CN108226036A - 基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置 - Google Patents

基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置 Download PDF

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蒋泽伟
贾静
张�浩
樊红英
胡绍云
孟庆安
王询
何易德
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Abstract

本发明公开了一种基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，光纤激光器出射标准球面波，经准直物镜产生标准平面波前，被测激光材料放置于两平面反射镜之间，标准平面波前依次经两平面反射镜反射，方向发生180°改变，标准平面波前经过被测激光材料后携带被测激光材料的热效应信息，由分光镜分为两束，一束为热效应焦距参数测量光束，进入热效应焦距参数测量模块，进行热效应焦距参数测量，另一束为波像差参数测量光束，进入波像差参数测量模块，进行波像差参数测量。本发明基于双光栅剪切干涉技术，具有光轴辅助调节功能，系统结构简单、操作方便、测量精度高，可实现等效焦距和等效波像差的同步测量。

Description

基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置
技术领域
本发明属于激光材料热效应测量技术领域，涉及一种基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，基于双光栅剪切干涉技术，可用于激光材料热效应参数等效热焦距和等效波像差的同步测量。
背景技术
高能固体激光器的功率的提高是一个与“热”抗争的过程，激光材料的热效应不仅造成激光输出功率无法提高，而且会导致激光光束质量下降、激光材料炸裂等情况出现。为尽可能消除激光材料热效应的影响，为新材料、新工艺、新工程技术的研究提供数据支撑及性能评价标准，激光材料热效应参数被提出用于评估激光材料热效应，主要包括等效热焦距参数和波像差参数。二者为激光材料温度梯度产生的热透镜效应、热应力双折射产生热透镜效应和端面形变产生热透镜效应的综合体现，对二者的精确测量将对激光器功率的进一步提高提供支持。
目前激光材料热效应参数的测量方法主要包括：干涉仪测量法、基于波前传感器测量法、双光栅横向剪切干涉测量法、曲率光栅波前传感器测量法。这些测量方法普遍存在测量参数单一、测量系统操作复杂、测量精度相对较低等问题，其中干涉仪测量法采用干涉仪结合平面反射镜，可对热效应波像差提供精确测量，但由于干涉仪测焦距范围较小，无法精确测量热焦距参数；基于波前传感器测量法可同时测量热焦距参数和波像差参数，但由于采用拟合的方式测量波前曲率对波像差参数测量范围和测量精度均有限；曲率光栅波前传感器测量法可对热焦距参数精确测量，但受测量原理限制无法实现波像差参数的高精度测量。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，实现等效焦距和等效波像差的同步测量。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其包括：光纤激光器1、准直物镜2、第一平面反射镜3、第二平面反射镜5、第一分光镜6、热效应焦距参数测量模块和波像差参数测量模块；光纤激光器1出射标准球面波，经准直物镜2后产生标准平面波前，被测激光材料4放置于第一平面反射镜3和第二平面反射镜5之间，标准平面波前依次经第一平面反射镜3和第二平面反射镜5反射，方向发生180°改变，标准平面波前经过被测激光材料4后携带被测激光材料4的热效应信息，由第一分光镜6分为两束，一束为热效应焦距参数测量光束，进入热效应焦距参数测量模块，进行热效应焦距参数测量，另一束为波像差参数测量光束，进入波像差参数测量模块，进行波像差参数测量。
其中，所述热效应焦距参数测量模块包括同轴布置的主尺光栅7、基尺光栅8、第一成像屏9和第一CCD传感器10，光栅衍射的各级次波面在第一成像屏9上形成第一干涉条纹，第一CCD传感器10采集第一干涉条纹传输给计算机21，计算机采集第一干涉条纹计算被测激光材料4等效热焦距。
其中，所述波像差参数测量模块包括：第三平面反射镜11和同轴布置的缩束系统物镜12、光栅对13、选级滤波器14、缩束系统目镜15、第二CCD传感器17；波像差参数测量光束由第三平面反射镜11反射后经缩束系统物镜12进行汇聚，光栅对13将光束分成波前相位相同、传播方向不同的多个光束，选级滤波器14选择光束中的属于光栅对衍射±1级的四个波前，经缩束系统目镜15后在CCD靶面上进行干涉，得到第二干涉条纹，第二CCD传感器17采集第二干涉条纹传输给计算机21，计算机21根据第二干涉条纹的光强分布计算波像差参数。
