专利名称：大功率激光波前测量仪及波前测量方法
技术领域：
本发明属于激光技术测量领域，具体地说是一种解决多路大功率激光相干合成中单路激光波前分析及任意两路激光的相位差测量的测量系统，该测量系统能够解决功率在万瓦级别的激光波前测量。
背景技术：
提高激光波前性能是提高激光光束质量的重要手段，因此，激光波前特性既是激光器性能的一个技术指标，也是光束质量的一个评价指标。针对大功率激光装置，出射激光的波前畸变以及大气湍流效应会对近场光束质量，聚焦特性以及激光传输能力产生影响。因此，对中高频位相畸变进行抑制和补偿成为保证激光光束质量的关键，而基于自适应光学技术的激光波前畸变补偿手段是以准确探测激光波前特性为前提，因此准确探测激光波前具有十分重要的意义。随着光束波前探测技术的发展，各种波前分析仪应运而生。从测量原理上可以分成两类一类是根据几何光学原理，测定波前几何象差或面形误差，主要有哈特曼一夏克 (Hartmann-Shack)波前分析仪，曲率分析仪和Pyramid波前分析仪；另一类是基于干涉测量原理，探测波前不同部分的干涉性以获取波前信息，主要有剪切干涉仪波前分析仪和相位获取分析仪。而光学与微电子技术相结合发展起来的二元光学技术制作微阵列透镜方法的成熟，CCD传感器与灵巧的微阵列透镜及相应计算机技术结合，使得哈特曼-夏克方法产生了突破，这就为研制大功率激光波前测量系统提供了新思路。传统的剪切干涉仪的优点是可省去标准的参考光学表面，结构简单稳定。其弱点是对测量环境较为敏感，剪切后形成的干涉图形判读比较困难，波前复原繁琐，难以适用于大口径衍射极限波面的高精度检测，一般用来检测光学仪器的相差。曲率波前分析仪结构相对简单，PyramicK四棱锥)波前分析仪作为一种新型的波前检测元件，与其他传统的波前分析仪相比有较高的灵敏度，但是技术发展仍不成熟，还不能满足一般的工程应用。目前，针对上述现有的波前测量系统难以适用于大口径激光波面和不能满足万瓦级别的大功率激光波前测量，需要研制相应的测量仪器来满足这种情况下的波前测量。

发明内容
本发明要解决的技术问题是针对传统的波前分析仪不适用于大口径激光波面和满足万瓦级别的大功率激光波前测量的不足，而提供一种大功率激光波前测量仪及测量方法，解决多路大功率激光相干合成中单路激光波前分析及任意两路激光的相位差测量。本发明解决技术问题的方案是所提供的测量仪由光学系统与测量系统组成。所述的光学系统由机械快门、光束取样反射镜、缩束光学系统、透射式衰减器和反射式衰减器组成，测量系统由哈特曼波前分析仪、相位差探测CCD相机和计算机组成。所述机械快门打开时激光束以10°入射角入射至光束取样反射镜，由光束取样反射镜将激光束反射进入缩束光学系统，缩束光学系统将大口径激光束压缩，出射激光束分别由透射式衰减器进入哈特曼波前分析仪进行测量，由反射式衰减器进入相位差探测CCD相机进行测量，计算机控制哈特曼波前分析仪和相位差探测CCD相机的工作。所述的光束取样反射镜采用表面不镀膜的熔石英玻璃，为光楔形式，尺寸为165 X 160mm2，对角线尺寸为230mm，厚度取35mm。所述的缩束光学系统的结构为透射式的开普勒望远镜系统，在望远镜系统的物镜焦点处设置空间滤波器滤除杂散光，物镜选用熔石英玻璃，由两个面组成，其中第一个面为椭球面，第二个面为平面，望远镜系统的光阑设在椭球面上，望远镜系统的目镜选用普通光学玻璃。所述的透射式衰减器由三片透射式楔镜组成，反射式衰减器由三片反射式楔镜组成，以减小元件对大功率激光的吸收。所述的哈特曼波前分析仪基于哈特曼-夏克波前测量方法，具有测量精度高、空间分辨率高及动态范围大的特点。