[發(fā)明專利]基于ENZ理論的激光光束檢測裝置及方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210464004.6
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN102980667A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉敏時;王曉曼;王斌
• 申請（專利權(quán)）人: 長春理工大學(xué)
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G01J1/00
• 代理公司: 長春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所 22210
• 代理人: 陶尊新

1.一種基于ENZ理論的激光光束檢測裝置，CCD探測器（1）與數(shù)據(jù)處理計算機（2）相連，其特征在于，成像透鏡（3）位于CCD探測器（1）前方，CCD探測器感光面（4）與成像透鏡（3）焦平面c平行；CCD探測器（1）固定在滑塊（5）上，滑塊（5）與導(dǎo)軌（6）構(gòu)成導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ENZ理論的激光光束檢測裝置，其特征在于，在成像透鏡（3）激光入射一側(cè)的光路上設(shè)置激光強度衰減系統(tǒng)（7），衰減系統(tǒng)（7）由若干透過率不同的被檢激光濾光片（8）組合而成，衰減系統(tǒng)（7）能夠?qū)碜约す馄鳎?）的不同功率的被檢激光強度衰減到CCD探測器（1）能夠承受的程度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ENZ理論的激光光束檢測裝置，其特征在于，滑塊（5）上的一道標(biāo)線與在導(dǎo)軌（6）上沿滑塊（5）滑動方向設(shè)置的標(biāo)尺配合，由此讀出滑塊（5）的移動距離，該距離就是離焦被檢激光光束光斑強度圖像離焦量f。

4.一種基于ENZ理論的激光光束檢測方法，其特征在于，取成像透鏡（3）焦平面c處及對稱的前離焦面a處、后離焦面b處的被檢激光光束光斑強度圖像；被檢激光光束波前的擬合過程如下，首先采用擴展Nijboer-Zernike多項式構(gòu)造波前擬合系數(shù)求取方程組，求解該方程組得到擬合光瞳平面激光光束波前的復(fù)數(shù)波前擬合系數(shù)值，然后通過迭代算法，去除引入的高階誤差，得到精確的波前擬合系數(shù)值，從而得到光瞳平面激光光束的相位和振幅，最后，擬合得到被檢激光光束光瞳平面波前；被檢激光光束特征值計算過程如下，根據(jù)由被檢激光光束波前得到的激光光束的相位信息以及被檢激光光束光斑強度圖像中的強度信息，通過矩法計算得到被檢激光光束特征值，包括束寬值d，束散角θ_σ，質(zhì)量因子M²，束腰寬度d₀，瑞利長度z_R，束腰位置z₀。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ENZ理論的激光光束檢測方法，其特征在于，被檢激光光束波前的具體擬合過程如下，首先采用擴展Nijboer-Zernike多項式構(gòu)造波前擬合系數(shù)求取方程組（1），由數(shù)據(jù)處理計算機（2）求解該方程組得到擬合光瞳平面激光光束波前的復(fù)數(shù)波前擬合系數(shù)：

12(β00)2(χ00,χn′0)+Σn′β00Re(βn0)(χn0,χn′0)≈(Id0,χn′0)Σn′β00Im(βn0)(Ψn0,Ψn′0)≈(Id0,Ψn′0)m=1,2,3...;n,n′=m,m+2,...Σn′β00Re(βnm)(χnm,χn′m)≈(Idm,In′m)Σn′β00Im(βnm)(Idm,Ψn′m)m=1,2,3...;n,n′=m,m+2,...---(1)]]>，

其中，m、n均為整數(shù)，表示探測到的光強的m階余弦變換，、分別為的實部和虛部，、分別為的實部及虛部，、分別為的實部及虛部。“′”代表n=m=0，項已被刪除；

其中、分別由公式（2）計算得到：

χnm=8ϵmRe[imVnm(r,f)V00*(r,f)]ψnm=-8ϵmIm[imVnm(r,f)V00*(r,f)]---(2),]]>

其中，當(dāng)m=0時，ε_m=1（ε_m=1），當(dāng)m≠0時，ε_m=0.5（ε_m=0.5）；

由公式（3）計算得到：

Vmn(r,f)=∫01exp(ifρ2)ρRnm(ρ)Jm(2πρr)dρ---(3),]]>

式中的通過Nijboer-Zernike多項式理論進行擴展，用級數(shù)的形式展開成：

Vnm(r,f)exp(if)Σl=1∞(-2if)l-1Σj=0pυljJm+l+2j(υ)lυlυlj=(-1)p(m+l+2j)m+j+l-1l-1j+l-1l-1l-1p-j/q+l+jl]]>

