、CCD探测器；还包括设置在分束镜反射光路上的参考积分球功率计，设置在反射镜反射光路上的测量积分球功率计，以及同时与参考积分球功率计、测量积分球功率计以及CCD探测器相联的控制计算机。本发明可实现对不同口径大小的激光光束的远场焦斑诊断，具有精度高、测量结果置信度高、稳定性好的优点。

Description

激光远场焦斑高精度动态诊断装置及诊断方法

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种基于多通道二元光学技术和相位恢复法实现激光远场焦斑高精度动态诊断装置及诊断方法。

背景技术

激光远场焦斑强度分布是激光光束质量的一个重要指标，也是高能激光系统中表征激光束进洞能力的主要参数。激光的远场分布决定了光束的可聚焦程度,也间接反映出波前状况。远场焦斑的准确测量对于诸如光束质量β因子、环围能量比等光束质量评价参数的正确评估至关重要。高能激光远场焦斑测量主要有两个难点：(1)激光焦斑强度分布具有极高的动态范围,主旁瓣的强度差很大(动态范围4个量级以上)；(2)波前畸变的不确定性造成激光束实际远场位置的不确定，使得动态测量时难以预估离焦量。由于波前的扰动是指数项，相对于振幅扰动，其对激光远场分布影响更大，故解决高能激光远场重构难点的方法是获取高精度、高分辨率的波前分布。

目前高精度、高分辨率波前位相测量普遍采用干涉法，干涉法测量位相最常用的是相移法。由于高功率激光装置输出的是纳秒(ns)甚至皮秒(ps)量级的近红外脉冲，利用常规的相移干涉术不可能获取多幅干涉图信息，在系统完全同步的情况下，也只能采集一幅干涉图。采用夏克-哈特曼波前传感器可动态测量激光近场波前，其工作原理为通过计算微透镜阵列分割的每个子孔径内畸变波前平均斜率，从而来重构被测波前分布。同时，根据夏克-哈特曼波前传感器获取的子孔径光斑阵列的强度分布，可得到激光光场强度分布，然后重构激光远场焦斑强度分布。此方法的缺点是：(1)波前斜率计算采用一阶线性近似，即sinθ≈tanθ≈θ，波前测量精度受到影响；(2)由于测量的是子孔径内畸变波前平均斜率，故认为被测波前是由许多子孔径内的平面波近似组成，子孔径内的畸变波前细节信息被忽略了，波前测量分辨率不高；(3)利用夏克-哈特曼波前传感器获取到的激光近场光强分布也受到微透镜阵列数的限制，分辨率不高；(4)激光远场焦斑重构精度受夏克-哈特曼波前传感器系统误差的影响。

传统相位恢复技术可以实现高分辨率波前测量，但需要测量入瞳处激光近场强度分布和远场强度分布或者需要测量两个或更多离焦位置远场强度分布来恢复激光近场波前。激光输出的不稳定性、环境扰动和探测器移动引入的波前误差无法扣除。同时，以光强测量为已知条件进行相位恢复的算法在数学上归属于反演问题。尽管一般认为相位恢复的解是唯一的，但不同的算法对解的精确性、收敛速度将产生很大影响。

发明内容

基于以上背景，本发明提出了一种激光远场焦斑高精度动态诊断装置及诊断方法。

高能激光系统中的激光远场焦斑诊断主要关心的是远场能量集中度，通常采用环围能量比曲线来全面描述激光光束远场焦斑的能量集中状况。环围能量比定义为远场给定尺寸包围的激光功率占总功率的百分比。

本发明利用多通道二元光学元件可同时获取被测激光光束不同离焦下的光场强度分布，再通过相位恢复法得到被测激光光束近场的振幅和相位分布，最后利用激光远场焦斑诊断算法完成被测激光光束远场光斑强度分布重构和环围能量比曲线的计算。

