CN101408680A - 四程放大***远场监视装置及其准直方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高功率激光装置的四程放大***远场监视装置及其准直方法，装置的构成包括：在所述的滤波小孔板后紧贴该滤波小孔板***取样光栅；在四程放大***的主激光束外设置发光二极管和准直透镜形成的照明光束以一定角度照明所述的取样光栅；在所述的一级衍射光方向设置成像透镜和CCD探测器，该CCD探测器的探测面位于所述的成像透镜的像平面，该CCD探测器的输出端接计算机。本发明解决了四程放大***远场取样和准直调整的难题，具有设备简单、精度高等优点。

Description

四程放大***远场监视装置及其准直方法

技术领域

本发明涉及高功率激光装置，尤其是一种用于高功率激光装置的四程放大***远场监视装置及其准直方法。

背景技术

高功率激光装置的四程放大***的光路示意图如图4所示，由依次的第一反射镜101、偏振反射镜111、第一透镜105、半波片112、滤波小孔板106、第二透镜109和第二反射镜110构成的四程放大***，由第一反射镜101和第二反射镜110构成的谐振腔，该谐振腔中有由第一透镜105、半波片112、滤波小孔板106和第二透镜109构成的空间滤波器，图4中滤波小孔板106的平面示意图如图5所示。该滤波小孔板106的中心位于该四程放大***的光轴上，该滤波小孔板106呈轴对称地分布第一滤波小孔301、第二滤波小孔302、第三滤波小孔303和第四滤波小孔304。一束水平偏正态的偏振光103经过注入反射镜104和偏振反射镜111进入四程放大***，依次经过第一透镜105、滤波小孔板106的第一滤波小孔301、第二透镜109，达到第二反射镜110，反射后再依次经过第二透镜109、第二滤波小孔302、半波片112，此时偏振态改变为竖直方向，再经过第一透镜105，穿过偏振反射镜111，达到并被第一反射镜101反射，再次穿过偏振反射镜111、第一透镜105、半波片112，此时偏振态又变为水平方向，光束穿过第三滤波小孔303，经第二反射镜110反射，穿过第四滤波小孔304，由偏振反射镜111反射和注入反射镜104反射导出；其中第二滤波小孔302和第三滤波小孔303之前放置半波片112，用于实现光束导入导出。

目前，高功率激光自动准直***中远场取样最常用的方法就是在光路中空间滤波器后某块反射镜后面加入一块大口径的凸透镜，利用反射镜的漏光对远场进行取样，用滤波器小孔中心作为远场基准。该方法不仅成本高而且精度有限，同时其难以在结构相对复杂的四程放大***中应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有高功率激光装置的四程放大***上述取样、准直方法的不足，提供一种四程放大***的远场监视装置及其准直方法，该装置不仅结构简单、精度高，更能满足四程放大***准直调整的需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种四程放大***远场监视装置，其构成包括：

由依次的第一反射镜、偏振反射镜、第一透镜、半波片、滤波小孔板、第二透镜和第二反射镜构成的四程放大***，所述的滤波小孔板中心对称地分布着第一滤波小孔、第二滤波小孔、第三滤波小孔和第四滤波小孔，在所述的滤波小孔板后紧贴该滤波小孔板***取样光栅，所述的取样光栅与所述的滤波小孔板的四个滤波小孔相对应，制作了第一非刻蚀区，第二非刻蚀区，第三非刻蚀区，第四非刻蚀区，每个非刻蚀区由四个非刻蚀的小圆区构成，所述的第一非刻蚀区、第二非刻蚀区、第三非刻蚀区和第四非刻蚀区的四个非刻蚀的小圆区的对称中心分别构成第一远场基准、第二远场基准、第三远场基准和第四远场基准，对准时，所述的第一远场基准、第二远场基准、第三远场基准和第四远场基准分别与所述的滤波小孔板的第一滤波小孔、第二滤波小孔、第三滤波小孔和第四滤波小孔的中心重合；