其中，还包括：光轴一致性调节判断单元，包括：第二分光镜16、第四平面反射镜18、第二成像屏19和第三CCD传感器20，第二分光镜16设置在缩束系统目镜15和第二CCD传感器17之间，第二分光镜16反射的光束经第四平面反射镜18反射后成像于第二成像屏19，由第三CCD传感器20采集光斑传输给计算机21进行光轴调节判断，保证测量装置光轴一致性。
其中，所述光纤激光器1的出射端位于准直物镜2的焦点位置。
其中，所述光纤激光器1的出射端设置光阑，通过光阑调节出射光束口径。
其中，所述被测激光材料4布置于三维调节架上，通过三维调节架调节被测激光材料4的光轴与光束的光轴保持一致。
其中，所述主尺光栅7和基尺光栅8相互平行。
其中，所述光栅对13为两块栅线方向相互垂直的光栅对。
其中，所述计算机21基于测量公式1，确定主尺光栅7和基尺光栅8的光栅夹角、光栅间距后，分别采集标准准直光源和加入被测激光材料4后的干涉条纹，计算出两组干涉条纹的夹角，即可测量出被测系统的等效焦距参数；
其中，d为光栅间距；θ为光栅夹角；为放入被测激光材料4前后干涉条纹夹角。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，基于双光栅剪切干涉技术，具有光轴辅助调节功能，系统结构简单、操作方便、测量精度高，可实现等效焦距和等效波像差的同步测量。
附图说明
图1是本发明结构一体化的激光材料热效应测量装置的结构示意图。
图2是本发明生成的干涉条纹1示意图。
图3是本发明生成的干涉条纹2示意图。
图1中：1光纤激光器，2准直物镜，3第一平面反射镜，4被测系统，5第二平面反射镜，6第一分光镜，7主尺光栅，8基尺光栅，9第一成像屏，10第一CCD传感器，11第三平面反射镜，12缩束系统物镜，13光栅对，14选级滤波器，15缩束系统目镜，16第二分光镜，17第二CCD传感器，18第四平面反射镜，19第二成像屏，20第三CCD传感器，21计算机。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参阅图1，本实施例激光材料热效应测量装置包括光纤激光器1、准直物镜2、第一平面反射镜3、第二平面反射镜5、第一分光镜6、主尺光栅7、基尺光栅8、第一成像屏9、第一CCD传感器10、第三平面反射镜11、缩束系统物镜12、光栅对13、选级滤波器14、缩束系统目镜15、第二分光镜16、第二CCD传感器17、第四平面反射镜18、第二成像屏19、第三CCD传感器20和计算机21。
由光纤激光器1出射标准球面波经准直物镜2后产生标准平面波前，其中光纤激光器1的出射端位于准直物镜2的焦点位置，通过光阑可调节出射光束口径。
被测激光材料4放置于第一平面反射镜3和第二平面反射镜5之间，被测激光材料4布置于三维调节架上，通过三维调节架调节被测激光材料4的光轴与光束的光轴保持一致。
标准平面波前经过被测激光材料4后携带被测激光材料4的热效应信息，由第一分光镜6分为两束，一束实现热效应焦距参数测量，另一束实现波像差参数测量。
热效应焦距参数测量光束依次经过主尺光栅7和基尺光栅8，主尺光栅7和基尺光栅8相互平行，栅线方向存在一个小角度，光栅衍射的各级次波面在第一成像屏9上形成干涉条纹，第一CCD传感器10采集干涉条纹1传输给计算机21，干涉条纹1如图2所示。计算机采集的干涉条纹按式(1)即可得到被测系统等效热焦距。
其中，d为光栅间距；θ为光栅夹角；为放入被测元件前后干涉条纹夹角。基于测量公式(1)，确定两个光栅栅线夹角、间距等系统参数后，分别采集标准准直光源和加入被测激光材料4后的干涉条纹，计算出两组干涉条纹的夹角，即可测量出被测系统的等效焦距参数。
波像差参数测量光束由第三平面反射镜11反射后经缩束系统物镜12进行汇聚，缩束系统倍率控制被测系统口径与CCD传感器的口径关系，由两块栅线方向相互垂直的光栅对13将光束分成波前相位相同、传播方向不同的多个光束，选级滤波器14选择光束中的属于光栅对衍射±1级的四个波前，经缩束系统目镜15和第二分光镜16后在CCD靶面上进行干涉，得到干涉条纹2，由第二CCD传感器17采集干涉条纹2传输给计算机21，干涉条纹2如图3所示。
由第二分光镜16反射的光束经第四平面反射镜18反射后成像于第二成像屏19，由第三CCD传感器20采集光斑传输给计算机21进行光轴调节判断，保证系统光轴一致性。光轴判断依据为光栅衍射产生的四个光斑的位置，理想状态下，四个光斑对称分布分列于光斑水平和垂直方向。当系统光轴存在偏差时四个光斑的对称性和完整性将发生变化，据此可对放入被测激光材料前后的光轴是否一致进行判断。
计算机采集的干涉条纹2的光强分布与波像差参数的关系如式(2)。
其中I1、I2分别为坐标系中x和y轴方向相互错位的两波前相互干涉的干涉条纹光强分布，a0为装置光源光强分布，c0为光栅1级衍射效率，W为被测波前相位分布，s1、s2分别为装置在x和y轴方向的剪切量，λ为测量装置光源波长，(x,y)为波前任一点的坐标。
由其光强分布得被测波前的相位分布：
其中IM(I1(x,y))、RE(I1(x,y))分别表示I1(x,y)经过傅里叶反变换后图像的虚部和实部，IM(I2(x,y))、RE(I2(x,y))分别表示I2(x,y)经过傅里叶反变换后图像的虚部和实部。W1(x,y)、W2(x,y)分别为波前在x、y方向上的波前相位差分布，以坐标中心为基准，以其差值重新拟合即可得到被测波前相位差分布W(x,y)。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
