CN101718619A - 一种准直偏转光束波前测试仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种准直偏转光束波前测试仪及其测试方法，涉及光学领域中准直偏转光束的波前测量。测试仪由光束变向装置和剪切干涉光路组成，光束变向装置由一个反射镜和一个计算机控制的电动组合台构成。测量时用一束准直激光通过本测试仪产生的条纹作为参考条纹图，再根据待测光束的偏转角度通过计算机设定组合台的动作参数，控制反射镜旋转、平移，使光束传播方向改变为垂直于组合台的平移方向，测出畸变条纹图，根据条纹处理算法计算出偏转光束在入光口处的波前分布。本发明在现有四边形结构径向剪切干涉仪的基础上增加了一个改变偏转光束传播方向的装置，能够方便、快捷的测试准直偏转光束的波前，解决了现有仪器不能直接测试准直偏转光束波前这一困难。

Description

一种准直偏转光束波前测试仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及光学领域中准直偏转光束的波前测量，特别适合于激光雷达扫描光束的波前测量。

技术背景

在科学研究及国防领域经常需要对准直偏转光束的波前进行高精度的检测，如测试准直光束通过偏转器件(闪耀光栅等)后的波前，测试激光雷达扫描光束的波前等。这里波前是指光束在考察面上的相位分布。根据波前测试的结果可以诊断出光束质量，从而判断光学***的性能好坏。这在激光雷达***中尤其重要，若激光雷达的扫描光束在近区光束质量不好会对其远区(1km外)的光斑分布产生极大的影响，可使得光斑能量分散，导致激光雷达探测或是打击目标的能力下降，所以激光雷达扫描光束质量的精确控制成为影响其功能实现的一个重要因素。而要实现这点，就必须获得扫描光束在激光雷达光束偏转装置后表面上的波前分布，用以诊断光束质量及作为改善光束偏转装置参数的依据。

现有的波前测试技术主要有四类：由光束波前的斜率来反演波前，如哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器；由光束波前的曲率来反演波前，如曲率波前传感器；由光束的聚焦光斑来反演波前，如线性相位波前传感器；由光束产生的干涉条纹来反演波前，如斐索干涉法、泰曼-格林干涉法、剪切干涉仪等。在这些测试技术中：哈特曼-夏克波前传感器的空间分辨率不高，反演出的波前相位只能反应大致的分布状况，对细节部分不能精确反应；曲率波前传感器同样波前重构的精度较低；线性相位波前传感器仅在待测波前畸变较小时适用，动态范围小；斐索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等双光束干涉仪测试精度高但需要在测试时一直引入参考平面波，所以稳定性不高，对测试装置的防震性能提出了较高要求；剪切干涉仪测试精度高且用被检波面本身错位后形成的两个波面发生干涉，不需另外引入参考波，所以光路防震效果好，***稳定。剪切干涉仪有横向和径向两种。横向剪切干涉法是使用空间上错位的两波面产生干涉，其缺点是需要采集多幅剪切干涉图来反演待测波前，测试非常不方便。径向剪切干涉仪采用径向上错位的两波面产生干涉，只需一幅条纹图，即可反演出待测波前分布，测试快捷、方便。

以上这些测试技术都不能直接对准直偏转光束的波前进行测量。需要测试准直偏转光束波前时，必须移动测试仪器使仪器的光轴方向与偏转光束的传播方向一致，对不同偏转角度的光束，测试仪器就要移动到不同的位置才能进行测量。这样非常不方便，而且移动过程可能会导致光学***中元件的位置发生微小变化，从而影响测试精度。

发明内容

本发明的目的是解决上述已有技术测试准直偏转光束波前的困难，提供一种方便、快捷、高精度的便于测试准直偏转光束波前的测试仪。

本发明的技术解决方案如下：

本测试仪是由光束变向装置和剪切干涉光路组成(见图1)。光束变向装置的作用是改变入射偏转光束的传播方向，使得不同偏转方向的入射光束都能沿同一方向射出；剪切于涉光路的作用是产生剪切干涉条纹，由干涉条纹图可以计算出入射偏转光束的波前。