在四程放大***的主激光束外设置发光二极管和准直透镜形成的照明光束以一定角度照明所述的取样光栅，该一定角度由照明光束经所述的取样光栅产生的一级衍射光的方向和所述的主激光经所述的取样光栅产生的一级衍射光的方向重合来决定；

在所述的一级衍射光方向设置成像透镜和CCD探测器，该CCD探测器的探测面位于所述的成像透镜的像平面，该CCD探测器的输出端接计算机。

利用所述的四程放大***远场监视装置进行激光准直的方法，包括以下步骤：

①在所述的滤波小孔板后***所述的取样光栅，使所述的取样光栅的第一非刻蚀区、第二非刻蚀区、第三非刻蚀区和第四非刻蚀区的四个非刻蚀的小圆区的对称中心分别与所述的滤波小孔板的第一滤波小孔、第二滤波小孔、第三滤波小孔和第四滤波小孔的中心重合，启动发光二极管，注入主激光；

②利用CCD探测器获取取样光栅的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第一程主激光焦斑的中心与第一程远场基准的对称中心的偏差，调整所述的注入反射镜，使该两者中心基本重合；

③利用CCD探测器获取取样光栅的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第二程主激光焦斑的中心与第二程远场基准对称中心的偏差，调整第二反射镜，使该两者中心重合；

④利用CCD探测器获取取样光栅的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第三程主激光焦斑的中心与第三程远场基准对称中心的偏差，调整第一反射镜，使该两者中心重合；

⑤利用CCD探测器获取取样光栅的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第四程主激光焦斑的中心与第四程远场基准对称中心的偏差，核对第四程主激光焦斑的中心是否准确地与第四程远场基准对称中心重合，如果不重合，继续第②～④步，重合，则进行下一步；

⑥关闭发光二极管，从主激光光路中移出所述的取样光栅。

所述的图像处理软件计算主激光焦斑中心与参考基准对称中心偏差的常用方法有重心法和圆拟合法等，参见吕凤年等，“图像处理在光路自动准直***中的应用”，光学技术，31(3)：335-337。

本发明的技术效果是：

利用刻有基准的透射式取样光栅作为取样元件和基准，可以满足四程放大***准直的需求，也避免了在主光轴上排布探测***从而加长主光路的弊端，有利于***集约化。经试用表明，本装置具有结构简单、调整方便、精度高等特点。

附图说明

图1是四程放大***远场监视装置的光路示意图

图2是图1局部放大图

图3是图1中取样光栅的平面示意图。

图4是现有高功率激光装置的四程放大***的光路示意图

图5是图4中滤波小孔板的平面示意图

图中：101-腔第一反射镜，102-输出主激光，103-输入主激光，104-注入反射镜，105-空间滤波器第一透镜，106-滤波小孔板，107-照明准直透镜，108-发光二极管，109.-空间滤波器第二透镜，110-腔第二反射镜，111-偏振反射镜，112-半波片，113-刻有基准的透射取样光栅，114-成像透镜，115-CCD，201-腔内主激光，202-照明光，203-照明光的零级衍射光，204-主激光的一级衍射光，205-照明光的一级衍射光，107-照明准直透镜，108-发光二极管，301-第一程光束滤波小孔，302-第二程光束滤波小孔，303-第三程光束滤波小孔，304-第四程光束滤波小孔，411～414是第一程光束的远场基准，421～424是第二程光束的远场基准，431～434是第三程光束的远场基准，441～444是第四程光束的远场基准，450-取样光栅刻蚀区。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明四程放大***远场监视装置的光路示意图，由图可见，本发明四程放大***远场监视装置的构成包括：

