CN110044475B - 一种纹影法焦斑动态范围的标定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焦斑动态范围标定领域，涉及一种纹影法焦斑动态范围的标定装置及方法，能够完成高功率激光远场焦斑的动态范围标定。标定装置包括激光光源及沿激光光源出射光路依次设置的准直物镜与一维正弦相位光栅；准直物镜将激光光源输出的激光扩束为直径为
Figure ZY_1
的光斑；一维正弦相位光栅对直径为
Figure ZY_2
的光斑进行调制后产生一系列不同衍射级次的光斑；在一系列不同衍射级次的光斑中，至少能够找到一个衍射级次的光斑，其峰值能量与0衍射级次光斑峰值能量的比值小于等于1:104。将一系列不同衍射级次的光斑注入到“纹影法”远场焦斑诊断系统，在诊断系统内通过分光模块分别进入到“旁瓣”测量光路和“主瓣”测量光路，进行诊断系统的动态范围标定。

Description

一种纹影法焦斑动态范围的标定装置及方法
技术领域
本发明属于焦斑动态范围标定领域，涉及一种“纹影法”远场焦斑动态范围的标定装置及方法，能够完成高功率激光远场焦斑的动态范围标定。
背景技术
高功率激光远场焦斑分布一直是ICF实验最为关注的激光参数指标、也是驱动器的关键性能指标，是各国激光聚变装置专门建立庞大的精密诊断系统的核心指标。
高功率激光远场焦斑动态范围非常高，动态范围高达104以上，此时通过单块CCD不能够直接获得此动态范围的焦斑，因此出现了多种远场焦斑的高动态范围测量方法，比如：列阵相机法、纹影法等。
列阵相机法只出现在远场焦斑高动态范围测量的初期，由于测量方法引入了过多的额外像差，导致测得的焦斑产生畸变，使得焦斑形貌失真严重，因此后续就被“纹影法”所取代。
“纹影法”是国内目前测量远场焦斑高动态范围的主要方法，其原理是将入射激光分为两路进行焦斑测量，一路测量焦斑的中心“主瓣”部分，另外一路挡住焦斑中心“主瓣”部分而去测量焦斑的外围“旁瓣”部分，最后将获得的“主瓣”和“旁瓣”图像进行重构，从而得到完整的远场焦斑图像。
“纹影法”虽然获得了重构的焦斑图像，但是这种双光路分光焦斑诊断系统的焦斑动态范围测量能力是未知的，使得其测量数据的可信度不高。
发明内容
本发明提供了一种“纹影法”焦斑动态范围的标定装置及方法，可以完成104及以上的焦斑动态范围标定。
本发明的技术解决方案是提供一种“纹影法”焦斑动态范围的标定装置，其特殊之处在于：包括激光光源及沿激光光源出射光路依次设置的准直物镜与一维正弦相位光栅；
所述准直物镜将激光光源输出的激光扩束为直径为
Figure GDA0002091705520000011
的光斑；所述一维正弦相位光栅对直径为/>
Figure GDA0002091705520000021
的光斑进行调制后产生一系列不同衍射级次的光斑；在一系列不同衍射级次的光斑中，至少能够找到一个衍射级次的光斑，其峰值能量与0衍射级次光斑峰值能量的比值小于等于1:104。将一系列不同衍射级次的光斑注入到“纹影法”远场焦斑诊断系统，在诊断系统内通过分光模块分别进入到“旁瓣”测量光路和“主瓣”测量光路，进行诊断系统的动态范围标定。
进一步地，上述激光光源为光纤激光器或者能够耦合到准直物镜焦点的自由输出激光器。
进一步地，激光光源出射与被标定系统波长相同的平面波。
本发明还提供一种利用上述的标定装置对“纹影法”焦斑动态范围的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用已标定线性动态范围的科学级CCD对标定装置中一维正弦相位光栅不同衍射级次的光斑峰值能量进行定标，得到各衍射级次光斑峰值能量之间的相对比例关系；
S2、将标定装置耦合到“纹影法”焦斑诊断光路中，将0级到±n级衍射光斑作为“主瓣”光斑，通过“主瓣”测量光路完成“主瓣”光斑测量，其中0级与±n级衍射光斑能量倍率≥100倍；
S3、将±n级到±m级衍射光斑作为“旁瓣”光斑，利用纹影板挡住0级和±n-1级衍射光斑，通过“旁瓣”测量光路完成“旁瓣”光斑测量，其中±n级与±m级衍射光斑能量倍率≥100倍；其中m、n均为正整数，m≥n；
S4、将步骤S2与S3测得的“主瓣”光斑与“旁瓣”光斑进行能量归一化后得到重构图像；在重构的图像中通过比对0级和衰减后m级衍射光斑峰值能量值，得到“纹影法”焦斑诊断系统的焦斑动态范围测量能力。
进一步地，所述步骤S1具体为：
S11、搭建定标系统：所述定标系统包括依次设置在一维正弦相位光栅出射光路中的远场会聚镜组及CCD；
S12、调节激光源输出强度为D1，通过CCD记录0级衍射光斑图像以及0级衍射光斑峰值强度，记为P；