本发明的技术方案是：

激光远场焦斑高精度动态诊断装置包括单模光纤激光器、准直镜、可变光阑、分束镜、缩束/扩束系统、反射镜、CCD探测器和控制计算机；其特殊之处在于：还包括取样镜、参考积分球功率计、测量积分球功率计、多通道二元光学元件；所述准直镜、可变光阑、分束镜、取样镜、缩束/扩束系统、反射镜、多通道二元光学元件以及CCD探测器依次设置在单模光纤激光器的输出光路上；所述参考积分球功率计设置在所述分束镜的反射光路上；所述测量积分球功率计设置在所述反射镜的反射光路上；所述控制计算机同时与参考积分球功率计、测量积分球功率计以及CCD探测器相联；所述单模光纤激光器的光纤端面置于准直镜的焦点处，光纤芯径小于2.44λf/d，其中λ为单模光纤激光器输出激光的波长，f为所述准直镜的焦距，d为所述准直镜的出瞳尺寸；所述多通道二元光学元件位于所述缩束/扩束系统的出瞳位置，用于将缩束/扩束系统入瞳处的激光光束近场分割成一系列子孔径区域。

上述缩束/扩束系统的波像差小于被测激光光束波前相位分布峰谷值的1/3。

上述多通道二元光学元件包括多个口径为矩形的微结构元件，所述多个微结构元件在同一平面内任意组合排布，相邻两个微结构元件的焦距不同。

上述多通道二元光学元件由两种焦距不同的微结构元件交替排布组成。

上述多通道二元光学元件为多通道计算全息片或者微透镜阵列；多通道计算全息片的微结构元件为菲涅尔透镜，微透镜阵列的微结构元件为微透镜。

上述缩束/扩束系统为开普勒结构，由物镜和目镜组成，并采用双远心光路。

基于上述的诊断装置的激光远场焦斑诊断方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

(1)对缩束/扩束系统进行标定

对缩束/扩束系统的标定包括缩束/扩束系统的透过率和波像差的标定：

单模光纤激光器输出的激光经准直镜和可变光阑后，由分束镜分成两束光，其中反射光进入参考积分球功率计，测得激光功率值为I₀；透射光通过缩束/扩束系统后，经反射镜反射进入测量积分球功率计，测得激光功率值为

I₁；

通过控制计算机采集测量数据，并计算得到缩束/扩束系统的透射率β为：

β＝I₁/(I₀ηγ)(1)

式中，η为分束镜的分束比，γ为反射镜的表面反射率；

将分束镜和反射镜切出测量光路，准直镜输出的光通过可变光阑和缩束/扩束系统后，经多通道二元光学元件将缩束/扩束系统入瞳处的激光光束近场分割成一系列子孔径区域，同时CCD探测器探测到所述一系列子孔径区域内激光光束不同离焦下的光场强度分布，再利用相位恢复法计算得到缩束/扩束系统的波像差Φ₁(x,y)；

(2)激光远场焦斑诊断

将取样镜切入测量光路，被测激光经取样镜反射，进入激光缩束/扩束系统后，经多通道二元光学元件将激光缩束/扩束入瞳处激光光束近场分割成一系列子孔径区域，通过控制计算机实现CCD探测器同时探测所述一系列子孔径区域内被测激光光束不同离焦下的光场强度分布，并利用相位恢复法进行相位恢复计算，得到被测激光光束在缩束/扩束系统的出瞳位置处的波前相位分布Φ(x,y)和振幅分布A(x,y)，则被测激光光束的近场光场相位分布Φ₀(x,y)可表示为：

Φ₀(x,y)＝Φ(x,y)-Φ₁(x,y)(2)

被测激光光束的近场光场振幅分布A₀(x,y)可表示为：

$A_0(x,y)=A(x,y)/\sqrt{\mathrm{\β}}---\left(3\right)$

被测激光光束的近场光场分布为：

$U_0(x,y)=A(x,y)\exp \[j2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\Φ}\right(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_1(x,y\left)\right)\]/\sqrt{\mathrm{\β}}---\left(4\right)$

