CN107300420A - 编码分束相位测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种编码分束相位的测量装置和测量方法，该装置需要一个光斑探测器，一块已知分布的弱散射样品和各个衍射级光强分布相等的二维光栅及相应的固定装置，成本远远低于常见干涉仪，对环境稳定性要求低。待测光束经过光栅分光后经过分布已知的弱散射样品在成像靶面上形成多个不同互相分离的衍射光斑，再利用迭代算法对每一个衍射光斑进行处理，最终恢复出待测光束的波前振幅和相位。本发明由于利用光栅分光可得到多个不同的衍射光斑，在迭代恢复过程中相比于利用一个衍射光斑迭代恢复的分辨率更高。由于只需要记录一幅衍射光斑，测量过程简便快捷，可用于脉冲激光的波前检测，为波前测量提供了一种解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及波前相位检测，特别是一种编码分束相位测量装置和测量方法。
技术背景
波前相位检测在高功率激光驱动器中有着重要的应用，由于高功率激光器装置尺寸庞大，内部结构复杂，光学元件在加工和安装过程中不可避免地会影响激光光束质量，使激光光束波前发生畸变，光斑均匀性降低，焦斑变形，从而影响高功率激光器实验的成功率，因此高功率激光驱动器中波前相位畸变的实时检测对于光束波前畸变的矫正，提高光束质量有重要意义。
目前波前相位检测的主要方法有干涉仪，剪切干涉仪，哈特曼传感器等。干涉测量需要高度隔震的大型光学平台和规整的参考光，对于环境稳定性要求极高，且干涉仪售价昂贵；哈特曼传感器在相位测量中应用比较广泛，但是由于哈特曼传感器阵列单元数有限，测量分辨率不高。1969年Hoppe提出相干衍射成像(Coherent Diffraction Imaging，简称为CDI)，CDI是一种用迭代算法从所记录的一幅或多幅物体衍射光斑的光强中恢复物体的振幅和相位的成像技术，CDI成像不受透镜像差影响，理论上能够获得接近衍射极限的空间分辨率且不需要参考光。CDI实验光路简单，数据采集时间短，实验过程简便快捷，能够很好的适应激光驱动器中的实际光束是脉冲光束的情况。传统CDI通过利用待测光束经过随机相位板后的一幅衍射光斑，经过迭代运算恢复出待测光束的振幅和相位，在迭代过程中由于只利用一幅衍射光斑，限制条件较弱，恢复的相位信息中会含有散斑，提升CDI方法的信噪比对于高功率激光驱动器中波前相位检测具有十分重要的意义。
发明内容
本发明针对CDI技术在高功率驱动装置波前测量中的缺点，提出一种编码分束相位测量装置和测量方法，该装置需要一个光斑探测器，一块已知分布的衍射样品和各个衍射级光强相等的二维光栅及相应的固定装置，成本远远低于常见干涉仪，对环境稳定性要求低。待测光束经过光栅分光后经过分布已知的衍射样品在成像靶面上形成多个不同互相分离的衍射光斑，再利用迭代算法对每一个衍射光斑进行处理，最终恢复出待测光束的波前振幅和相位。该装置和方法由于利用光栅分光得到多个不同的衍射光斑，在迭代恢复过程中相比于利用一个衍射光斑迭代恢复的分辨率更高。该装置和方法由于只需要记录一幅衍射光斑，测量过程简便快捷，可用于脉冲激光的波前检测，为波前测量提供了一种解决方案。
本发明的技术解决方案如下：
一种编码分束相位测量装置，其特点在于，包括：沿待测光束的入射光传播方向依次为缩束器、入射平面、透镜、各级次分布已知的衍射光栅、分布已知的衍射样品、光斑探测器和计算机，所述的入射平面位于所述的透镜前2倍焦距处，所述的光班探测器的靶面与所述的透镜的距离为2倍焦距，所述的衍射光栅置于所述的透镜与该透镜的焦平面之间，所述的衍射样品置于所述的透镜的焦平面与光斑探测器之间，所述的衍射光栅的衍射级次为N*M，其中N和M为正整数，衍射光栅各个级次光强相等，且各级次透过率已知，衍射光栅与待测光波长相对应，所述的光斑探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连。
利用上述编码分束相位测量的装置对待测光束相位的测量方法，包括以下步骤：
