CN111256848A - 中口径双光栅式波像差测量激光光学系统 - Google Patents

中口径双光栅式波像差测量激光光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，包括两个双胶合透镜、一个衍射光栅对和一个选级滤波器。激光束首先通过一个双胶合透镜汇聚传输，在光束聚焦前一定距离处经两个栅线方向相互垂直的衍射光栅对发生多级衍射，再通过聚焦处的选级滤波器选取衍射的±1级，滤除衍射零级和无用衍射级，最后经由另一个双胶合透镜准直出射，出射光束相互干涉即可进行入射光束波像差参数的测量。本发明不仅可实现对633nm波长口径不大于75mm的激光束进行8.5倍的缩束变换，而且可将激光束采用双光栅实现波前分束，进而得到四个与原激光束波前分布相同并相互错位的激光束，它们相互干涉即可进行入射激光束波像差的测量。

Description

中口径双光栅式波像差测量激光光学系统
技术领域
本发明属于光学设计技术领域，涉及一种中口径双光栅式波像差测量激光光学系统。
背景技术
双光栅剪切干涉技术可实现激光束波像差的高精度测量，其测量原理是：采用两个栅线方向相互垂直的光栅作为分光元件，由于光栅的衍射效应，入射激光的像差波前将被分为存在横向错位的四个波前，四个波前相互干涉形成干涉条纹，通过其条纹光强分布即可得到激光束的波像差参数。
对于中等口径大小的激光光束采用双光栅剪切干涉技术进行波像差的测量时，光束不仅需要通过双光栅发生多级衍射，而且为了使出射光束能够直接被探测端CCD全部接收，光束还需要进行束宽变换。但目前现有的激光缩束系统只能实现激光缩束的单一功能，并不能将双光栅直接插入其中，因为此时系统往往会产生不可忽略且难以校正的像差，影响最终的应用效果，而是需要综合优化光学设计参数，进行整体化的设计。
本发明是针对中口径双光栅式波像差测量的特殊需求设计的一种新型的激光光学系统。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是为了实现对中口径激光束进行基于双光栅剪切干涉技术的波像差测量，提供一种既能满足激光束束宽要求，又能同时实现激光束波前分束的激光光学系统。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其包括由前至后同轴布置的第一双胶合透镜1、衍射光栅对2、选级滤波器3和第二双胶合透镜4；激光束首先通过第一双胶合透镜1汇聚传输，在光束聚焦前经两个栅线方向相互垂直的衍射光栅对2发生多级衍射，再通过聚焦处的选级滤波器3选取衍射光栅对衍射的±1级，滤除衍射零级和无用衍射级，最后经由第二双胶合透镜4准直出射。
其中，所述第一双胶合透镜1由一块玻璃材料为H-K9L的单凸透镜和一块玻璃材料为H-ZF1的单凹透镜通过GGJ-2光敏胶胶合而成。
其中，所述第一双胶合透镜1的单凸透镜直径为80mm，有效口径76mm，曲率半径分别为340.4mm和-226.654mm，中心厚度为12mm。
其中，所述第一双胶合透镜1的单凹透镜直径为80mm，有效口径76mm，曲率半径分别为-226.654mm和-720.81mm，中心厚度为8mm。
其中，所述衍射光栅对2包括两块栅线方向相互垂直的光栅，均由牌号为HPFS7980UV的光学熔石英玻璃刻蚀而成，两块光栅均为直径80mm，有效口径75mm，中心厚度10mm，光栅频率5lp/mm，占空比0.5。
其中，所述选级滤波器3材料为铝板，直径为5mm，厚度2mm，面上分布有4个直径0.55mm、厚度1mm的通孔，小孔为对称分布，位置分别为(-0.55mm，0)、(0，0.55mm)、(0.55mm，0)、(-0.55mm，0)。
其中，所述第二双胶合透镜4由一块玻璃材料为H-ZF1的单凹透镜和一块玻璃材料为H-K9L的单凸透镜通过GGJ-2光敏胶胶合而成。
其中，所述第二双胶合透镜4的单凹透镜直径为20mm，有效口径18mm，曲率半径分别为58mm和22.7mm，中心厚度为4mm。
其中，所述第二双胶合透镜4的单凸透镜直径为20mm，有效口径18mm，曲率半径分别为22.7mm和-49.09mm，中心厚度为6mm。