根据标量衍射理论可知，激光近场光场分布与远场光场分布满足傅里叶关系，通过计算可得到被测激光远场光场分布为：

U_f(u,v)＝F{P(x,y)·U₀(x,y)}＝F{P(x,y)}*F{U₀(x,y)}(5)

式中，F{}为傅里叶变换算子；P(x,y)为瞳函数；

被测激光远场焦斑强度分布为：

I(u,v)＝U_f(u,v)·U_f(u,v)*＝|U_f(u,v)|²(6)

式中，U_f(u,v)*为U_f(u,v)的共轭；

对公式(6)进行积分，得到环围能量比曲线。

本发明具有如下有益效果：

1、精度高：本发明基于多通道二元光学元件和相位恢复法实现了激光远场焦斑的高精度动态诊断，弥补了传统诊断方法精度不高和分辨率低的缺点。

2、测量结果置信度高：本发明通过事先对激光缩束/扩束系统标定，使激光远场焦斑诊断结果不受其误差影响。

3、稳定性好：本发明不受外界环境(空气气流扰动、振动等)和激光输出能量不稳定性的影响。

4、本发明结构简单、重复性好，可实现对不同口径大小的激光光束的远场焦斑诊断。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为多通道二元光学元件的结构示意图；

图3为多通道二元光学元件的工作原理示意图；

图中，1-单模光纤激光器，2-准直镜，3-可变光阑，4-分束镜，5-参考积分球功率计，6-取样镜，7-缩束/扩束系统，71-物镜，72-目镜，8-反射镜，9-测量积分球功率计，10-多通道二元光学元件，11-CCD探测器，12-控制计算机，13-被测激光光束。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提供的激光远场焦斑高精度动态诊断装置包括依次设置在单模光纤激光器1输出激光光路上的准直镜2、可变光阑3(光阑口径根据被测激光光束13的光束口径选取)、分束镜4、缩束/扩束系统7、反射镜8、多通道二元光学元件10、CCD探测器11，并且在分束镜4的反射光路上设置参考积分球功率计5，在反射镜8的反射光路上设置测量积分球功率计9；本发明还包括同时与参考积分球功率计5、测量积分球功率计9、CCD探测器11相联的控制计算机12。

单模光纤激光器1的光纤端面置于准直镜2的焦点处，光纤芯径小于2.44λf/d，其中λ为单模光纤激光器1输出激光的波长，f为准直镜2的焦距，d为准直镜2的出瞳尺寸。

缩束/扩束系统7为开普勒结构，由物镜71和目镜72组成，采用双远心光路，并进行消色差设计，以保证诊断装置的宽谱段工作和消除CCD探测器11的位置误差对测量结果的影响；缩束/扩束系统7的缩束/扩束比根据CCD探测器11靶面的大小和被测激光光束13的光束口径确定；缩束/扩束系统7的波像差小于被测激光光束波前相位分布峰谷值的1/3，以进一步提高测量精度。

多通道二元光学元件10位于缩束/扩束系统7的出瞳位置，用于将缩束/扩束系统7入瞳处的激光光束近场分割成一系列子孔径区域，并与CCD探测器11结合实现被测激光光束不同离焦下的光场强度分布的同时获取；多通道二元光学元件10由在同一平面内任意组合排布的多个微结构元件组成，微结构元件口径为矩形，相邻微结构元件的焦距不同；图2为多通道二元光学元件10的一种结构形式，其由两种形式的微结构元件在同一平面内交替排布组成。本实施例的多通道二元光学元件10采用多通道计算全息片或者微透镜阵列，多通道计算全息片的微结构元件为菲涅尔透镜，微透镜阵列的微结构元件为微透镜。

本发明所提供的基于上述诊断装置的激光远场焦斑的诊断方法，包括以下步骤：

(1)对缩束/扩束系统7进行标定(标定时，取样镜6切出测量光路)

对缩束/扩束系统7的标定包括缩束/扩束系统7的透过率和波像差的标定：

单模光纤激光器1输出的激光经准直镜2和可变光阑3后，由分束镜4分成两束光，其中反射光进入参考积分球功率计5，测得激光功率值为I₀；透射光通过缩束/扩束系统7后，经反射镜8反射进入测量积分球功率计9，测得激光功率值为I₁；通过控制计算机采集测量数据，并计算得到缩束/扩束系统7的透射率β为：

