CN110736556A - 多波长光场能量测量方法 - Google Patents

Abstract

一种多波长光场能量的测量方法。该方法主要测量一束包含N种波长的脉冲光，结合相干调制成像的方法，同时测量包含的各个波长的能量。或者测量一束包含N种波长的连续光，同时测量包含的各个波长的功率。光束衰减至合适的能量范围，使其最后到达CCD探测器时在其动态范围内，然后经过已知分布的波前调制器，最后由CCD探测器记录衍射光斑，输入计算机处理光斑数据。本发明通过记录一幅衍射光斑，利用迭代算法恢复出原N种波长的振幅分布，并根据振幅和各波长能量的关系，计算得出各个波长的能量。对于连续光，同样经过上述过程，记录光斑数据并处理，根据曝光时间，计算各波长的功率。

Description

多波长光场能量测量方法

技术领域

本发明涉及多波长光场能量，特别是一种多波长光场能量测量方法。

背景技术

对于测量单个脉冲激光的能量，主要的方法是使用能量卡计，其工作原理是将光脉冲的能量转换成热量，然后通过热量带来的温度变化从而实现对脉冲光能量的测量。当光脉冲能量很低时，温度变化很小，故受环境变化的影响也更大，若要采用这种方法实现光脉冲能量的准确测量难度很大。为解决该问题，可以采用半导体光电探测器测量激光脉冲能量，该方法具有探测灵敏度高和不受环境影响等优点。目前，激光脉冲能量测量的方法已经很成熟，但都是针对单色脉冲光的能量测量，或者单个脉冲的总的能量进行测量。当需要测量一束包含多种波长的激光脉冲中各波长的能量时，目前只能先进行分光，对分光装置精确标定后，再利用已有的能量测量方法进行分次测量，过程繁琐，装置体积较大，测量不方便。

发明内容

本发明提供一种多波长光场能量的测量方法，通过记录一幅衍射光斑，重建得到各个波长的光的振幅，根据恢复出的各波长振幅和能量的关系，计算得出各波长的能量和功率。本发明具有结构简单、多波长复合光场各个波长的光场能量同时测量的特点。

本发明的技术解决方案

一种多波长光场能量的测量方法，其特征在于，测量光路依次包括：衰减比例已知衰减模块(1)、波前调制器(2)、CCD探测器(3)，所述的CCD探测器(3)的输出端与计算机(4)的输入端相连，所述的波前调制器(2)与CCD探测器(3)之间的距离为L，所述的衰减模块(1)的出射光处距离所述的波前调制器(2)为Lf，不同波长的光束的波长分别为λ₁，λ₂，λ₃，...,λ_N,N>1；所述的波前调制器(2)对于不同波长的分布已知，表示为d_s，s＝1,2,…,N，其中小标s表示波前调制器(2)对不同波长的分布，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)调整衰减模块(1)并记录衰减比例α_s，使得CCD探测器记录的衍射光斑强度在其动态范围内，同时保证曝光时间大于脉冲宽度，利用触发信号触发得到单幅衍射光斑I，完成数据记录。对于连续光，记录设定的曝光时间即可，得到单幅衍射光斑I，完成数据记录。

2)利用计算机进行迭代运算，首先对波前调制器所在平面S1上的不同波长的入射光进行初始猜测，对应的波前分布为D_illu_0,s(s＝1,2,…,N)，第k次迭代过程为：