光束变向装置由一个平面反射镜1和一个计算机控制的电动组合旋转平移台构成。该组合台由一个旋转台A固定在一个一维平移台B上构成，并与计算机C相连。反射镜1垂直固定在旋转台A上，其竖直方向的中心线与旋转台A转轴的中心O重合(图2(a))，且其反射镜面与平移台B的移动方向成45°角(图2(b))。

光束变向过程可参见图3，入射光由入光口进入，根据待测光束的形状入光口可以为方形、圆形或其他对称形状的光阑，入光口中心的垂线(在图中用虚线表示)经过反射镜1初始位置的中心。当已知偏转角度的偏转光束入射到反射镜1上时(这里以偏转方向在入光口中心垂线右边的光束为例)，根据待测光束的偏转角度在控制计算机C上输入组合台的旋转度和平移量，操作组合台的控制软件使得组合台按设定的参数动作，带动反射镜1发生旋转(逆时针旋转)、平移(向入光口方向平移)，从而改变入射光的传播方向，使光束的传播方向改变为垂直于平移台B的平移方向，且其延长线通过反射镜1初始位置的中心。当偏转光束的偏转方向与图中所示相反(即偏转方向在入光口中心垂线左边)时，反射镜1的旋转、平移方向也与图中所示相反。

设d为入光口中心到反射镜1初始位置中心的距离，α为入射光束与平移台B平移方向所成夹角，β为反射镜1的旋转角度，Δd为反射镜1的平移距离，则反射镜1的旋转角度和平移距离可由下式算出：

β＝α/2                        (1)

Δd＝d×tgα×ctg(45°-α/2)    (2)

只要确定了入光口中心到反射镜1初始位置中心的距离，就可方便的得出不同偏转角度光束入射时反射镜1的旋转和平移量。

该光束变向装置可以校正水平方向±90°范围内的偏转光束的传播方向。

剪切干涉光路选用现有的结构比较对称的四边形光路，这种结构调节起来比较方便。如图4所示，光路由一个分束棱镜7，三片平面反射镜(反射镜4、反射镜5、反射镜6)，两片双胶合透镜(双胶合透镜2、双胶合透镜3)，及一个面阵CCD相机8构成。分束棱镜7及反射镜4、反射镜5、反射镜6位于四边形的顶角。其中，分束棱镜7可在水平方向旋转，其初始位置为分光面与水平方向成45°角，分束棱镜7的分束比要能使得到的干涉条纹对比度鲜明。反射镜4、反射镜6的反射面与水平方向成45°角，反射镜5的反射面与水平方向成135°角。双胶合透镜3和双胶合透镜2的焦距比应大于1，分别位于四边形相对的两条边(任意一对边都可)，且共焦。各光学器件共轴。面阵CCD相机8位于分束棱镜7后面，水平放置，其输出端与带有剪切干涉条纹处理软件的计算机C相连(与组合台的控制计算机为同一台)。各光学器件应尽量紧凑排列。

由光束变向装置出射的变向光束被分束棱镜7分成两路，反射光(用虚线表示)经双胶合透镜2后由反射镜4和反射镜5反射，射入双胶合透镜3得到扩束光束，再经反射镜6和分束棱镜7反射射出；透射光(用实线表示)经反射镜6射入双胶合透镜3，再由反射镜5和反射镜4反射进双胶合透镜2得到缩束光束，从分束棱镜7透射而出，扩束光束和缩束光束空中重叠产生干涉条纹，由面阵CCD相机8采集干涉图样送入计算机C进行处理。本光路中，双胶合透镜2和双胶合透镜3也可交换位置，总之使得反射光和透射光都沿四边形光路循环一周再由分束棱镜7射出。

为提高测试精度，消除光学***误差，本发明采用测试前先采集一幅参考条纹图的方法(由参考平面波入射产生)，把待测光束产生的条纹图与参考条纹图进行比较，从而去掉***误差。