β＝I₁/(I₀ηγ)(1)

式中，η为分束镜的分束比，γ为反射镜的表面反射率；

将分束镜4和反射镜8切出测量光路，准直镜2输出的光通过可变光阑3和缩束/扩束系统7后，经多通道二元光学元件10将缩束/扩束系统7入瞳处的激光光束近场分割成一系列子孔径区域，同时CCD探测器11探测到所述一系列子孔径区域内激光光束不同离焦下的光场强度分布，再利用相位恢复法计算得到缩束/扩束系统7的波像差Φ₁(x,y)；

(2)激光远场焦斑诊断

将取样镜6切入测量光路，被测激光经取样镜6反射，进入激光缩束/扩束系统7后，经多通道二元光学元件10将激光缩束/扩束7入瞳处激光光束近场分割成一系列子孔径区域，通过控制计算机12实现CCD探测器11同时探测所述一系列子孔径区域内被测激光光束不同离焦下的光场强度分布，并利用相位恢复法进行相位恢复计算，得到被测激光光束在缩束/扩束系统7的出瞳位置处的波前相位分布Φ(x,y)和振幅分布A(x,y)，则被测激光光束的近场光场相位分布Φ₀(x,y)可表示为：

Φ₀(x,y)＝Φ(x,y)-Φ₁(x,y)(2)

被测激光光束的近场光场振幅分布A₀(x,y)可表示为：

$A_0(x,y)=A(x,y)/\sqrt{\mathrm{\β}}---\left(3\right)$

被测激光光束的近场光场分布为：

$U_0(x,y)=A(x,y)\exp \[j2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\Φ}\right(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_1(x,y\left)\right)\]/\sqrt{\mathrm{\β}}---\left(4\right)$

根据标量衍射理论可知，激光近场光场分布与远场光场分布满足傅里叶关系，通过计算可得到被测激光远场光场分布为：

U_f(u,v)＝F{P(x,y)·U₀(x,y)}＝F{P(x,y)}*F{U₀(x,y)}(5)

式中，F{}为傅里叶变换算子；P(x,y)为瞳函数，当被测激光光束13的孔径为矩形孔径时，P(x,y)的傅里叶变换为sinc函数；当被测激光光束13的孔径为圆形孔径时，P(x,y)的傅里叶变换为一阶贝塞尔函数。

被测激光远场焦斑强度分布为：

I(u,v)＝U_f(u,v)·U_f(u,v)*＝|U_f(u,v)|²(6)

式中，U_f(u,v)*为U_f(u,v)的共轭；

对公式(6)进行积分，可得到环围能量比曲线。

Claims (7)

1.激光远场焦斑高精度动态诊断装置，包括单模光纤激光器、准直镜、可变光阑、分束镜、缩束/扩束系统、反射镜、CCD探测器和控制计算机；其特征在于：还包括取样镜、参考积分球功率计、测量积分球功率计、多通道二元光学元件；

所述准直镜、可变光阑、分束镜、取样镜、缩束/扩束系统、反射镜、多通道二元光学元件以及CCD探测器依次设置在单模光纤激光器的输出光路上；所述参考积分球功率计设置在所述分束镜的反射光路上；所述测量积分球功率计设置在所述反射镜的反射光路上；所述控制计算机同时与参考积分球功率计、测量积分球功率计以及CCD探测器相联；

所述单模光纤激光器的光纤端面置于准直镜的焦点处，光纤芯径小于2.44λf/d，其中λ为单模光纤激光器输出激光的波长，f为所述准直镜的焦距，d为所述准直镜的出瞳尺寸；

