CN114858291A - 一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法及装置，属于测量设备技术领域，采用激光光源照射位于激光链路焦平面处的毛玻璃和小孔光阑，以形成点衍射光源，所述小孔光阑为孔径为一倍衍射极限的圆孔；在激光链路的各个焦平面处依次形成点衍射光源，测量各焦平面至激光链路输出端之间的波前；取两个相邻的焦平面对应的波前的差值，得到相邻两个焦平面间激光链路分段波前，本发明无需增加标准光源，即可实现全激光链路分段波前标定，结构简单，操作高效便捷，易于集成使用，解决了多程放大激光链路分段波前探测效率低下的难题。
Description
技术领域
本发明属于波前探测技术领域，具体地说涉及一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法及装置。
背景技术
光束波前是描述光场特性的重要参量，也是一类重要的信息载体。通过波前测量技术获取光束波前，不仅可以评估光场的物理特性，如传输能力、聚焦能力等，还可以获得诸多物理信息，如大气湍流分布、光学元件面形、光学系统像差、生物组织位相特征以及流场分布特性等。目前，波前探测技术被广泛应用于自适应光学、天文观测、光学元件加工、激光系统光束质量评估、生物医学成像、激光通信等领域，另外，在某些前沿领域，如量子相干性检测、精密微观操控、材料检测、光与物质相互作用过程等，波前探测技术也发挥了重要作用。
波前探测技术的研究历史悠久。1675年牛顿首次发现牛顿环，牛顿环装置是最早的干涉仪，也是人类第一次将波前信息以光强分布的形式展示出来。二十世纪，随着激光器的问世，波前探测技术得到了飞速发展，各类波前探测方法也应运而生。根据测量原理的不同，波前探测技术主要有：干涉类波前探测技术、哈特曼-夏克波前探测技术、曲率波前传感技术、模式波前传感技术、相位差波前测量技术、棱锥波前传感技术、基于衍射传输的波前迭代重构技术等。干涉类波前测量技术的特点在于极高的检测精度，常用于光学元件的面形检测及高精度光束波前的检测等；哈特曼-夏克波前测量技术通过微透镜阵列对光束进行分割，测试各子光束斜率重构波前，其结构简单、皮实性好，在激光技术、天文探测领域获得了广泛的应用；曲率波前传感技术可以有效检测低阶波前分布，常用于采用压电片变形镜的自适应光学系统，提升系统控制带宽；模式波前传感技术直接根据光强的分布计算各阶像差模式的系数，可提高波前检测速度；相位差波前测量技术分析焦点和离焦位置的光强分布反演波前，但由于算法复杂的问题，测试的实时性有待提高；棱锥波前传感技术利用棱镜对焦平面的光束进行分光测量，响应速度快，检测精度高，已经在天文观测领域取得重要应用；基于衍射传输的波前迭代重构技术是通过测试衍射光强的分布，使用G-S等迭代类算法恢复波前，虽测试系统简单，但波前反演速度慢且收敛性无法保证。
为了获得更大的输出能量，固体激光器通常采用主振荡器-功率放大或多程放大技术，使用由一对透镜构成的空间滤波器（4f系统）进行各放大级间的隔离。为了保证激光器的光束质量，需要对系统两个相邻焦平面的光路分段进行波前探测和控制。目前采用的方法是在激光链路的焦平面上设置光纤光源，在激光链路输出端利用哈特曼-夏克波前传感器进行波前探测，得到光纤光源所处焦平面至波前传感器之间的激光链路波前，然后，依次在各个焦平面上插入光纤光源，相邻焦平面至波前传感器的波前相减即为两个相邻焦平面之间的分段波前，这种方法需要在各个焦平面处依次插入光纤光源，费时费力，效率低。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法及装置。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，包括：
采用激光光源照射位于激光链路焦平面处的毛玻璃和小孔光阑，以形成点衍射光源，所述小孔光阑为孔径为一倍衍射极限的圆孔；
在激光链路的各个焦平面处依次形成点衍射光源，测量各焦平面至激光链路输出端之间的波前；
取两个相邻的焦平面对应的波前的差值，得到相邻两个焦平面间激光链路分段波前。
通过采用上述的技术方案，激光光源照射毛玻璃产生激光散斑，降低前级激光链路的波前相干性，激光散斑照射孔径为一倍衍射极限的小孔光阑形成理想点光源，无需增加标准光源如光纤光源，即可实现各焦平面至激光链路输出端之间的波前标定，从而实现全激光链路分段波前标定，减少了误差来源。