其中，所述第二双胶合透镜4的第一双胶合透镜1与衍射光栅对2的中心距离为353mm，衍射光栅对2与选级滤波器3的中心距离为169.52mm，选级滤波器3与第二双胶合透镜4的中心距离为59.78mm，第二双胶合透镜4可前后移动，行程为±3mm，用以调节两个双胶合透镜间的中心距离，补偿加工误差。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，在传统开普勒式缩束系统的基础上进行了创新性设计：在由两个双胶合透镜构成的开普勒式缩束系统中加入了栅线方向相互垂直的衍射光栅对，以实现光学系统内部的波前分束；在光斑最小的光束聚焦处放置选级滤波器，选取双光栅衍射的±1级光束，滤除衍射零级和无用衍射级。通过优化透镜的玻璃材料、曲率半径和中心厚度等设计参数，可以实现对口径75mm、波长633nm激光束的光束变换，出射光束波前畸变RMS值小于1/30个波长。根据理论模拟结果和实际使用效果，表明该系统可以同时实现激光束束宽变换和波前分束的功能，为中口径双光栅式波像差测量提供了一种切实可用的光学系统。本发明通过束宽变换系统和双光栅衍射分束系统的整体化设计，实现了激光束的高质量束宽变换和波前分束功能，非常适用于中口径双光栅式波像差的测量。
附图说明
图1是本发明中口径双光栅式波像差测量激光光学系统组成示意图。
图2是本发明中口径双光栅式波像差测量激光光学系统中选级滤波器的尺寸参数。
图3是本发明中口径双光栅式波像差测量激光光学系统衍射级为(1，0)或(0，1)的出射波前畸变。
图4是本发明中口径双光栅式波像差测量激光光学系统衍射级为(-1，0)或(0，-1)的出射波前畸变。
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。
参照图1和图2，本发明中口径双光栅式波像差测量激光光学系统包括第一双胶合透镜1、衍射光栅对2、选级滤波器3和第二双胶合透镜4。激光束首先通过第一双胶合透镜1汇聚传输，在光束聚焦前一定距离处经两个栅线方向相互垂直的衍射光栅对2发生多级衍射，再通过聚焦处的选级滤波器3选取衍射光栅对衍射的±1级，滤除衍射零级和无用衍射级，最后经由第二双胶合透镜4准直出射，此时光束既实现了束宽变换，同时也完成了波前分束，出射光束相互干涉即可进行入射光束波像差参数的测量。
第一双胶合透镜1位于系统的入口位置，由一块玻璃材料为H-K9L的单凸透镜和一块玻璃材料为H-ZF1的单凹透镜通过GGJ-2光敏胶胶合而成，单凸透镜直径为80mm，有效口径76mm，曲率半径分别为340.4mm和-226.654mm，中心厚度为12mm；单凹透镜直径为80mm，有效口径76mm，曲率半径分别为-226.654mm和-720.81mm，中心厚度为8mm。
衍射光栅对2是两块栅线方向相互垂直的光栅，均由牌号为HPFS 7980UV的光学熔石英玻璃刻蚀而成，两块光栅均为直径80mm，有效口径75mm，中心厚度10mm，光栅频率5lp/mm，占空比0.5。
选级滤波器3材料为铝板，直径为5mm，厚度2mm，面上分布有4个直径0.55mm，厚度1mm的通孔，小孔为对称分布，位置分别为(-0.55mm，0)、(0，0.55mm)、(0.55mm，0)、(-0.55mm，0)。
第二双胶合透镜4位于系统的出口位置，由一块玻璃材料为H-ZF1的单凹透镜和一块玻璃材料为H-K9L的单凸透镜通过GGJ-2光敏胶胶合而成，单凹透镜直径为20mm，有效口径18mm，曲率半径分别为58mm和22.7mm，中心厚度为4mm；单凸透镜直径为20mm，有效口径18mm，曲率半径分别为22.7mm和-49.09mm，中心厚度为6mm。
第一双胶合透镜1与衍射光栅对2的中心距离为353mm，衍射光栅对2与选级滤波器3的中心距离为169.52mm，选级滤波器3与第二双胶合透镜4的中心距离为59.78mm，第二双胶合透镜4可前后移动，行程为±3mm，用以调节两个双胶合透镜间的中心距离，补偿加工误差。