所述多通道二元光学元件位于所述缩束/扩束系统的出瞳位置，用于将缩束/扩束系统入瞳处的激光光束近场分割成一系列子孔径区域。

2.根据权利要求1所述的激光远场焦斑高精度动态诊断装置，其特征在于：所述缩束/扩束系统的波像差小于被测激光光束波前相位分布峰谷值的1/3。

3.根据权利要求2所述的激光远场焦斑高精度动态诊断装置，其特征在于：所述多通道二元光学元件包括多个口径为矩形的微结构元件，所述多个微结构元件在同一平面内任意组合排布，相邻两个微结构元件的焦距不同。

4.根据权利要求3所述的激光远场焦斑高精度动态诊断装置，其特征在于：所述多通道二元光学元件由两种焦距不同的微结构元件交替排布组成。

5.根据权利要求3或4所述的激光远场焦斑高精度动态诊断装置，其特征在于：所述多通道二元光学元件为多通道计算全息片或者微透镜阵列；多通道计算全息片的微结构元件为菲涅尔透镜，微透镜阵列的微结构元件为微透镜。

6.根据权利要求5所述的激光远场焦斑高精度动态诊断装置，其特征在于：所述缩束/扩束系统为开普勒结构，由物镜和目镜组成，并采用双远心光路。

7.基于权利要求1所述的诊断装置的激光远场焦斑诊断的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对缩束/扩束系统进行标定

对缩束/扩束系统的标定包括缩束/扩束系统的透过率和波像差的标定：

单模光纤激光器输出的激光经准直镜和可变光阑后，由分束镜分成两束光，其中反射光进入参考积分球功率计，测得激光功率值为I₀；透射光通过缩束/扩束系统后，经反射镜反射进入测量积分球功率计，测得激光功率值为I₁；

通过控制计算机采集测量数据，并计算得到缩束/扩束系统的透射率β为：

β＝I₁/(I₀ηγ)(1)

式中，η为分束镜的分束比，γ为反射镜的表面反射率；

将分束镜和反射镜切出测量光路，准直镜输出的光通过可变光阑和缩束/扩束系统后，经多通道二元光学元件将缩束/扩束系统入瞳处的激光光束近场分割成一系列子孔径区域，同时CCD探测器探测到所述一系列子孔径区域内激光光束不同离焦下的光场强度分布，再利用相位恢复法计算得到缩束/扩束系统的波像差Φ₁(x,y)；

(2)激光远场焦斑诊断

将取样镜切入测量光路，被测激光经取样镜反射，进入激光缩束/扩束系统后，经多通道二元光学元件将激光缩束/扩束入瞳处激光光束近场分割成一系列子孔径区域，通过控制计算机实现CCD探测器同时探测所述一系列子孔径区域内被测激光光束不同离焦下的光场强度分布，并利用相位恢复法进行相位恢复计算，得到被测激光光束在缩束/扩束系统的出瞳位置处的波前相位分布Φ(x,y)和振幅分布A(x,y)，则被测激光光束的近场光场相位分布Φ₀(x,y)可表示为：

Φ₀(x,y)＝Φ(x,y)-Φ₁(x,y)(2)

被测激光光束的近场光场振幅分布A₀(x,y)可表示为：

$A_0(x,y)=A(x,y)/\sqrt{\mathrm{\β}}---\left(3\right)$

被测激光光束的近场光场分布为：

$U_0(x,y)=A(x,y)\exp \[j2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\Φ}\right(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_1(x,y\left)\right)\]/\sqrt{\mathrm{\β}}---\left(4\right)$

根据标量衍射理论可知，激光近场光场分布与远场光场分布满足傅里叶关系，通过计算可得到被测激光远场光场分布为：

U_f(u,v)＝F{P(x,y)·U₀(x,y)}＝F{P(x,y)}*F{U₀(x,y)}(5)

式中，F{}为傅里叶变换算子；P(x,y)为瞳函数；

被测激光远场焦斑强度分布为：

I(u,v)＝U_f(u,v)·U_f(u,v)*＝|U_f(u,v)|²(6)

式中，U_f(u,v)*为U_f(u,v)的共轭；

对公式(6)进行积分，得到环围能量比曲线。