[發(fā)明專利]光束相位在線測量裝置和測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410081914.5
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號: CN103884436B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設計）人: 潘興臣;王海燕;程君;劉誠;朱健強
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發(fā)明涉及激光驅動器和波前相位，特別是一種光束相位在線測量裝置和測量方法。

技術背景

波前相位檢測在各個領域都有重要應用，特別是在高功率激光驅動器中，由于尺寸龐大，結構復雜，各個光學元件在加工和安裝過程中的問題不可避免地影響驅動器的光束性能，這些問題往往通過光束的波前畸變體現(xiàn)出來，比如光學器件在加工過程中出現(xiàn)的材料瑕疵、加工工藝的缺陷、裝校應力、溫度變化和重力等因素，都會導致相差的出現(xiàn)，進而導致焦斑變形甚至是光路的改變，嚴重影響光斑的均勻性，降低光束傳播質(zhì)量，因此光學元器件在加工后、校裝前后都需要進行準確的檢測與矯正，運行中也需要進行實時檢測矯正畸變，因此激光驅動器中對光學元件的面型、運行中波前相位在線檢測都有嚴格的要求，但大型激光驅動器的獨特性也導致了對光束波前檢測的要求更加苛刻，和其他波前測量相比較，激光驅動器的波前測量過程有兩個顯著特點：

一、被測光束為脈沖激光，一般方法難以測量；

二、驅動器各個光學元件的龐大尺寸以及安裝過程前后應力的變化導致該類裝置的波前檢測只能通過在線測量的方式實現(xiàn)，同時光路空間有限，檢測裝置對空間的要求不能過大。

雖然目前有一些方法可以用于激光驅動器的波前檢測，比如常見的干涉儀、剪切干涉儀、哈特曼傳感器等，但這些方法在驅動器波前檢測中往往具有一定的局限。干涉儀對環(huán)境穩(wěn)定性要求較苛刻，價格昂貴，例如一臺18英寸的Zygo干涉儀售價為350萬元人民幣，并且參考光的引入會帶來一定的誤差；橫向剪切干涉儀至少需要兩路光學系統(tǒng)在兩個互相垂直的方向上產(chǎn)生橫向剪切干涉條紋,在實時性要求高的場合要求能同步采集到兩幅干涉條紋,系統(tǒng)結構較復雜；哈特曼波前傳感器通過測量光束經(jīng)過透鏡陣列后的偏移量來間接測量相位，在實際當中應用比較廣泛，但是該方法面臨的缺點是分辨率不高，只能分辨低頻量信息。

不同于利用與參考光的干涉間接記錄相位的干涉測量法，相干衍射成像（CDI,Coherent?Diffractive?Imaging）通過記錄的一幅或者多幅衍射光斑進行迭代運算來恢復相位分布，該類方法的顯著特點是不需要參考光的引入，光路非常簡單，對環(huán)境穩(wěn)定性要求顯著降低；理論上分辨率能夠達到衍射極限，也就是波長的二分之一。CDI成像理論主要用于成像，特別是X射線和電子束成像領域，借鑒CDI成像理論用于波前在線檢測和現(xiàn)有的方案相比，具有顯著的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術在高功率驅動裝置波前測量中的缺點及波前在線測量的需求，提出一種光束相位在線測量裝置和測量方法，該裝置只需要一個光斑探測器，一塊或者多塊已知分布的隨機相位板及相應的固定裝置，成本遠遠低于常見干涉儀，對環(huán)境穩(wěn)定性要求低，相比于傳統(tǒng)的波前檢測裝置分辨率大為提高，同時結構簡單體積小，隨機相位板的引入顯著提高CDI算法的收斂速度，增強魯棒性，可用于光學元件的高精度檢測和波前相位測量，由于只需要記錄一幅衍射光斑，可用于脈沖激光的波前檢測，特別是高功率激光驅動器中波前在線測量。

本發(fā)明的技術解決方案如下：

一種光束相位在線測量裝置，特點在于其構成包括：沿待測光束的傳播方向依次為縮束器、相位板陣列和光斑探測器，所述的相位板陣列由N塊相位分布已知的相位板依次排列組成，N為大于1的正整數(shù)，所述的相位板陣列和光斑探測器通過固定支桿固定，所述的光斑探測器的輸出端與計算機的輸入端相連。

利用上述光束相位在線測量裝置進行光束相位的測量方法，其特點在于該方法包括以下步驟：

1）根據(jù)待測光束的直徑，調(diào)節(jié)所述的縮束器，使待測光束經(jīng)過所述的相位板陣列后的光斑的直徑與所述的光斑探測器靶面的直徑相當；

2）將所述的光束相位在線測量的裝置置于待測的光路中并垂直于光軸；

3）待測光束經(jīng)過相位板陣列后由所述的光斑探測器記錄待測光束的光斑強度分布I并輸入所述的計算機；

4）所述的計算機通過下列迭代運算實現(xiàn)波前再現(xiàn)包括下列步驟：

①首先確定一個入射面，通常待測光束的高頻量相對基頻量比較弱，因此總能找到一個入射面，在這個入射面上光波的主要能量集中在某一點或者某一個范圍之內(nèi)，且該范圍半徑為R，若待測光束為球面波且焦點在所述的相位板陣列的第一塊相位板之前，則該焦點所在的平面即為入射面；其他情況下第一塊相位板入射光的頻譜面即為入射面，所述的相位板陣列的各個相位板的復振幅透過率依次為P₁，P₂，…P_N，相鄰兩塊相位板的距離依次為：