其中，i為虛數(shù)單位，i²=-1；f為離焦量；υ=2πr，r為被檢激光光束光斑半徑；，；

然后通過迭代算法，去除引入的高階誤差，也就是通過Predictor-Corrector迭代算法，校正算法中引入的高階誤差，得到高精度近似的波前擬合系數(shù)；

最后，擬合得到被檢激光光束光瞳平面波前，也就是通過公式（4）進行光瞳函數(shù)P(u,v)擬合：

P(u,v)=ΣβnmZnm(u,v)=ΣβnmRnm(ρ)cos(mθ)---(4),]]>

上式為將光瞳函數(shù)P(u,v)展開成Zernike多項式的線性組合，式中u、v為坐標(biāo)值，θ為相位角；

經(jīng)過公式（5）計算得到點擴散函數(shù)U(r,θ)：

U(r,θ)=Σβnm2imVnm(r,f)cos(mθ)---(5),]]>

式中：為波前擬合系數(shù)，由公式（3）給出，m、n均為整數(shù)，i為虛數(shù)單位，i²=-1，f為離焦量，r為被檢激光光束光斑半徑，θ為相位角；

從而計算得到被檢激光光束的高精度的波前和相位信息，完成激光光束波前高精度測量。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ENZ理論的激光光束檢測方法，其特征在于，被檢激光光束特征值具體計算過程如下，首先，一方面由光瞳平面的強度信息計算得到光斑質(zhì)心一階矩<x>、<y>，進而計算得到光斑質(zhì)心二階矩<x²>、<y²>；另一方面由光瞳平面的相位信息計算得到波前梯度一階矩<u>、<v>，進而計算得到波前梯度二階矩<u²>、<v²>；然后，再計算得到混合矩<xu>、<yv>；最后，根據(jù)下述公式（6）~（11）計算被檢激光光束束寬值d、束散角θ_σ、質(zhì)量因子M²、束腰寬度d₀、瑞利長度z_R、束腰位置z₀；

由公式（6）得到被檢激光光束束寬值d，包括d_x、d_y：

dx=4<x2>dy=4<y2>---(6),]]>

式中<x²>、<y²>為光斑質(zhì)心二階矩；

由公式（7）得到被檢激光光束束散角θ_σ，包括、：

θσx=4<u2>θσy=4<v2>---(7),]]>

式中<u²>、<v²>為波前梯度二階矩；

由公式（8）得到被檢激光光束質(zhì)量因子M²，包括、：

Mx2=4πλ<x2><u2>-<xu>2My2=4πλ<y2><v2>-<yv>2---(8),]]>

式中<x²>、<y²>為光斑質(zhì)心二階矩，<u²>、<v²>為波前梯度二階矩，<xu>、<yv>為混合矩，λ被檢激光波長；

由公式（9）得到被檢激光光束束腰寬度d₀，包括d_0x、d_0y：

d0x=4Mx2λπθσxd0y=4My2λπθσy---(9),]]>

式中、為被檢激光光束質(zhì)量因子，、為被檢激光光束束散角，λ被檢激光波長；

由公式（10）得到被檢激光光束瑞利長度z_R，包括z_Rx、z_Ry：

zRx=d0xθσxzRy=d0yθσy---(10),]]>

式中d_0x、d_0y為被檢激光光束束腰寬度，、為被檢激光光束束散角；

由公式（11）得到被檢激光光束束腰位置，包括z_0x、z_0y：

z0x=<xu>zRx|<xu>|(dxd0x)2-1z0y=<yv>zRy|<yv>|(dyd0y)2-1---(11),]]>

式中<xu>、<yv>為混合矩，z_Rx、z_Ry為被檢激光光束瑞利長度，d_x、d_y為被檢激光光束束寬值，d_0x、d_0y為被檢激光光束束腰寬度。