由依次的第一反射镜101、偏振反射镜111、第一透镜105、半波片112、滤波小孔板106、第二透镜109和第二反射镜110构成的四程放大***，所述的滤波小孔板106中心对称地分布着第一滤波小孔301、第二滤波小孔302、第三滤波小孔303和第四滤波小孔304，在所述的滤波小孔板106后紧贴该滤波小孔板106***取样光栅113，所述的取样光栅113与所述的滤波小孔板106的四个滤波小孔相对应，制作了第一非刻蚀区411～414，第二非刻蚀区421～424，第三非刻蚀区431～434，第四非刻蚀区441～444，每个非刻蚀区由四个非刻蚀的小圆区构成，所述的第一非刻蚀区411～414、第二非刻蚀区421～424、第三非刻蚀区431～434和第四非刻蚀区441～444的四个非刻蚀的小圆区的对称中心分别构成第一远场基准、第二远场基准、第三远场基准和第四远场基准，对准时，所述的第一远场基准、第二远场基准、第三远场基准和第四远场基准分别与所述的滤波小孔板106的第一滤波小孔301、第二滤波小孔302、第三滤波小孔303和第四滤波小孔304的中心重合；

在四程放大***的主激光束外设置发光二极管108和准直透镜107形成的照明光束202以一定角度照明所述的取样光栅113，该一定角度由照明光束202经所述的取样光栅113产生的一级衍射光205的方向和所述的主激光201经所述的取样光栅113产生的一级衍射光204的方向重合来决定；

在所述的一级衍射光205方向设置成像透镜114和CCD探测器115，该CCD探测器115的探测面位于所述的成像透镜114的像平面，该CCD探测器115的输出端接计算机。

利用上述的四程放大***远场监视装置进行激光准直的方法，其特征在于包括以下步骤：

①在所述的滤波小孔板106后***所述的取样光栅113，使所述的取样光栅113的第一非刻蚀区411～414、第二非刻蚀区421～424、第三非刻蚀区431～434和第四非刻蚀区441～444的四个非刻蚀的小圆区的对称中心分别与所述的滤波小孔板106的第一滤波小孔301、第二滤波小孔302、第三滤波小孔303和第四滤波小孔304的中心重合，启动发光二极管108，注入主激光103；

②利用CCD探测器115获取取样光栅113的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第一程主激光焦斑的中心与第一程远场基准(411～414)的对称中心的偏差，调整所述的注入反射镜104，使该两者中心基本重合；

③利用CCD探测器115获取取样光栅113的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第二程主激光焦斑的中心与第二程远场基准421～424对称中心的偏差，调整第二反射镜110，使该两者中心重合；

④利用CCD探测器115获取取样光栅113的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第三程主激光焦斑的中心与第三程远场基准431～434对称中心的偏差，调整第一反射镜101，使该两者中心重合；

⑤利用CCD探测器115获取取样光栅113的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第四程主激光焦斑的中心与第四程远场基准441～444对称中心的偏差，核对第四程主激光焦斑的中心是否准确地与第四程远场基准441～444对称中心重合，如果不重合，继续第②～④步，重合，则进行下一步；

⑥关闭发光二极管108，从主激光光路中移出所述的取样光栅113。

四程放大***中的远场监视装置的主要原理如下：

①照明光衍射光与主激光衍射光的耦合。衍射角随入射光波长的变化关系为：

d(sinθ_i±sinθ_k)＝Kλ    (1)

式中，d为取样光栅常数，θ_i为入射角度，θ_k为衍射角度，K为衍射级次，λ为入射光波长。可见当两束不同波长的光入射时，可以通过调整各自的入射角使两束光的同一级衍射光的衍射方向重合。当照明光的中心波长小于主激光波长时，就可以通过调节照明光的入射角度，使照明光的一级衍射光与主激光的一级衍射光重合，同时照明***又不处于主光路中，利用这级衍射光成像，就可以在同一个成像***中同时看到主激光焦斑和基准的图像，通过图像处理装置就可以得出两者的相对位置。

②取样光栅基准的显示。矩形取样光栅的衍射效率公式为

其中：

$\cos \mathrm{\ϵ}=\frac{1}{n}\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}},$ $\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\τ}}{d},$ τ为取样光栅脊宽，d为取样光栅周期，m为衍射级次，θ为入射角，ε为折射角，h为刻槽深度，λ为入射波长，n为折射率。可见，利用衍射光成像时，照射到刻蚀区的光能有一部分分到了衍射光中，照射到非刻蚀区的光能不存在衍射光；同时，由于主激光比照明光的能量密度要大，所以在取样***中就可以得到三种灰度分布的图像。暗区是非刻蚀区的像，其作为基准；中等亮度区为刻蚀区的像，其作为背景；亮区为焦斑的像，其为要调整量。