1)根据待测光波的直径大小选择合适缩束器，使待测光波缩束后光束直径为2.4mm，缩束后光束经过所述的透镜和衍射光栅后在所述的光斑探测器靶面上成像的光斑阵列范围小于所述的光斑探测器靶面尺寸，将所述的缩束器置于光路中并垂直于光轴；
2)输入待测光，所述的光斑探测器记录一幅N*M级衍射光斑阵列并送入计算机中；
3)所述的计算机迭代运算实现波前再现的步骤包括：
①以衍射光栅所在平面为初始猜测面，设N*M级衍射光栅各级次的复振幅透过率依次为P1,1，P1,2，...，Pn,m，...，PN,M，所述的衍射样品的透过率为S，经测量，所述的衍射光栅与衍射样品之间的距离为L1，衍射样品与光斑探测器靶面之间的距离为L2；
②对初始猜测面的光波分布进行随机猜测得到Gk,n,m，根据各个面之间的传播距离迭代计算初始猜测面的光波分布；
③令k＝k+1，第k次迭代过程为：
初始猜测面的光波Gk,n,m经过衍射光栅的第(n,m)衍射级Pn,m传播到所述的衍射样品的分布，并作为衍射样品的照明光Illuk,n,m：
其中，表示沿光波传播方向的传播过程；计算Illuk,n,m经过衍射样品后的出射光分布为Ok,S,n,m：
Ok,S,n,m＝Illuk,n,m*S；
在光斑探测器面上的复振幅分布为Diffk,n,m：
根据光斑探测器上实际记录的光斑阵列中对应级次的光斑强度分布In,m对计算得到的分布Diffk,n,m进行更新得到Diff'k,n,m，更新方法是用实际的振幅分布代替Diffk,n,m的振幅分布并保持相位不变，即
其中，为Diffk,n,m的相位分布；逆传播Diff'k,n,m到衍射样品得到其中表示逆向传播过程；
由O'k,N,n,m得到Illuk,n,m的更新分布Illu'k,n,m，衍射样品照明光的更新分布为：
逆向传播Illu'k,n,m到初始猜测面得到更新后的光栅面的出射波函数并对初始猜测Gk,n,m进行更新，更新公式为：
令更新得到的G'k,n,m作为下次循初始猜测面的初始分布，即Gk,n,m+1＝G'k,n,m；
④返回步骤③，但是在步骤①中Gk,n,m+1是经过衍射光栅的下一衍射级，即第(n,m+1)级，在步骤④中利用记录的光斑阵列中第(n,m+1)级的衍射斑的强度分布In,m+1进行振幅替换，重复步骤①到④直到光斑探测器上所记录每个衍射光斑均完成振幅替换，此时一次迭代完成，按下式计算误差：
若误差Erk在可以接受的范围以下则停止迭代，否则将上一次迭代得到的G'k做为下一次迭代的初始值，继续进行迭代，直到误差Erk在可接受范围以下；
⑤迭代完成后，将最后得到的Gk逆向传播到入射平面(2)，即得到待测光束的复振幅分布。
本发明的技术效果：
1)传统CDI通过利用待测光束经过随机相位板后的一幅衍射光斑，经过迭代运算恢复出待测光束的振幅和相位，在迭代过程中由于只利用一幅衍射光斑，限制条件较弱，恢复的相位信息中会含有散斑。本发明利用光栅的分光原理，使待测光束经过光栅后分出的每一束光分别通过不同的衍射物体，并且成像在CCD靶面上，实现单次曝光得到多个不同衍射光斑，把每一幅衍射光斑进行迭代运算，加强限制条件从而提升恢复图像的信噪比。
2)本发明对环境要求较低，结构和数据记录过程简单，只需要记录单幅衍射光斑，可用于脉冲光束的测量。
3)主要成本集中在光斑探测器及衍射光栅的制作上，相比于干涉仪等成本较低。
4)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，通过光栅分光实现单次曝光得到多个衍射光斑，相比于单次曝光得只得到一个衍射光斑的CDI，该方法恢复的结果散斑较小，信噪比较高。
附图说明
图1是本发明编码分束相位测量装置的示意图。
图中：1-缩束器，2-入射平面，3-75mm透镜，4-衍射光栅，5-衍射样品，6-光斑探测器，7-计算机。