①分别计算第s个待测波前经过波前调制器后的出射光，得到D_k,s＝D_illu_k,s×d_s，其中k表示迭代次数，s＝1,2,…,N；

②分别计算D_k,s传播到CCD面S3的散斑分布

其中

表示正向衍射光程，同时计算误差

其中p、q表示矩阵行列数；

③利用记录的光斑I，按照如下公式，针对于每个波长λ_s对diff_k,s进行修正振幅，并保持相位不变，得到更新后的光场分布

④将更新后的不同波长的光的波前逆传播回波前调制面，其中波长λ_s对应的逆传播回的波前调制面照明光分布为：

其中

表示逆向传播；

⑤按照如下公式计算得到不同波长的光对应的修正后的波前调制器入射波前分布：其中，conj()表示取共轭；

⑥将更新后的D_illu′_k,s传播到中间面S2，S2为实际焦平面或者虚拟焦平面得到按照如下公式，加入中间面S3的空间有限限制Fxy_k,s，得到修正后的focus′_k,s＝focus_k,s×Fxy_k,s，Fxy_k,s是随着迭代次数直径不断变大的孔函数，当直径增大到最大值的时候就不再增大；

⑦将focus′_k,s再次逆向传播回平面S1，得到再次更正后的波前调制器照明光

并作为第k+1次迭代过程的初始猜测。

⑧重复步骤①-⑦，直到error_k足够小，结束迭代过程，得到N个入射波前的最终复振幅分布D_illu_s；

3)分别对D_illu_s光强按像素求和得到

在按下列公式计算得到N个波长的能量其中β_s为该CCD对波长λ_s的响应系数，完成能量测量；

对于连续光，计算出能量后，根据曝光时间，得到各自的平均功率Power_s＝E_s/t_exposure，其中t_exposure为CCD记录的曝光时间。

本发明的技术效果及优势：

本发明方法主要测量一束包含N种波长的脉冲光，结合相干调制成像的方法，同时测量包含的各个波长的能量。或者测量一束包含N种波长的连续光，同时测量包含的各个波长的功率。

光束衰减至合适的能量范围，使其最后到达CCD探测器时在其动态范围内，然后经过已知分布的波前调制器，最后由CCD探测器记录衍射光斑，输入计算机处理光斑数据。本发明通过记录一幅衍射光斑，利用迭代算法恢复出原N种波长的振幅分布，并根据振幅和各波长能量的关系，计算得出各个波长的能量。对于连续光，同样经过上述过程，记录光斑数据并处理，根据曝光时间，计算各波长的功率。本发明通过记录一幅衍射光斑，重建出各个波长的光场的振幅分布，根据实验得出的关系计算得到N个波长的光场的能量和功率。

本发明具有结构简单、操作方便、测量便捷的特点。

附图说明

图1为本发明测量多波长复合光场各波长能量的光路示意图

图2为多波长复合光场实验测量方法的迭代平面示意图

图中：(1)分衰减模块、(2)波前调制器、(3)CCD探测器、(4)计算机

图3为本发明利用衍射传输理论通过计算机迭代运算的流程图

具体实施方式

实施例1-对脉冲光测量

参见图1，本发明同时测量复合光场中各个波长能量的测量光路包括：分衰减模块(衰减比例已知)1、波前调制器2、CCD探测器3。所述波前调制器2距离CCD探测器3为L，衰减模块的出射光处距离波前调制器2为Lf。由倍频和三倍频出来的包含三种波长的光束(波长分别为基频λ₃＝1053nm，倍频λ₂＝526.5nm，三倍频λ₁＝351nm)入射到衰减比例已知的衰减模块1，由波前调制器2调制后，最后由CCD探测器3探测，并由计算机4完成数据记录和处理。

本实施例只需要进行单次测量，通过迭代计算，可以测量复合光场中每个波长各自的能量；

用于脉冲光束测量：

所述的波前调制器2对于波长λ₁＝351nm,λ₂＝526.5nm,λ₃＝1053nm的分布已知，表示为d_s(s＝1,2,3)，其中小标s表示调制器对不同波长的分布。

本实施例的测量方法包括以下步骤：

1)调整衰减模块(1)并记录衰减比例α_s，使得CCD探测器3记录的衍射光斑强度在其动态范围内，同时保证曝光时间大于脉冲宽度，利用触发信号触发得到单幅衍射光斑I，完成数据记录。