进一步，所述激光链路焦平面的确定方法为：
点亮激光光源，利用红外感光卡观测激光光斑大小，光斑直径最小值所在位置为焦平面，对焦平面空间位置进行标定。
进一步，在激光链路输出端测量波前的方法为：
激光光源的输出光束经准直形成平行光，平行光进入并沿着激光链路传输至激光链路输出端，激光链路输出端设置波前传感器，激光链路输出端的光束经缩束成像于波前传感器，进行波前测量。
进一步，所述激光光源的输出光束中心高度由几何标尺标定，调节前级反射镜保证所述激光光源的输出光束中心高度与激光链路的光轴重合。
进一步，所述毛玻璃紧贴小孔光阑设置，且所述小孔光阑的中心高度与激光链路的光轴重合。
进一步，所述小孔光阑的中心高度与激光链路的光轴重合的方法为：
调节所述小孔光阑的高度，直至经所述小孔光阑的透射光最强。
进一步，沿着自激光链路输出端至激光光源的方向，所述毛玻璃和小孔光阑依次置于各个焦平面处。
进一步，在激光链路的焦平面Pn处放置毛玻璃和小孔光阑，激光链路其余焦平面保持不变，测量得到焦平面Pn至激光链路输出端之间的波前为φn(x, y)；
沿着自激光链路输出端至激光光源的方向，将毛玻璃和小孔光阑从焦平面Pn移至与焦平面Pn相邻的焦平面Pn-1处，激光链路其余焦平面保持不变，测量得到焦平面Pn-1至激光链路输出端之间的波前为φn-1(x, y)；
将φn-1(x, y)减去φn(x, y)得到激光链路焦平面Pn-1至焦平面Pn之间的分段波前Δφn(x, y)。
另，本发明还提供一种基于点衍射的激光链路分段波前探测装置，包括波前传感器、毛玻璃和小孔光阑，所述波前传感器位于激光链路的输出端，所述毛玻璃和小孔光阑位于激光链路的焦平面处。
进一步，所述小孔光阑为孔径为一倍衍射极限的圆孔，位于激光链路输入端的激光光源照射毛玻璃和小孔光阑形成点衍射光源。
本发明的有益效果是：
1、激光光源照射毛玻璃产生激光散斑，激光散斑照射孔径为一倍衍射极限的小孔光阑形成理想点光源，具有光源均匀性好、光强稳定的特点。
2、无需增加标准光源，如光纤光源，即可实现各焦平面至激光链路输出端之间的波前标定，从而实现全激光链路分段波前标定。
3、利用毛玻璃降低前级激光链路的波前相干性，减少了误差来源，提高测量精度。
4、结构简单，操作高效便捷，易于集成使用，解决了多程放大激光链路分段波前探测效率低下的难题。
5、激光链路的输出端放置波前传感器，可直接采集全激光链路的静态波前畸变。
附图说明
图1是基于点衍射的激光链路分段波前探测方法的流程框图；
图2为基于点衍射的激光链路分段波前探测装置的结构示意图；
图3（a）是焦平面P6至波前传感器的波前示意图；
图3（b）是焦平面P5至波前传感器的波前示意图；
图3（c）是焦平面P5至焦平面P6之间的分段光路波前示意图；
图4（a）是基于传统光纤光源测量的焦平面P6至波前传感器3之间的波前示意图；
图4（b）是基于传统光纤光源测量的焦平面P5至波前传感器3之间的波前示意图；
图4（c）是基于传统光纤光源得到的焦平面P5至焦平面P6之间的分段光路波前示意图；
其中，图3（a）、图3（b）、图3（c）、图4（a）、图4（b）、图4（c）中横坐标表示光斑沿着X轴方向的尺寸，纵坐标表示光斑沿着Y轴方向的尺寸，横坐标与纵坐标的单位均为mm。
附图中：1-激光光源、2-成像缩束系统、3-波前传感器。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
现有技术中基于光纤光源探测激光链路波前方法的主旨是利用光纤光源输出的理想点光源特性，实验中还可以利用低于光学系统衍射直径的圆孔产生理想点光源，但是，存在光能量耦合效率低、工程应用困难等难题。为提高圆孔的耦合效率，可以扩大圆孔的孔径，但是间接引入前级光学系统的低频像差，影响探测精度。综上，基于传统点衍射进行波前探测的方法尚难以直接进行工程应用，只能采用光纤光源进行波前探测。
如图1所示，一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，具体如下：
采用激光光源照射位于激光链路焦平面处的毛玻璃和小孔光阑，以形成点衍射光源，所述小孔光阑为孔径为一倍衍射极限的圆孔；
在激光链路的各个焦平面处依次形成点衍射光源，测量各焦平面至激光链路输出端之间的波前；
取两个相邻的焦平面对应的波前的差值，得到相邻两个焦平面间激光链路分段波前。