S13、增强激光源输出强度至D2，通过CCD记录±m级衍射光斑图像以及±m级衍射光斑峰值强度，记为V；
S14、将0级衍射光斑图像去掉本底噪声，强度放大D2/D1倍后，与±m级衍射光斑图像去掉本底噪声后，拼接成一幅完整的图像，在拼接后的完整图像中计算0级衍射光斑峰值灰度与±m级衍射光斑峰值灰度之比。
进一步地，n＝2，m＝3。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用标定装置对“纹影法”诊断系统进行标定，给出准确可信的焦斑动态范围数据，为大型高功率激光装置的远场焦斑评定提供可信的凭证。
2、本发明利用已标定线性动态范围的科学级CCD对标定装置中一维正弦相位光栅不同衍射级次的光斑峰值能量进行定标，确保标定装置自身动态范围的前提下对“纹影法”诊断系统进行标定，进一步提高诊断系统获取焦斑动态范围数据的准确可信度。
附图说明
图1为本发明标定装置及标定光路示意图；
图2为本发明衍射光斑强度分布示意图；
图3为本发明利用科学级CCD对一维正弦相位光栅不同衍射级次光斑能量进行定标的光路原理图；
图4为本发明焦斑重构原理图；
图中附图标记为：1-标定装置，11-激光光源，12-准直物镜，13-一维正弦相位光栅；
2-待标定系统，21-第一分光镜，22-第二分光镜，23-第一远场会聚镜组，24-远场放大镜组，25-衰减片；
3-定标系统，31-第二远场会聚镜组，32-CCD。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
高功率激光远场焦斑的动态范围要求大于104:1，目前国内主要采用的是双光路分光的“纹影法”测量远场焦斑高动态范围。“纹影法”虽然获得了重构的焦斑图像，但是这种双光路分光焦斑诊断系统的焦斑动态范围测量能力是未知的，需要进行标定，标定后即可获得该诊断系统的焦斑动态范围测量能力。本发明提供了一种“纹影法”焦斑动态范围的标定装置及方法，可以完成104及以上的焦斑动态范围标定。
标定原理为：
1)建立动态范围≥104:1的标定装置(标准源)，并对标定装置进行标定，以确保标定装置的动态范围≥104:1；
2)将标定装置作为标定“纹影法”诊断系统的光源，入射进入诊断系统，分别进入“主瓣”测量光路、“旁瓣”测量光路，并同时获得“主瓣”光斑、“旁瓣”光斑；
3)将诊断系统中得到的标定装置的“主瓣”光斑、“旁瓣”光斑进行重构得到标定装置的衍射级次焦斑图像，看此时的0级衍射斑和±4级衍射斑的动态范围是否≥104:1。
具体测量原理详细论述如下：
本发明提出了一种基于正弦相位光栅调制的焦斑动态范围标定方法。入射的平面波被一维正弦相位光栅调制后，经过远场会聚镜组聚焦，在其焦点处产生一系列能量及分布不同衍射级次的光斑，且衍射斑峰值能量随衍射级次变大而降低。在一系列不同衍射级次的光斑中，能够找到特定的衍射级次光斑，其峰值能量与0级衍射光斑峰值能量比值小于1:104，故可采用此方法标定“纹影法”的焦斑测量动态范围。
标定光路如图1所示，标定装置1由激光光源11、准直物镜12和一维正弦相位光栅13几部分组成；本实施例中激光光源11为光纤激光器或者能够耦合到准直物镜焦点的自由输出激光器。待标定系统2为“纹影法”远场焦斑诊断系统。准直物镜12将激光光源11输出的激光扩束为直径为
Figure GDA0002091705520000041
的光斑，其经过一维正弦相位光栅13调制后，注入到“纹影法”远场焦斑诊断系统，在诊断系统内通过第一分光镜21与第二分光镜22，不同衍射级次的光斑分别进入到“旁瓣”测量光路和“主瓣”测量光路，进行诊断系统的动态范围标定。
一维正弦相位光栅13口径为
Figure GDA0002091705520000042
相位分布周期为d，诊断系统中的第一远场会聚镜组23焦距为f，焦点处衍射光斑强度分布示意图如图2所示。假设±3级衍射光斑峰值能量≤1，±2级衍射光斑峰值能量大约为100(或为其它合适的数值)，±1级衍射光斑峰值能量大约为1700(或为其它合适的数值)，0级衍射光斑峰值能量为10000；0级衍射光斑与±3级衍射光斑峰值能量之比≥104:1。
本实施例通过如下过程实现标定：
1、标定装置的动态范围标定；
先利用已标定线性动态范围的科学级CCD32对一维正弦相位光栅13不同衍射级次光斑能量进行定标，得到各衍射级次光斑峰值能量之间的相对比例关系(以确保0级衍射和±3级衍射峰值能量之比≥104:1)，标定光路原理如3所示。
标定过程如下：
1.1、搭建如图3所示的标定光路；
1.2、调节激光光源输出强度，输出强度记为D1，通过CCD记录0级衍射光斑图像以及0级衍射光斑峰值强度，记为P；