相位差探测CCD相机获取整幅干涉图， 可以利用数字图像处理技术对干涉图做细致的处理。所述的计算机控制哈特曼波前分析仪和相位差探测CCD相机的工作，实现的功能包括系统控制、图像采集、波前重建及相位差计算。本发明应用大功率激光波前测量仪的测量方法进行波前测量的步骤如下1)测量仪工作时，机械快门只在波前测量时打开，以小于等于1/100秒的速度工作，使测量仪以脉冲方式工作；2)将相干合成的各路激光器分别打开，用哈特曼波前分析仪对各单路激光波前进行测量分析，同时用相位差探测CCD相机记录各单路激光的光强分布；3)将一路激光作为基准，依次打开其它各路激光分别与基准激光干涉；4)用相位差探测CCD相机测出每两路激光相干合成后的光强度，计算得到各路激光相对于基准激光的相位差；同时用哈特曼波前分析仪对两路相干激光合成后的波前进行测量分析。本发明与现有技术对比具有如下效果1)本发明能够实现口径为150 X 150mm2的大口径激光束及功率达万瓦级别的大功率激光波前的测量，并且测量仪操作清晰简单，探测速度快，能够直观显示波前信息参数。2)本发明的波前测量方法能够解决多路大功率激光相干合成中单路激光波前分析和任意两路激光的相位差测量。3)本发明通过选用机械快门、光学取样反射镜与衰减器的合理组成，在能够保证较高的测量精度的同时，解决了大功率激光长时间照射波前测量仪，引起光学元件的热变形及热损伤问题，保证大功率激光功率的有效衰减。4)本发明测量仪为实现向更大功率的扩展与中红外和远红外波长的扩展奠定了 ■石出。


图1本发明测量仪组成示意图；图2本发明测量方法流程图；图3哈特曼-夏克波前分析仪原理图；图4标准平面波入射到单个微透镜的情形；图5畸变波面入射到单个微透镜的情形；图6缩束光学系统原理图7透射式衰减器结构图；图8反射式衰减器结构图；图9目镜结构；图10缩束光学系统物镜的波像差。
具体实施例方式下面将结合附图，详细、完整的描述本发明的测量原理、系统结构与具体工作过程。1、本发明的系统结构与具体工作过程如下参照图1，本发明的测量仪包括机械快门1、光束取样反射镜2、缩束光学系统3、 透射式衰减器4、反射式衰减器6、哈特曼波前分析仪5、相位差探测CCD相机7及计算机8。 机械快门1只在波前测量时打开，使测量仪以脉冲方式工作，避免大功率激光引起测量系统光学元件的热变形，影响测量精度。光束取样反射镜2对大功率激光进行第一次衰减，将激光束反射进入缩束光学系统3，缩束光学系统3将大口径激光束压缩，使得出射光束口径与哈特曼波前分析仪5及相位差探测CCD相机7的口径匹配。从缩束光学系统3出射的激光束很强，需要经衰减器进一步衰减，出射激光束经透射式衰减器4衰减进入哈特曼波前分析仪5进行测量，出射激光束经反射式衰减器6衰减进入相位差探测CCD相机7进行测量，计算机8控制哈特曼波前分析仪5和相位差探测CCD相机7的工作，完成系统控制、图像采集、波前重建及相位差计算功能。结合图2说明多路激光相干合成的波前测量方法1)测量仪工作时，机械快门1只在波前测量时打开，以小于等于1/100秒的速度工作，使测量仪以脉冲方式工作；2)将相干合成的各路激光分别打开，用哈特曼波前分析仪5分别对各单路激光波前进行测量分析，同时用相位差探测CCD相机7分别记录各单路激光的光强度分布；3)然后将一路激光作为基准，依次打开其它各路激光分别与基准激光干涉；4)用相位差探测CCD相机7测出每两路激光相干合成后的光强度，依据直接法计算相位差原理得到各路激光相对于基准激光的相位差，同时用哈特曼波前分析仪5对两路相干激光合成后的波前进行测量分析。