2)利用计算机进行迭代运算，参见图2、图3，首先对波前调制器2所在平面S1上的不同波长的入射光进行初始猜测，对应的波前分布为D_illu_0,s(s＝1,2,3)，第k次迭代过程为：

①分别计算第s个待测波前经过波前调制器2后的出射光，得到

D_k,s＝D_illu_k,s×d_s，其中k表示迭代次数，s＝1,2,3；

②分别计算D_k,s传播到CCD面S3的散斑分布其中

表示正向衍射光程，同时计算误差

其中p、q表示矩阵行列数；

③利用记录的光斑I，按照如下公式，针对于每个波长λ_s对diff_k,s进行修正振幅，并保持相位不变，得到更新后的光场分布

④将更新后的不同波长的光的波前逆传播回波前调制面，其中波长λ_s对应的逆传播回的波前调制面照明光分布为：

其中

表示逆向传播；

⑤按照如下公式计算得到不同波长的光对应的修正后的波前调制器2入射波前分布：

其中，conj()表示取共轭；

⑥将更新后的D_illu′_k,s传播到中间面S2，S2为实际焦平面或者虚拟焦平面，得到

按照如下公式处理，加入中间面S3的空间有限限制Fxy_k,s，得到修正后的focus′_k,s＝focus_k,s×Fxy_k,s，Fxy_k,s是随着迭代次数直径不断变大的孔函数，当直径增大到最大值的时候就不再增大；

⑦将focus′_k,s再次逆向传播回平面S1，得到再次更正后的波前调制器2照明光

并作为第k+1次迭代过程的初始猜测；

⑧重复步骤①-⑦，直到error_k足够小，结束迭代过程，得到λ₁＝351nm,λ₂＝526.5nm,λ₃＝1053nm的入射波前的最终复振幅分布D_illu_s。

3)分别对D_illu_s光强按像素求和得到

计算得到三个波长的能量

其中β_s为该CCD对波长λ_s的响应系数，完成能量测量。

实施例2-对脉冲光测量：

一种同时测量复合光场中各个波长能量的测量光路包括：分衰减模块(衰减比例已知)1、波前调制器2、CCD探测器3。所述波前调制器2距离CCD探测器3为L，衰减模块的出射光处距离波前调制器2为Lf。包含三种波长的脉冲光束(波长分别为λ₁＝473nm,λ₂＝351nm,λ₃＝351nm，其中λ₂和λ₃分别为两台激光器发出的波长相同，但是完全非相干的两束激光)同时入射到衰减比例已知的衰减模块1，由波前调制器2调制后，最后由CCD探测器3探测，并由计算机4完成数据记录和处理。

本实施例的测量方法，只需要进行单次测量，通过迭代计算，可以测量复合光场中每个波长各自的能量，使用于脉冲光束测量。所述的波前调制器2对于波长λ₁＝473nm,λ₂＝351nm,λ₃＝351nm的分布已知，表示为d_s(s＝1,2,3)，其中小标s表示调制器对不同波长的分布。

该方法包括以下步骤：

1)调整衰减模块1并记录衰减比例α_s，使得CCD探测器3记录的衍射光斑强度在其动态范围内，同时保证曝光时间大于脉冲宽度，利用触发信号触发得到单幅衍射光斑I，完成数据记录。

2)利用计算机进行迭代运算，首先对波前调制器2所在平面S1上的不同波长的入射光进行初始猜测，对应的波前分布为D_illu_0,s(s＝1,2,3)，第k次迭代过程为：