1.3、增强激光光源输出强度，输出强度记为D2，通过CCD记录±m级衍射光斑图像以及±m级衍射光斑峰值强度(此时需要挡住零级和±1级衍射光斑以免强光损坏CCD)，记为V；
1.4、将零级衍射光斑图像去掉本底噪声，强度放大D2/D1倍后，与±m级衍射光斑图像去掉本底噪声后，拼接成一幅完整的图像。在拼接后的完整图像中计算0级衍射光斑峰值灰度与±m级衍射光斑峰值灰度之比，即为标定光路自身能够达到的动态范围，本实施例中m＝3。
2、用标定装置标定“纹影测量法”焦斑诊断系统；
如图1所示，标定装置的激光入射进入焦斑诊断系统后，对诊断系统的动态测量范围进行标定。
诊断系统的标定步骤如下：
1)将标定装置耦合到焦斑诊断光路中，通过“主瓣”测量光路完成0级到±2级衍射光斑测量(0级与±2级衍射光斑能量倍率≥100倍)；主瓣光斑不一定是0级到±2级衍射光斑，按照光斑峰值能量从大到小排序，选取排序靠前的光斑即可。
2)“旁瓣”测量光路利用纹影板挡住0级和±1级衍射光斑，完成±2级和±3级衍射光斑测量(±2级与±3级衍射光斑能量倍率≥100倍)；同理，旁瓣光斑不一定为±2级和±3级衍射光斑，按照光斑峰值能量从大到小排序，选取排序靠后的光斑即可。需要注意的是，主瓣光斑与旁瓣光斑的选取必须连续选取，且二者之间需要有一个重叠光斑。
3)将测得的“主瓣”光斑与“旁瓣”光斑进行能量归一化后得到重构图像，如图4所示。
在重构的图像中通过比对0级和衰减后3级衍射斑能量极值，得到“纹影法”焦斑诊断系统动态测量范围是否满足104:1的要求。
本发明通过对“纹影法”诊断系统激光远场焦斑动态范围的标定，可以给出焦斑动态范围准确、可信的数据，为大型高功率激光装置的远场焦斑评定提供可信的凭证。

Claims (5)

1.一种对“纹影法”焦斑动态范围的标定方法，利用“纹影法”焦斑动态范围的标定装置，所述标定装置包括激光光源(11)及沿激光光源(11)出射光路依次设置的准直物镜(12)与一维正弦相位光栅(13)；所述准直物镜(12)将激光光源(11)输出的激光扩束为直径为φ的光斑；所述一维正弦相位光栅(13)对直径为φ的光斑进行调制后产生一系列不同衍射级次的光斑；在一系列不同衍射级次的光斑中，至少能够找到一个衍射级次的光斑，其峰值能量与0衍射级次光斑峰值能量的比值小于等于1:104；
其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用已标定线性动态范围的科学级CCD对标定装置中一维正弦相位光栅不同衍射级次的光斑峰值能量进行定标，得到各衍射级次光斑峰值能量之间的相对比例关系；
S2、将标定装置耦合到“纹影法”焦斑诊断光路中，将0级到±n级衍射光斑作为“主瓣”光斑，通过“主瓣”测量光路完成“主瓣”光斑测量，其中0级与±n级衍射光斑峰值能量倍率≥100倍；
S3、将±n级到±m级衍射光斑作为“旁瓣”光斑，利用纹影板挡住0级和±n-1级衍射光斑，通过“旁瓣”测量光路完成“旁瓣”光斑测量，其中±n级与±m级衍射光斑峰值能量倍率≥100倍；其中m、n均为正整数，m≥n；
S4、将步骤S2与S3测得的“主瓣”光斑与“旁瓣”光斑进行能量归一化后得到重构图像；在重构的图像中通过比对0级和衰减后m级衍射光斑峰值能量值，得到“纹影法”焦斑诊断系统的焦斑动态范围测量能力。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于：
所述步骤S1具体为：
S11、搭建定标系统：所述定标系统包括依次设置在一维正弦相位光栅出射光路中的远场会聚镜组及CCD；
S12、调节激光光源输出强度为D1，通过CCD记录0级衍射光斑图像以及0级衍射光斑峰值强度，记为P；
S13、增强激光光源输出强度至D2，通过CCD记录±m级衍射光斑图像以及±m级衍射光斑峰值强度，记为V；
S14、将0级衍射光斑图像去掉本底噪声，强度放大D2/D1倍后，与±m级衍射光斑图像去掉本底噪声后，拼接成一幅完整的图像，在拼接后的完整图像中计算0级衍射光斑峰值灰度与±m级衍射光斑峰值灰度之比。
3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于：n＝2，m＝3。
4.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于：所述激光光源(11)为光纤激光器或者能够耦合到准直物镜焦点的自由输出激光器。
5.根据权利要求4所述的标定方法，其特征在于：所述激光光源(11)出射的平面波与被标定系统波长相同。
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