CN110307807B - 基于doe的入射光束角度标定装置及方法 - Google Patents

基于doe的入射光束角度标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于DOE的入射光束角度标定装置及方法，装置包括激光光源模块、DOE及其夹持台、聚焦透镜、图像探测器以及数据处理设备。所述的激光光源模块的激光输出单元输出准直光束，包括基准光束和待测光束；所述的图像探测器与数据处理设备相连；本发明通过监测基准光束和待测光束通过DOE后的中央衍射光束在图像探测器上的偏差，以此标定待测光束是否以预期角度入射DOE，用于解决现存基于DOE的应用系统无法判定入射光束实际入射角度的问题，进一步提升应用系统的精度。

Description

基于DOE的入射光束角度标定装置及方法
技术领域
本发明涉及光学技术与精密测量领域，特别是基于DOE的入射光束角度标定装置及方法。
背景技术
DOE是一种衍射效率接近100％的分束元件，能将一束光以特定衍射角等振幅地分成N束衍射光，已经被广泛运用在光纤光栅的刻蚀、表面检测、三维扫描和三维成像等领域。根据光路可逆原理，DOE被用作一种合束效率极高的合束元件，广泛应用在相干合束领域。在相干合束中，入射光束必须以特定角度共孔径入射DOE以满足光路可逆条件，否则会破坏合束系统的共孔径条件，导致合束效率下降，合成光束的光束质量退化。因此研发一种入射光束角度的标定装置及标定方法成为目前研究热点，对相干合束功率的进一步提升具有重大意义。
发明内容
为填补上述问题存在的技术空白，本发明提出一种基于DOE的入射光束角度标定装置及方法，该装置及方法用于解决DOE应用系统中，光束入射角度不准确的问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于DOE的入射光束角度标定装置，其特点在于，包括激光光源模块、DOE及其夹持台、聚焦透镜、图像探测器以及数据处理设备；
所述的激光光源模块的激光输出单元输出准直光束，包括基准光束和待测光束；所述的聚焦透镜放置在DOE后方小于一倍焦距位置，所述的图像探测器放置在聚焦透镜后焦面附近位置，且基准光束、DOE、聚焦透镜和图像探测器共光轴。
所述的DOE将一束准直光束以特定角度衍射成N束光。
所述的聚焦透镜尺寸与所述的中央衍射光束最大位移相匹配。
所述的基准光束和待测光束共孔径入射DOE。
所述的数据处理设备能显示和记录光斑位置。
所述的待测光束以特定角度θk入射到DOE，由于DOE的周期投影效应和零级衍射光束的折射，待测光束与基准光束的中央衍射光束之间存在偏差Δsum：
Figure BDA0002088174400000021
其中t、Λ、n1分别为DOE的厚度、栅线周期和基底材料折射率，n0为真空中折射率，f为聚焦透镜的焦距，D为图像探测器与聚焦透镜之间的距离，l为DOE与聚焦透镜之间的距离，l'为准直光束的像距，λ为激光光源模块光源波长。
所述的基于DOE的入射光束角度标定装置进行入射光束角度标定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1)以激光光源模块一个平行光轴输出的激光输出单元的输出光束作为基准光束，调整基准光束与DOE、聚焦透镜、图像探测器共光轴，调整图像探测器使基准光束的中央衍射光束的光斑显示在图像探测器视野中央，在数据处理设备上记录基准光束中央衍射光束光斑的位置；
步骤2)以激光光源模块另一个激光输出单元的输出光束作为待测光束，调整该激光输出单元使待测光束与基准光束共孔径并以待标定角度θk入射DOE；
步骤3)关闭基准光束激光输出单元，在数据处理设备上记录待测光束中央衍射光束光斑的位置，计算待测光束中央衍射光束光斑相对于基准光束的位置偏差；
步骤4)测量查找上述公式中的各项参数，代入公式计算理论偏差Δsum，比较实际偏差和理论偏差，得出角度标定结论。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1)系统结构简单，易于维护；
2)数据处理简单，角度标定结果清晰易得。
附图说明
图1为本发明基于DOE的入射光束角度标定装置的结构示意图；
图2为DOE投影效应原理图；
图3为DOE零级衍射光束折射原理图；
附图标记：
101激光光源模块；102DOE；103夹持台；104准直光束；105待测光束；106中央衍射光束；107聚焦透镜；108图像采集器；109数据处理设备。