实验结果表明，本发明用于四程放大***的光路调整，由计算机计算控制，十分方便，调整精度优于16μm。

Claims (2)

1、一种四程放大***远场监视装置，特征在于其构成包括：

由依次的第一反射镜(101)、偏振反射镜(111)、第一透镜(105)、半波片(112)、滤波小孔板(106)、第二透镜(109)和第二反射镜(110)构成的四程放大***，所述的滤波小孔板(106)中心对称地分布着第一滤波小孔(301)、第二滤波小孔(302)、第三滤波小孔(303)和第四滤波小孔(304)，在所述的滤波小孔板(106)后紧贴该滤波小孔板(106)***取样光栅(113)，所述的取样光栅(113)与所述的滤波小孔板(106)的四个滤波小孔相对应，制作了第一非刻蚀区(411～414)，第二非刻蚀区(421～424)，第三非刻蚀区(431～434)，第四非刻蚀区(441～444)，每个非刻蚀区由四个非刻蚀的小圆区构成，所述的第一非刻蚀区(411～414)、第二非刻蚀区(421～424)、第三非刻蚀区(431～434)和第四非刻蚀区(441～444)的四个非刻蚀的小圆区的对称中心分别构成第一远场基准、第二远场基准、第三远场基准和第四远场基准，对准时，所述的第一远场基准、第二远场基准、第三远场基准和第四远场基准分别与所述的滤波小孔板(106)的第一滤波小孔(301)、第二滤波小孔(302)、第三滤波小孔(303)和第四滤波小孔(304)的中心重合；

在四程放大***的主激光束外设置发光二极管(108)和准直透镜(107)形成的照明光束(202)以一定角度照明所述的取样光栅(113)，该一定角度由照明光束(202)经所述的取样光栅(113)产生的一级衍射光(205)的方向和所述的主激光(201)经所述的取样光栅(113)产生的一级衍射光(204)的方向重合来决定；

在所述的一级衍射光(205)方向设置成像透镜(114)和CCD探测器(115)，该CCD探测器(115)的探测面位于所述的成像透镜(114)的像平面，该CCD探测器(115)的输出端接计算机。

2、利用权利要求1所述的四程放大***远场监视装置进行激光准直的方法，其特征在于包括以下步骤：

①在所述的滤波小孔板(106)后***所述的取样光栅(113)，使所述的取样光栅(113)的第一非刻蚀区(411～414)、第二非刻蚀区(421～424)、第三非刻蚀区(431～434)和第四非刻蚀区(441～444)的四个非刻蚀的小圆区的对称中心分别与所述的滤波小孔板(106)的第一滤波小孔(301)、第二滤波小孔(302)、第三滤波小孔(303)和第四滤波小孔(304)的中心重合，启动发光二极管(108)，注入主激光(103)；

②利用CCD探测器(115)获取取样光栅(113)的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第一程主激光焦斑的中心与第一程远场基准(411～414)的对称中心的偏差，调整所述的注入反射镜(104)，使该两者中心基本重合；

③利用CCD(115)获取取样光栅(113)的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第二程主激光焦斑的中心与第二程远场基准(421～424)对称中心的偏差，调整第二反射镜(110)，使该两者中心重合；

④利用CCD(115)获取取样光栅(113)的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第三程主激光焦斑的中心与第三程远场基准(431～434)对称中心的偏差，调整第一反射镜(101)，使该两者中心重合；

⑤利用CCD(115)获取取样光栅(113)的衍射图像，计算机用图像处理软件计算第四程主激光焦斑的中心与第四程远场基准(441～444)对称中心的偏差，核对第四程主激光焦斑的中心是否准确地与第四程远场基准(441～444)对称中心重合，如果不重合，继续第②～④步，重合，则进行下一步；

⑥关闭发光二极管(108)，从主激光光路中移出所述的取样光栅(113)。

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