本发明中口径双光栅式波像差测量激光光学系统设计时，在光学设计软件中分别输入两个双胶合透镜和两个光栅的设计参数，主要包括玻璃材料、曲率半径、中心厚度和光栅频率等，用光线追迹理论模拟激光束的传输，设置光栅的衍射级次，模拟光束通过选级滤波器不同位置的出射光束，调节两个双胶合透镜间的距离，补偿加工误差，即可得到设计的波像差测量光学系统。
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)

1.一种中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，包括由前至后同轴布置的第一双胶合透镜(1)、衍射光栅对(2)、选级滤波器(3)和第二双胶合透镜(4)；激光束首先通过第一双胶合透镜(1)汇聚传输，在光束聚焦前经两个栅线方向相互垂直的衍射光栅对(2)发生多级衍射，再通过聚焦处的选级滤波器(3)选取衍射光栅对衍射的±1级，滤除衍射零级和无用衍射级，最后经由第二双胶合透镜(4)准直出射。
2.如权利要求1所述的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，所述第一双胶合透镜(1)由一块玻璃材料为H-K9L的单凸透镜和一块玻璃材料为H-ZF1的单凹透镜通过GGJ-2光敏胶胶合而成。
3.如权利要求2所述的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，所述第一双胶合透镜(1)的单凸透镜直径为80mm，有效口径76mm，曲率半径分别为340.4mm和-226.654mm，中心厚度为12mm。
4.如权利要求3所述的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，所述第一双胶合透镜(1)的单凹透镜直径为80mm，有效口径76mm，曲率半径分别为-226.654mm和-720.81mm，中心厚度为8mm。
5.如权利要求4所述的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，所述衍射光栅对(2)包括两块栅线方向相互垂直的光栅，均由牌号为HPFS 7980UV的光学熔石英玻璃刻蚀而成，两块光栅均为直径80mm，有效口径75mm，中心厚度10mm，光栅频率5lp/mm，占空比0.5。
6.如权利要求5所述的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，所述选级滤波器(3)材料为铝板，直径为5mm，厚度2mm，面上分布有4个直径0.55mm、厚度1mm的通孔，小孔为对称分布，位置分别为(-0.55mm，0)、(0，0.55mm)、(0.55mm，0)、(-0.55mm，0)。
7.如权利要求6所述的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，所述第二双胶合透镜(4)由一块玻璃材料为H-ZF1的单凹透镜和一块玻璃材料为H-K9L的单凸透镜通过GGJ-2光敏胶胶合而成。
8.如权利要求7所述的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，所述第二双胶合透镜(4)的单凹透镜直径为20mm，有效口径18mm，曲率半径分别为58mm和22.7mm，中心厚度为4mm。
9.如权利要求8所述的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，所述第二双胶合透镜(4)的单凸透镜直径为20mm，有效口径18mm，曲率半径分别为22.7mm和-49.09mm，中心厚度为6mm。
10.如权利要求9所述的中口径双光栅式波像差测量激光光学系统，其特征在于，所述第二双胶合透镜(4)的第一双胶合透镜(1)与衍射光栅对(2)的中心距离为353mm，衍射光栅对(2)与选级滤波器(3)的中心距离为169.52mm，选级滤波器(3)与第二双胶合透镜(4)的中心距离为59.78mm，第二双胶合透镜(4)可前后移动，行程为±3mm，用以调节两个双胶合透镜间的中心距离，补偿加工误差。
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