1、本装置采用多面反射镜调节光路，将系统光源、焦距测量、波像差测量集成于一体，实现了激光材料热效应等效焦距和等效波像差的同步测量，同时实现了系统结构一体化设计，系统可放置于同一平台，方便移动。
2、本装置设计了由第二分光镜16、第四平面反射镜18、第二成像屏19、第三CCD传感器20组成的系统光轴调节判断系统，通过光栅衍射产生四个光斑的对称性和完整性对放入被测激光材料前后的光轴进行判断，并通过第一平面反射镜、第二平面反射镜调节系统光轴，确保系统光轴一致性，提高了系统测量精度，同时提高了系统操作简便性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，包括：光纤激光器(1)、准直物镜(2)、第一平面反射镜(3)、第二平面反射镜(5)、第一分光镜(6)、热效应焦距参数测量模块和波像差参数测量模块；光纤激光器(1)出射标准球面波，经准直物镜(2)后产生标准平面波前，被测激光材料(4)放置于第一平面反射镜(3)和第二平面反射镜(5)之间，标准平面波前依次经第一平面反射镜(3)和第二平面反射镜(5)反射，方向发生180°改变，标准平面波前经过被测激光材料(4)后携带被测激光材料(4)的热效应信息，由第一分光镜(6)分为两束，一束为热效应焦距参数测量光束，进入热效应焦距参数测量模块，进行热效应焦距参数测量，另一束为波像差参数测量光束，进入波像差参数测量模块，进行波像差参数测量。
2.如权利要求1所述的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，所述热效应焦距参数测量模块包括同轴布置的主尺光栅(7)、基尺光栅(8)、第一成像屏(9)和第一CCD传感器(10)，光栅衍射的各级次波面在第一成像屏(9)上形成第一干涉条纹，第一CCD传感器(10)采集第一干涉条纹传输给计算机(21)，计算机采集第一干涉条纹计算被测激光材料(4)等效热焦距。
3.如权利要求2所述的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，所述波像差参数测量模块包括：第三平面反射镜(11)和同轴布置的缩束系统物镜(12)、光栅对(13)、选级滤波器(14)、缩束系统目镜(15)、第二CCD传感器(17)；波像差参数测量光束由第三平面反射镜(11)反射后经缩束系统物镜(12)进行汇聚，光栅对(13)将光束分成波前相位相同、传播方向不同的多个光束，选级滤波器(14)选择光束中的属于光栅对衍射±1级的四个波前，经缩束系统目镜(15)后在CCD靶面上进行干涉，得到第二干涉条纹，第二CCD传感器(17)采集第二干涉条纹传输给计算机(21)，计算机(21)根据第二干涉条纹的光强分布计算波像差参数。
4.如权利要求3所述的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，还包括：光轴一致性调节判断单元，包括：第二分光镜(16)、第四平面反射镜(18)、第二成像屏(19)和第三CCD传感器(20)，第二分光镜(16)设置在缩束系统目镜(15)和第二CCD传感器(17)之间，第二分光镜(16)反射的光束经第四平面反射镜(18)反射后成像于第二成像屏(19)，由第三CCD传感器(20)采集光斑传输给计算机(21)进行光轴调节判断，保证测量装置光轴一致性。
5.如权利要求1所述的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，所述光纤激光器(1)的出射端位于准直物镜(2)的焦点位置。
6.如权利要求1所述的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，所述光纤激光器(1)的出射端设置光阑，通过光阑调节出射光束口径。
7.如权利要求1所述的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，所述被测激光材料(4)布置于三维调节架上，通过三维调节架调节被测激光材料(4)的光轴与光束的光轴保持一致。
8.如权利要求2所述的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，所述主尺光栅(7)和基尺光栅(8)相互平行。
9.如权利要求3所述的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，所述光栅对(13)为两块栅线方向相互垂直的光栅对。
10.如权利要求2所述的基于双光栅剪切干涉的一体化激光材料热效应测量装置，其特征在于，所述计算机(21)基于测量公式(1)，确定主尺光栅(7)和基尺光栅(8)的光栅夹角、光栅间距后，分别采集标准准直光源和加入被测激光材料(4)后的干涉条纹，计算出两组干涉条纹的夹角，即可测量出被测系统的等效焦距参数；
其中，d为光栅间距；θ为光栅夹角；为放入被测激光材料(4)前后干涉条纹夹角。
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