201准直光束；202待测光束；203DOE；204DOE投影；205聚焦透镜；206观察面；207中央衍射光束。
301准直光束；302待测光束；303DOE；304中央衍射光束；305聚焦透镜；306聚焦透镜后焦面；307观察面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，实施例仅用于解释本发明，不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明基于DOE的入射光束角度标定装置实施例的结构示意图，由图可见，本发明基于DOE的入射光束角度标定装置，包括激光光源模块101、DOE102及其夹持台103、聚焦透镜107、图像探测器108，与该图像探测器108相连的数据处理设备109，所述的激光光源模块101包含两个激光输出单元，选取其中一个激光输出单元的输出光束作为基准光束104，所述的数据处理设备109能显示和记录光斑位置，所述的基准光束104、DOE102、聚焦透镜107和图像探测器108共光轴。
在本实施例中，激光光源模块101的激光输出单元发出准直光束，包含基准光束104和待测光束105，准直光束传输DOE102，DOE放置在激光光源模块101后方任意位置，基准光束104和待测光束105共孔径入射到DOE102上，准直光束经过DOE102后被以特定角度衍射成N束光，其中的中央衍射光束106在聚焦透镜107后方汇聚到图像探测器108上，聚焦透镜107放置在DOE102后方小于一倍焦距位置，图像探测器108放置在聚焦透镜107后焦面附近非焦点位置，数据处理设备109与图像探测器108相连，显示和记录光斑位置。
在本实施例中聚焦透镜107的尺寸与中央衍射光束106最大位移相匹配，以满足近轴条件减小像差。
在本实施例中，聚焦透镜107采用短焦距，以实现更小的光斑尺寸和更明显的位置偏差。
在本实施例中，DOE102被放置在夹持台103上，DOE102的姿态在标定过程中保持不变。
在本实施例中，通过计算和比较待测光束105与基准光束104的理论和实际偏差来标定入射角度θk是否准确。
本发明的调整方法为：
1.标定准备过程
以激光光源模块101中任意一个激光输出单元的输出光束作为基准光束104，调整基准光束104与DOE102，聚焦透镜106、图像探测器108共光轴，调整图像探测器106使基准光束104的中央衍射光束106的光斑显示在图像探测器108视野中央，在数据处理设备109读取并记录中央衍射光束106的光斑位置；
2.标定过程
以激光光源模块101中另一个激光输出单元的输出光束作为待测光束105，调整该激光输出单元令待测光束105以角度θk与基准光束104共孔径入射DOE102，此时关闭基准光束104的激光输出单元，在数据处理设备109读取并记录待测光束105中央衍射光束106的光斑位置，计算待测光束105和基准光束104中央衍射光束106在图像探测器108上的实际光斑位置偏差。测量和查找理论偏差公式中涉及的标定装置实际参数，并代入公式计算理论偏差，最后比较实际和理论误差结果，得出入射角度标定结论。
3.标定原理
先请参阅图2，图2为DOE投影效应原理图，待测光束202传输方向与DOE203表面法线夹角为θk，因此DOE203被投影到垂直待测光束202传输方向，DOE投影204的栅线周期变小，根据标量衍射理论待测光束202的衍射角将改变，导致待测光束202与基准光束201中央衍射光束207位置产生偏差，偏差被聚焦透镜205缩放到观察面206上，观察面上的偏差为Δ'：
Figure BDA0002088174400000061
其中Λ为DOE203的栅线周期，D为观察面206与聚焦透镜205之间的距离，l为DOE203与聚焦透镜206之间的距离，l'为准直光束的像距，λ为准直光束波长。
请参阅图3，图3为DOE零级衍射光束折射原理图，待测光束302传输方向与DOE303表面法线夹角为θk，并且DOE303存在一定厚度，可视为平行平板，待测光束302的衍射零级光束在平行平板中发生折射过程，在出射DOE303时存在偏移，导致所有衍射光束整体偏移，其中的中央衍射光束304的偏差经过聚焦透镜305后被缩放到观察面上307，观察面上的偏差为Δh：
Figure BDA0002088174400000062