激光光源照射毛玻璃产生激光散斑，降低前级激光链路的波前相干性，激光散斑照射孔径为一倍衍射极限的小孔光阑形成理想点光源，无需增加标准光源如光纤光源，即可实现各焦平面至激光链路输出端之间的波前标定，从而实现全激光链路分段波前标定，减少了误差来源。
优选的，所述激光链路焦平面的确定方法为：
点亮激光光源，利用红外感光卡观测激光光斑大小，光斑直径最小值所在位置为焦平面，对焦平面空间位置进行标定。
优选的，在激光链路输出端测量波前的方法为：
激光光源的输出光束经准直形成平行光，平行光进入并沿着激光链路传输至激光链路输出端，激光链路输出端设置波前传感器，激光链路输出端的光束经缩束成像于波前传感器，进行波前测量。
优选的，所述激光光源的输出光束中心高度由几何标尺标定，调节前级反射镜保证所述激光光源的输出光束中心高度与激光链路的光轴重合。
优选的，所述毛玻璃紧贴小孔光阑设置，且所述小孔光阑的中心高度与激光链路的光轴重合。
优选的，所述小孔光阑的中心高度与激光链路的光轴重合的方法为：
调节所述小孔光阑的高度，直至经所述小孔光阑的透射光最强。
优选的，沿着自激光链路输出端至激光光源的方向，所述毛玻璃和小孔光阑依次置于各个焦平面处。
具体的，在激光链路的焦平面Pn处放置毛玻璃和小孔光阑，激光链路其余焦平面保持不变，测量得到焦平面Pn至激光链路输出端之间的波前为φn(x, y)；
沿着自激光链路输出端至激光光源的方向，将毛玻璃和小孔光阑从焦平面Pn移至与焦平面Pn相邻的焦平面Pn-1处，激光链路其余焦平面保持不变，测量得到焦平面Pn-1至激光链路输出端之间的波前为φn-1(x, y)；
将φn-1(x, y)减去φn(x, y)得到激光链路焦平面Pn-1至焦平面Pn之间的分段波前Δφn(x, y)。
如图2所示，一种基于点衍射的激光链路分段波前探测装置，包括波前传感器、毛玻璃和小孔光阑，所述波前传感器位于激光链路的输出端，所述毛玻璃和小孔光阑位于激光链路的焦平面处，所述小孔光阑为孔径为一倍衍射极限的圆孔，位于激光链路输入端的激光光源照射毛玻璃和小孔光阑形成点衍射光源。
具体实施例：
如图2所示，激光链路包含11件透镜以及6个焦平面，所述11件透镜分别为L0透镜、L1透镜、L2透镜、L3透镜、L4透镜、L5透镜、L6透镜、L7透镜、L8透镜、L9透镜、L10透镜、L11透镜，所述6个焦平面分别为P1焦平面、P2焦平面、P3焦平面、P4焦平面、P5焦平面、P6焦平面。全激光链路需要测量5段光路波前，分别是L1透镜至L2透镜之间的分段波前Δφ1，L3透镜至L4透镜之间的分段波前Δφ2，L5透镜至L6透镜之间的分段波前Δφ3，L7透镜至L8透镜之间的分段波前Δφ4，L9透镜至L10透镜之间的分段波前Δφ5。
激光光源1选用1053nm准连续激光器，输出能量为50mJ，脉冲宽度为500μs，重复频率为1Hz，光束指向稳定性≤1μrad，功率稳定性为1%。准直透镜组L0将激光光源准直成所需口径的平行光进入激光链路，激光链路输出端的激光光束通过成像缩束系统2进入波前传感器3。
毛玻璃紧贴小孔光阑，孔径为200μm±1μm（孔径选择为
，λ为激光光束波长，f为透镜焦距，d为激光光束口径）。波前传感器3测量光束口径（零强度）为5.5mm×5.5mm，响应能量范围20nJ-100nJ。
将毛玻璃和小孔光阑放置于第6个焦平面P6处，其余焦平面保持不变。点亮激光光源1，利用波前传感器3测量第6个焦平面P6至波前传感器3之间的光路波前φ6，如图3（a）所示。
将毛玻璃和小孔光阑放置于第5个焦平面P5处，其余焦平面保持不变。点亮激光光源1，利用波前传感器3测量第5个焦平面P5至波前传感器3之间的光路波前φ5，如图3（b）所示。用波前φ5减去波前φ6即为透镜L9至透镜L10之间的分段波前Δφ5，如图3（c）所示，PV值为0.207λ。
基于传统光纤光源测量的焦平面P6至波前传感器3之间的波前，如图4（a）所示。基于传统光纤光源测量的焦平面P5至波前传感器3之间的波前，如图4（b）所示。基于传统光纤光源得到的焦平面P5至焦平面P6之间的分段光路波前，如图4（c）所示，PV值为0.225λ。通过对比可知，基于本发明的波前探测方法与传统光纤光源测量方法相比，波前PV值误差精度<10%。
将毛玻璃和小孔光阑放置于第4个焦平面P4处，其余焦平面保持不变。点亮激光光源1，利用波前传感器3测量第4个焦平面P4至波前传感器3之间的光路波前φ4，用波前φ4减去波前φ5即为透镜L7至透镜L8之间的分段波前Δφ4。