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明编码分束相位测量装置的示意图。由图可见，本发明一种编码分束相位测量装置，包括：沿待测光束的入射光传播方向依次是缩束器1、入射平面2、透镜3、各级次分布已知的衍射光栅4、分布已知的衍射样品5、光斑探测器6和计算机7，所述的入射平面2位于所述的透镜3前2倍焦距处，所述的光班探测器5的靶面与所述的透镜3的距离为2倍焦距，所述的衍射光栅4置于所述的透镜3与该透镜的焦平面之间，所述的衍射样品5置于所述的透镜3的焦平面与光斑探测器6之间，所述的衍射光栅4的衍射级次为N*M，其中N和M为正整数，衍射光栅各个级次光强相等，且各级次透过率已知，衍射光栅与待测光波长相对应，所述的光斑探测器6的输出端与所述的计算机7的输入端相连。
下面是一个实施例的情况说明：
实施例中，所述的透镜3为75mm透镜，该实施例测量1053nm激光器中的光束分布，采用一块1053nm衍射光栅4，衍射光栅衍射级为7*7，衍射角度为11.42°。衍射样品5为载玻片上涂匀的聚苯乙烯小球，使用CCD作为光斑探测器6，其分辨率为4008×2672，最小单元为9μm，75mm透镜3到衍射光栅4的距离为56.98mm，衍射光栅4到弱衍射样品5的距离L1为45.92mm，弱衍射样品5到CCD靶面的距离L2为51.7mm。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。
通过计算机迭代运算实现波前再现的步骤包括：
1)以衍射光栅所在平面为初始猜测面，对衍射光栅的入射光分布进行随机猜测得到Gk,n,m，根据各个面之间的传播距离计算并模拟Gk,n,m从初始猜测面到光斑探测器靶面的传播过程，并在光斑记录面根据实际记录的光斑阵列中相应级次的光斑强度分布In,m对计算值进行更新并进行迭代运算，第k次迭代过程为：
①根据衍射理论计算初始猜测面的光波Gk,n,m经过光栅的第(n,m)衍射级Pn,m后传播到衍射样品的分布，并作为衍射样品的照明光Illuk,n,m，其中 表示沿光波传播方向的传播过程。
②计算Illuk,n,m经过衍射样品后的出射光分布Ok,S,n,m，其中Ok,S,n,m＝Illuk,n,m*S。
③根据衍射样品的出射光波分布Ok,S,n,m计算光斑探测器面上的复振幅分布Diffk,n,m，即
④根据光斑探测器上实际记录的光斑阵列中对应级次的光斑强度分布In,m对计算得到的分布Diffk,n,m进行更新得到Diff'k,n,m，具体为用实际的振幅分布代替Diffk,n,m的振幅分布并保持相位不变，即其中为Diffk,n,m的相位分布。逆传播Diff'k,n,m到衍射样品面得到其中表示逆向传播过程。
⑤由O'k,N,n,m得到Illuk,n,m的更新分布Illu'k,n,m。衍射样品照明光的更新分布为：
⑥逆向传播Illu'k,n,m到初始猜测面得到更新后的光栅面的出射波函数并对初始猜测Gk,n,m进行更新，更新公式为：令更新得到的G'k,n,m作为下次循初始猜测面的初始分布，即Gk,n,m+1＝G'k,n,m。
⑦在下次循环中重复步骤①到⑥，但是在步骤①中Gk,n,m+1是经过衍射光栅的下一衍射级，即第(n,m+1)级，在步骤④中利用记录的光斑阵列中第(n,m+1)级的衍射斑的强度分布In,m+1进行振幅替换，循环重复步骤①到⑥直到光斑探测器上所记录每个衍射光斑均完成振幅替换，此时一次迭代完成，计算误差若误差Erk在可以接受的范围以下则停止迭代，否则将上一次迭代得到的G'k做为下一次迭代的初始值，继续进行迭代，直到误差Erk在可接受范围以下。迭代完成后将最后得到的Gk逆向传播到入射平面，即得到待测光束的复振幅分布。
实验表明，本发明只需一个光斑探测器，一块已知分布的衍射样品和各个衍射级光强相等的二维光栅及相应的固定装置，成本远远低于常见干涉仪，对环境稳定性要求低。待测光束经过光栅分光后经过分布已知的衍射样品在成像靶面上形成多个不同互相分离的衍射光斑，再利用迭代算法对每一个衍射光斑进行处理，最终恢复出待测光束的波前振幅和相位。本发明由于利用光栅分光得到多个不同的衍射光斑，在迭代恢复过程中相比于利用一个衍射光斑迭代恢复的分辨率更高。
本发明只需要记录一幅衍射光斑，测量过程简便快捷，可用于脉冲激光的波前检测，为波前测量提供了一种解决方案。
Claims (2)