①分别计算第s个待测波前经过波前调制器2后的出射光，得到D_k,s＝D_illu_k,s×d_s(s＝1,2,3)，其中k表示迭代次数；

②分别计算D_k,s传播到CCD面S3的散斑分布

其中

表示正向衍射光程，同时计算误差

其中p、q表示矩阵行列数；

③利用记录的光斑I，按照如下公式，针对于每个波长λ_s对diff_k,s进行修正振幅，并保持相位不变，得到更新后的光场分布

④将更新后的不同波长的光的波前逆传播回波前调制面，其中波长λ_s对应的逆传播回的波前调制面照明光分布为：

其中

表示逆向传播；

⑤按照如下公式得到不同波长的光对应的修正后的波前调制器(2)入射波前分布

其中conj()表示取共轭；

⑥将更新后的D_illu′_k,s传播到中间面S2，S2为实际焦平面或者虚拟焦平面，得到按照如下公式，加入中间面S3的空间有限限制Fxy_k,s，得到修正后的focus′_k,s＝focus_k,s×Fxy_k,s，Fxy_k,s是随着迭代次数直径不断变大的孔函数，当直径增大到最大值的时候就不再增大；

⑦将focus′_k,s再次逆向传播回平面S1，得到再次更正后的波前调制器2照明光

并作为第k+1次迭代过程的初始猜测；

⑧重复步骤①-⑦，直到error_k足够小，结束迭代过程，得到λ₁＝473nm,λ₂＝351nm,λ₃＝351nm的入射波前的最终复振幅分布D_illu_s；

3)分别对D_illu_s光强按像素求和得到

计算得到三个波长的能量其中β_s为该CCD对波长λ_s的响应系数，完成能量测量。

实施例3-本实施例为对连续光测量：

本实施例同时测量复合光场中各个波长能量的测量光路包括：分衰减模块(衰减比例已知)1、波前调制器2、CCD探测器3。所述波前调制器2距离CCD探测器3为L，衰减模块的出射光处距离波前调制器2为Lf。包含三种不同波长的连续光(波长分别为λ₁＝473nm,λ₂＝532nm,λ₃＝633nm)同时入射到衰减比例已知的衰减模块1，由波前调制器2调制后，最后由CCD探测器3探测，其中CCD探测器的曝光时间为t_exposure，并由计算机4完成数据记录和处理。

本实施例只需要进行单次测量，通过迭代计算，可以测量复合光场中每个波长各自的功率，使用于连续光束测量。所述的波前调制器2对于波长λ₁＝473nm,λ₂＝532nm,λ₃＝633nm的分布已知，表示为d_s(s＝1,2,3)，其中小标s表示调制器对不同波长的分布。

本实施例的测量方法，包括以下步骤：

1)调整衰减模块1并记录衰减比例α_s，使得CCD探测器3记录的衍射光斑强度在其动态范围内，设定好曝光时间，记录单幅衍射光斑I，完成数据记录；

2)利用计算机进行迭代运算，首先对波前调制器2所在平面S1上的不同波长的入射光进行初始猜测，对应的波前分布为D_illu_0,s(s＝1,2,3)，第k次迭代过程为：

①分别计算第s个待测波前经过波前调制器2后的出射光，得到D_k,s＝D_illu_k,s×d_s(s＝1,2,3)，其中k表示迭代次数；

②分别计算D_k,s传播到CCD面S3的散斑分布

其中

表示正向衍射光程，同时计算误差

其中p、q表示矩阵行列数；

③利用记录的光斑I，按照如下公式，针对于每个波长λ_s对diff_k,s进行修正振幅，并保持相位不变，得到更新后的光场分布

④将更新后的不同波长的光的波前逆传播回波前调制面，其中波长λ_s对应的逆传播回的波前调制面照明光分布为：

其中

表示逆向传播；

⑤按照如下公式得到不同波长的光对应的修正后的波前调制器2入射波前分布

其中，conj()表示取共轭；

⑥将更新后的D_illu′_k,s传播到中间面S2，S2为实际焦平面或者虚拟焦平面，得到

按照如下公式，加入中间面S3的空间有限限制Fxy_k,s，得到修正后的focus′_k,s＝focus_k,s×Fxy_k,s，Fxy_k,s是随着迭代次数直径不断变大的孔函数，当直径增大到最大值的时候就不再增大；