其中t、n1分别为DOE303的厚度和基底材料折射率，n0为真空中折射率，f为聚焦透镜305的焦距，D为观察面307与聚焦透镜305之间的距离。
因此待测光束105和基准光束104的中央衍射光束106在图像探测器108上的理论偏差为两部分偏差的和Δsum：
Figure BDA0002088174400000063
以上所述只是本发明较佳的实施例，实施例的描述详实具体，只用来说明本发明的技术方案而不是相关限制，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可对这些已描述的实施例做出若干修改变形与改进，这些都属于本发明技术方案的精神和范围，因此本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于DOE的入射光束角度标定装置，包括激光光源模块(101)、DOE(102)及其夹持台(103)、聚焦透镜(107)、图像探测器(108)和数据处理设备(109)；所述的激光光源模块(101)的激光输出单元输出准直光束，包括基准光束(104)和待测光束(105)；所述的聚焦透镜(107)放置在所述的DOE(102)后方小于一倍焦距位置，所述的图像探测器(108)放置在聚焦透镜(107)后焦面附近位置，且基准光束(104)、DOE(102)、聚焦透镜(107)和图像探测器(108)共光轴；其特征在于，所述的待测光束(105)以特定角度θk入射到DOE(102)，由于DOE(102)的周期投影效应和零级衍射光束的折射，待测光束(104)与基准光束(105)的中央衍射光束(106)之间存在偏差Δsum：
Figure FDA0002730679570000011
其中,t、Λ、n1分别为DOE(102)的厚度、栅线周期和基底材料折射率，n0为真空中折射率，f为聚焦透镜(107)的焦距，D为图像探测器(108)与聚焦透镜(107)之间的距离，l为DOE(102)与聚焦透镜(107)之间的距离，l'为准直光束的像距，λ为激光光源模块(101)光源波长。
2.根据权利要求1所述的基于DOE的入射光束角度标定装置，其特征在于，所述的聚焦透镜(107)的尺寸与中央衍射光束(106)最大位移相匹配。
3.根据权利要求1所述的基于DOE的入射光束角度标定装置，其特征在于，基准光束(104)和待测光束(105)共孔径入射DOE(102)。
4.根据权利要求1所述的基于DOE的入射光束角度标定装置，其特征在于，所述的数据处理设备(109)能显示和记录光斑位置。
5.利用权利要求1-4任一所述的基于DOE的入射光束角度标定装置进行入射光束角度标定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)以激光光源模块(101)的一个平行光轴输出的激光输出单元的输出光束作为基准光束(104)，调整基准光束(104)与DOE(102)、聚焦透镜(107)、图像探测器(108)共光轴，调整图像探测器(108)使基准光束(104)的中央衍射光束(106)的光斑显示在图像探测器(108)视野的中央，在数据处理设备(109)上记录基准光束(104)的中央衍射光束(106)光斑的位置；
2)以激光光源模块(101)另一个激光输出单元的输出光束作为待测光束(105)，调整该激光输出单元使待测光束(105)与基准光束(104)共孔径并以待标定角度θk入射所述的DOE(102)；
3)关闭基准光束(104)激光输出单元，在数据处理设备(109)上记录待测光束(105)中央衍射光束(106)光斑的位置，计算待测光束(105)的中央衍射光束相对于基准光束(104)的位置的实际偏差；
4)测量查找所述的DOE(102)的厚度t、栅线周期Λ和基底材料折射率n1，真空中折射率n0，聚焦透镜(107)的焦距f，图像探测器(108)与聚焦透镜(107)之间的距离D，DOE(102)与聚焦透镜(107)之间的距离l，准直光束的像距l'，激光光源模块(101)光源波长λ，所述的待测光束(105)入射到DOE(102)的入射角θk，代入下列公式计算待测光束(104)与基准光束(105)的中央衍射光束(106)之间的理论偏差Δsum：
Figure FDA0002730679570000031
比较实际偏差和理论偏差，得出角度标定结论。
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