1.一种编码分束相位测量装置，其特征在于，包括：沿待测光束的入射光传播方向依次为缩束器(1)、入射平面(2)、透镜(3)、各级次分布已知的衍射光栅(4)、分布已知的衍射样品(5)、光斑探测器(6)和计算机(7)，所述的入射平面(2)位于所述的透镜(3)前2倍焦距处，所述的光班探测器(5)的靶面与所述的透镜(3)的距离为2倍焦距，所述的衍射光栅(4)置于所述的透镜(3)与该透镜的焦平面之间，所述的衍射样品(5)置于所述的透镜(3)的焦平面与光斑探测器(6)之间，所述的衍射光栅(4)的衍射级次为N*M，其中N和M为正整数，衍射光栅各个级次光强相等，且各级次透过率已知，衍射光栅与待测光波长相对应，所述的光斑探测器(6)的输出端与所述的计算机(7)的输入端相连。
2.利用权利要求1所述的编码分束相位测量的装置对待测光束的相位测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据待测光波的直径大小选择合适缩束器(1)，使待测光波缩束后光束直径为2.4mm，缩束后光束经过所述的透镜(3)和衍射光栅(4)后在所述的光斑探测器(6)靶面上成像的光斑阵列范围小于所述的光斑探测器(6)靶面尺寸，将所述的缩束器(1)置于光路中并垂直于光轴；
2)输入待测光，所述的光斑探测器(6)记录一幅N*M级衍射光斑阵列并送入计算机(7)中；
3)所述的计算机(7)迭代运算实现波前再现的步骤包括：
①以衍射光栅所在平面为初始猜测面，设N*M级衍射光栅各级次的复振幅透过率依次为P1,1，P1,2，...，Pn,m，...，PN,M，所述的衍射样品(5)的透过率为S，经测量，所述的衍射光栅(4)与衍射样品(5)之间的距离为L1，衍射样品(5)与光斑探测器(6)靶面之间的距离为L2；
②对初始猜测面的光波分布进行随机猜测得到Gk,n,m，根据各个面之间的传播距离迭代计算初始猜测面的光波分布；
③令k＝k+1，第k次迭代过程为：
初始猜测面的光波Gk,n,m经过衍射光栅(4)的第(n,m)衍射级Pn,m传播到所述的衍射样品(5)的分布，并作为衍射样品(5)的照明光Illuk,n,m：
其中，表示沿光波传播方向的传播过程；计算Illuk,n,m经过衍射样品(5)后的出射光分布为Ok,S,n,m：
Ok,S,n,m＝Illuk,n,m*S；
在光斑探测器面(6)上的复振幅分布为Diffk,n,m：
根据光斑探测器(6)上实际记录的光斑阵列中对应级次的光斑强度分布In,m对计算得到的分布Diffk,n,m进行更新得到Diff'k,n,m，更新方法是用实际的振幅分布代替Diffk,n,m的振幅分布并保持相位不变，即
其中，为Diffk,n,m的相位分布；逆传播Diff'k,n,m到衍射样品(5)得到其中表示逆向传播过程；
由O'k,N,n,m得到Illuk,n,m的更新分布Illu'k,n,m，衍射样品(5)照明光的更新分布为：
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逆向传播Illu'k,n,m到初始猜测面得到更新后的光栅面的出射波函数并对初始猜测Gk,n,m进行更新，更新公式为：
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令更新得到的G'k,n,m作为下次循初始猜测面的初始分布，即Gk,n,m+1＝G'k,n,m；
④返回步骤③，但是在步骤①中Gk,n,m+1是经过衍射光栅(4)的下一衍射级，即第(n,m+1)级，在步骤④中利用记录的光斑阵列中第(n,m+1)级的衍射斑的强度分布In,m+1进行振幅替换，重复步骤①到④直到光斑探测器(6)上所记录每个衍射光斑均完成振幅替换，此时一次迭代完成，按下式计算误差：
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若误差Erk在可以接受的范围以下则停止迭代，否则将上一次迭代得到的G'k做为下一次迭代的初始值，继续进行迭代，直到误差Erk在可接受范围以下；
⑤迭代完成后，将最后得到的Gk逆向传播到入射平面(2)，即得到待测光束的复振幅分布。
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