⑦将focus′_k,s再次逆向传播回平面S1，得到再次更正后的波前调制器2照明光

并作为第k+1次迭代过程的初始猜测；

⑧重复步骤①-⑦，直到error_k足够小，结束迭代过程，得到λ₁＝473nm,λ₂＝532nm,λ₃＝632nm的入射波前的最终复振幅分布D_illu_s；

3)、分别对D_illu_s光强按像素求和得到计算得到三个波长的能量

其中β_s为该CCD对波长λ_s的响应系数，完成能量测量。根据曝光时间，得到各自平均功率Power_s＝E_s/t_exposure，其中t_exposure为CCD记录的曝光时间。

Claims (1)

1.一种多波长光场能量的测量方法，其特征在于，测量光路依次包括：衰减比例已知衰减模块(1)、波前调制器(2)、CCD探测器(3)，所述的CCD探测器(3)的输出端与计算机(4)的输入端相连，所述的波前调制器(2)与CCD探测器(3)之间的距离为L，所述的衰减模块(1)的出射光处距离所述的波前调制器(2)为Lf，不同波长的光束的波长分别为λ₁，λ₂，λ₃，...,λ_N,N>1；所述的波前调制器(2)对于不同波长的分布已知，表示为d_s，s＝1,2,…,N，其中小标s表示波前调制器(2)对不同波长的分布，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)调整衰减模块(1)并记录衰减比例α_s，使得CCD探测器(3)记录的衍射光斑强度在其动态范围内，同时保证曝光时间大于脉冲宽度，利用触发信号触发得到单幅衍射光斑I，完成数据记录；对于连续光，同时记录设定的曝光时间，得到单幅衍射光斑I，完成数据记录；输入所述的计算机；

2)利用计算机进行迭代运算，首先对波前调制器(2)所在平面S1上的不同波长的入射光进行初始猜测，对应的波前分布为D_illu_0,s其中s＝1,2,…,N；进行第k次迭代过程如下：

①分别计算第s个待测波前经过波前调制器(2)后的出射光，得到D_k,s＝D_illu_k,s×d_s，其中k表示迭代次数，s＝1,2,…,N；

②分别计算D_k,s传播到CCD面S3的散斑分布

其中

表示正向衍射光程，同时计算误差

其中p、q表示矩阵行列数；

③利用记录的光斑I，按照如下公式，针对于每个波长λ_s对diff_k,s进行修正振幅，并保持相位不变，得到更新后的光场分布

④将更新后的不同波长的光的波前逆传播回波前调制面，其中波长λ_s对应的逆传播回的波前调制面照明光分布为：

其中

表示逆向传播；

⑤按照如下公式计算得到不同波长的光对应的修正后的波前调制器(2)入射波前分布：

其中，conj()表示取共轭；

⑥将更新后的D_illu′_k,s传播到中间面S2，S2为实际焦平面或者虚拟焦平面得到

按照如下公式，加入中间面S3的空间有限限制Fxy_k,s，得到修正后的focus′_k,s＝focus_k,s×Fxy_k,s，Fxy_k,s是随着迭代次数直径不断变大的孔函数，当直径增大到最大值的时候就不再增大；

⑦将focus′_k,s再次逆向传播回平面S1，得到再次更正后的波前调制器(2)照明光

并作为第k+1次迭代过程的初始猜测。

⑧重复步骤①-⑦，直到error_k足够小，结束迭代过程，得到N个入射波前的最终复振幅分布D_illu_s；

3)分别对D_illu_s光强按像素求和得到

再按公式计算得到N个波长的能量

其中β_s为所述的CCD探测器(3)对波长λ_s的响应系数，完成能量测量；

对于连续光，计算出能量后，根据曝光时间，按下列公式计算得到各自的平均功率Power_s＝E_s/t_exposure，其中，t_exposure为CCD记录的曝光时间。

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