例如，若为三路激光相干合成的测量为了便于说明，对各路激光分别编号为1 路、2路、3路，用哈特曼波前分析仪分别对各路激光波前进行测量分析，同时用相位差探测 CCD相机分别记录各路激光的光强度分布；以其中任一路激光作为基准，假设以1路激光作为基准，打开2路激光与基准光干涉，用相位差探测CCD相机测出两路激光相干合成后的光强度，计算2路激光相对于基准激光的相位差，同时用哈特曼波前分析仪对两路相干激光合成后的波前进行测量分析；打开3路激光与基准光干涉，用相位差探测CCD相机测出两路激光相干合成后的光强度，计算3路激光相对于基准激光的相位差，同时用哈特曼波前分析仪对两路相干激光合成后的波前进行测量分析；还可以将1路激光和2路激光相干合成后的光束与3路激光相干合成，得到三束激光的相干合成光，同时用哈特曼波前分析仪和相位差探测CCD相机进行相应的测量。用同样的方法还可以对四路激光、五路激光，甚至更多路激光进行相干合成的测量。
2、本发明中单路激光波前分析原理如下用哈特曼波前分析仪对各单路激光波前进行测量，哈特曼-夏克分析仪是由微透镜和光电传感器构成，是一种基于斜率测量的波前测量仪。哈特曼-夏克波前分析仪的原理如图3和图4所示，微透镜阵列将入射孔径分割成许多子孔径，并聚焦到CCD探测器上， 形成一个光斑阵列。事先用一束标准平行光标定各个光斑的原始位置，并予以保存。当对畸变波前探测时，入射到每个子孔径上的波前的倾斜将造成该子孔径光斑位置的移动，移动量正比于波前斜率和微透镜的焦距，通过CCD探测器测量光斑在两个垂直方向上相对于事先标定的原始位置的位移量就可以测量出该子孔径内波前在两个方向的斜率，最后利用波前复原算法通过波前斜率重建出波前相位。从重构的波前相位可以得到波前信息参数， 如波前相位的P-V值和rms值及泽尼克系数。如上所述，微透镜阵列的每个微透镜收集照在其光圈上的光，并在C⑶探测器平面上产生一个光斑。如图5所示为波前入射到单个微透镜上的情形。只有当入射波前是平面的且平行于小透镜平面时，光斑的位置才直接落在透镜(黑色圆点)的后方。对于在微透镜区畸变的波前，光斑位置将在X和Y方向(白色圆点)偏移，因此每个光斑将以α角偏离其相应的微透镜的光轴Ζ。如图中所示，该角度α与畸变波前和平面波前间的角度相同。影响哈特曼-夏克波前分析仪性能的四个参数是覆盖探测器有效面积的微透镜数量、动态区域、测试灵敏度和微透镜焦距。微透镜的数量限制了再构算法可靠地计算泽尼克系数的最大阶数。需要选择微透镜数量时，应考虑所需模拟的畸变量(即实际波前像差需要多少个泽尼克系数才能有效表征)。测试灵敏度θ min是最小可探测光斑偏移量δ ymin的函数，如下面的公式θω η= δ ymin/f(1)f是微透镜的焦距，θ max则是最大可测量相位的量度θ ■ = δ yfflin/f = (d/2) /f(2)d是微透镜的直径，这两个公式都是用了小角度近似。θ min是由波前分析仪测量的波前斜率的最小值。最小可测光斑的偏移Symin取决于探测器的像素尺寸、圆心算法的精度及分析仪的信噪比。θ _是波前分析仪可测量的波前斜率的最大值，它相当于光斑偏移Symax，等于微透镜的半径。哈特曼-夏克波前分析仪的测量精度(即可靠测量所需的最小波前斜率)取决于它精确测量聚焦的光斑与其参考位置的偏移的能力。如果光斑与其它的光斑部分重叠，或者微透镜的焦斑落在分析仪指定的区域以外(光斑交叉)，传统算法将不能正确测到光斑的圆心位置。采用特殊的方法能解决该问题，但是将限制分析仪的动态范围。使用大直径或短焦距的微透镜可增加系统的动态范围。通过增加微透镜的直径加大动态范围会降低可代表波前的泽尼克系数的数量。