将毛玻璃和小孔光阑放置于第3个焦平面P3处，其余焦平面保持不变。点亮激光光源1，利用波前传感器3测量第3个焦平面P3至波前传感器3之间的光路波前φ3，用波前φ3减去波前φ4即为透镜L5至透镜L6之间的分段波前Δφ3。
将毛玻璃和小孔光阑放置于第2个焦平面P2处，其余焦平面保持不变。点亮激光光源1，利用波前传感器3测量第2个焦平面P2至波前传感器之间3的光路波前φ2，用波前φ2减去波前φ3即为透镜L3至透镜L4之间的分段波前Δφ2。
将毛玻璃和小孔光阑放置于第1个焦平面P1处，其余焦平面保持不变。点亮激光光源1，利用波前传感器3测量第1个焦平面P1至波前传感器3之间的光路波前φ1，用波前φ1减去波前φ2即为透镜L1至透镜L2之间的分段波前Δφ1。
至此，激光链路全部分段波前Δφ5、Δφ4、Δφ3、Δφ2和Δφ1测量完毕。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，其特征在于，包括：
采用激光光源照射位于激光链路焦平面处的毛玻璃和小孔光阑，以形成点衍射光源，所述小孔光阑为孔径为一倍衍射极限的圆孔；
在激光链路的各个焦平面处依次形成点衍射光源，测量各焦平面至激光链路输出端之间的波前；
取两个相邻的焦平面对应的波前的差值，得到相邻两个焦平面间激光链路分段波前。
2.根据权利要求1所述的一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，其特征在于，所述激光链路焦平面的确定方法为：
点亮激光光源，利用红外感光卡观测激光光斑大小，光斑直径最小值所在位置为焦平面，对焦平面空间位置进行标定。
3.根据权利要求1所述的一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，其特征在于，在激光链路输出端测量波前的方法为：
激光光源的输出光束经准直形成平行光，平行光进入并沿着激光链路传输至激光链路输出端，激光链路输出端设置波前传感器，激光链路输出端的光束经缩束成像于波前传感器，进行波前测量。
4.根据权利要求3所述的一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，其特征在于，所述激光光源的输出光束中心高度与激光链路的光轴重合。
5.根据权利要求1所述的一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，其特征在于，所述毛玻璃紧贴小孔光阑设置，且所述小孔光阑的中心高度与激光链路的光轴重合。
6.根据权利要求5所述的一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，其特征在于，所述小孔光阑的中心高度与激光链路的光轴重合的方法为：
调节所述小孔光阑的高度，直至经所述小孔光阑的透射光最强。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，其特征在于，沿着自激光链路输出端至激光光源的方向，所述毛玻璃和小孔光阑依次置于各个焦平面处。
8.根据权利要求7所述的一种基于点衍射的激光链路分段波前探测方法，其特征在于，在激光链路的焦平面Pn处放置毛玻璃和小孔光阑，激光链路其余焦平面保持不变，测量得到焦平面Pn至激光链路输出端之间的波前为φn(x, y)；
沿着自激光链路输出端至激光光源的方向，将毛玻璃和小孔光阑从焦平面Pn移至与焦平面Pn相邻的焦平面Pn-1处，激光链路其余焦平面保持不变，测量得到焦平面Pn-1至激光链路输出端之间的波前为φn-1(x, y)；
将φn-1(x, y)减去φn(x, y)得到激光链路焦平面Pn-1至焦平面Pn之间的分段波前Δφn(x, y)。
9.一种基于点衍射的激光链路分段波前探测装置，其特征在于，包括波前传感器、毛玻璃和小孔光阑，所述波前传感器位于激光链路的输出端，所述毛玻璃和小孔光阑位于激光链路的焦平面处。
10.根据权利要求9所述的一种基于点衍射的激光链路分段波前探测装置，其特征在于，所述小孔光阑为孔径为一倍衍射极限的圆孔，位于激光链路输入端的激光光源照射毛玻璃和小孔光阑形成点衍射光源。
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