相反地，通过减小焦距增加动态范围会降低分析仪的灵敏度。理想情况下，满足动态范围和测量灵敏度要求时，应使用最大焦距的微透镜。3、本发明中测量两路相干光相位差的原理如下直接法和外差法是测量两路相干光相位差的常用方法。外差法测量精度高，但需要在相干合成的各路激光中插入测量系统，对光路调节要求很高，且对相干合成的各路激光光路有影响。直接法不影响相干合成的各路激光的光路，但测量精度低于外差法，且不能判断相位差的正负。考虑实际应用情况，本发明采用直接法测量两路激光的相位差。若两路相干激光的光功率分别为I1和I2，则合成后的光功率I为
权利要求
1.一种大功率激光波前测量仪，由光学系统与测量系统组成。其特征在于所述的光学系统由机械快门(1)、光束取样反射镜O)、缩束光学系统(3)、透射式衰减器(4)和反射式衰减器(6)组成；所述的测量系统由哈特曼波前分析仪(5)、相位差探测CCD相机(7)和计算机(8)组成；所述机械快门(1)打开时激光束以10°入射角入射至光束取样反射镜 (2)，由光束取样反射镜(2)将激光束反射进入缩束光学系统(3)，缩束光学系统(3)将大口径激光束压缩，出射激光束分别由透射式衰减器(4)进入哈特曼波前分析仪( 进行测量， 由反射式衰减器(6)进入相位差探测CCD相机(7)进行测量，计算机(8)控制哈特曼波前分析仪( 和相位差探测CCD相机(7)的工作；其中光束取样反射镜( 采用表面不镀膜的熔石英玻璃，为光楔形式，尺寸为165X 160mm2，对角线尺寸为230mm，厚度取35mm ；缩束光学系统(3)的结构为透射式的开普勒望远镜系统，在望远镜系统的物镜焦点处设置空间滤波器滤除杂散光，物镜选用熔石英玻璃，由两个面组成，其中第一个面为椭球面，第二个面为平面，望远镜系统的光阑设在椭球面上，望远镜系统的目镜选用普通光学玻璃；透射式衰减器由三片透射式楔镜组成；反射式衰减器(6)由三片反射式楔镜组成。
2.基于权利要求1所述大功率激光波前测量仪的波前测量方法，其特征包括如下步骤(2. 1)测量仪工作时，机械快门(1)只在波前测量时打开，以小于等于1/100秒的速度工作，使测量仪以脉冲方式工作；(2. 2)将相干合成的各路激光器分别打开，用哈特曼波前分析仪( 对各单路激光波前进行测量分析，同时用相位差探测CCD相机(7)记录各单路激光的光强分布； (2. 3)将一路激光作为基准，依次打开其它各路激光分别与基准激光干涉； (2. 4)用相位差探测CCD相机(7)测出每两路激光相干合成后的光强度，计算得到各路激光相对于基准激光的相位差；同时用哈特曼波前分析仪( 对两路相干激光合成后的波前进行测量分析。
全文摘要
本发明公开了一种大功率激光波前测量仪及波前测量方法。解决多路大功率激光相干合成中单路激光波前分析及任意两路激光的相位差测量。测量仪由机械快门、光束取样反射镜、缩束光学系统、透射式衰减器、反射式衰减器、哈特曼波前分析仪、相位差探测CCD相机和计算机组成。测量仪工作时，机械快门只在波前测量时打开，用哈特曼波前分析仪对各单路激光波前进行测量，同时用相位差探测CCD相机记录各单路激光的光强分布；将一路激光作为基准，依次打开其它各路激光分别与基准激光干涉；用相位差探测CCD相机测出每两路激光相干合成后的光强度，得到各路激光相对于基准激光的相位差；同时用哈特曼波前分析仪对相干激光合成后的波前进行测量。
文档编号G01J9/00GK102564611SQ20121000156
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者曾晓东, 李庆辉, 相里微 申请人:西安电子科技大学