光束变向装置位于剪切干涉光路之前，且变向后光束中心线与剪切干涉光路的光轴方向重合，如图5所示。不同偏转角度的光束入射后，经过光束变向装置改变传输方向后都会沿着剪切干涉光路的光轴方向传播，这样就方便于对各种偏转光束进行测试。为保证测试精度，入光口、反射镜1及剪切干涉光路应尽量靠近。

本测试仪的使用步骤如下：

1.用一束扩束准直后的激光作为参考平面波入射，从入光口入射到反射镜1的中心处，调节剪切干涉光路中的分束棱镜7，使之在水平方向转动一个微小的角度，能在面阵CCD相机8上观察到疏密合适的竖条纹即可(此时分束棱镜7的位置可以在以后的测试中固定下来)，这相当于把干涉条纹调制到载波上。采集此条纹作为参考条纹图。

2.待测光束也从入光***入，根据待测光束的偏转角度在控制计算机C上输入组合台的旋转度和平移量(由公式1、2得到)，操作组合台的控制软件使得组合台按设定的参数动作，带动反射镜1旋转、平移，把光束的传播方向变为剪切干涉光路的光轴方向，用面阵CCD相机8采集得到的干涉条纹作为畸变条纹图。

3.由参考条纹图中心处大小等于待测偏转光束在垂直于传播方向上光束尺寸的区域和畸变条纹图计算出偏转光束在入光口处的波前相位分布。

若需要连续测试不同偏转方向的光束，只需在计算机C上预先设定好对应于各偏转光束的组合台的动作量，并根据条纹处理算法的计算时间设置两次测试的间隔时间即可。在测试时，只需测一次参考条纹，每次取中心不同面积的条纹进行计算。

本发明改进了现有的四边形径向剪切干涉仪，增加了一个改变偏转光束传播方向的装置，使之能够方便、快速的测试准直偏转光束的波前，解决了现有的仪器不能直接测试准直偏转光束波前这一困难。由于本发明中的剪切干涉光路是固定不动的，所以***稳定性好，测试精度高。同时，由于本发明引入参考条纹图来消除***误差的影响，所以对光学器件的面型精度没有太高要求，可以节约研制成本。

附图说明

图1为准直偏转光束波前测试仪的组成框图。

图2(a)为光束变向装置主视图。其中：1-反射镜，A-旋转台，B-一维平移台，O-轴心，C-计算机

图2(b)为光束变向装置俯视图。其中：1-反射镜，A-旋转台，B-一维平移台，O-轴心

图3为光束变向过程示意图。

图4为剪切干涉光路结构图。其中：2、3-双胶合透镜，4、5、6-反射镜，7-分束棱镜，8-面阵CCD相机

图5为光束变向装置和剪切干涉光路的位置摆放示意图，图中略去组合台。

图6为计算机模拟产生的待测准直偏转光束在入光口处的原始波前相位分布。

图7(a)为参考条纹图中心9.9985mm×9.9985mm的区域。

图7(b)为畸变条纹图。

图8为重构出的待测光束在入光口处的波前相位分布。

图9为重构波前与原始波前的误差分布。

具体实施方式

对一个工作口径10mm×10mm，工作波长632.8nm的准直偏转光束测试仪，各器件参数如下：

器件	主要参数
		反射镜1	材料BK7，口径Φ25.4mm，45°入射时反射率＞99.5％面型精度PV值λ/15
反射镜4	材料BK7，口径Φ50.8mm，45°入射时反射率＞99.5％面型精度PV值λ/15
		反射镜5	材料BK7，口径Φ50.8mm，45°入射时反射率＞99.5％面型精度PV值λ/15
反射镜6	材料BK7，口径Φ50.8mm，45°入射时反射率＞99.5％面型精度PV值λ/15
		分束棱镜7	材料BK7，口径50mmx50mm，45°入射时透射能量∶反射能量＝7∶3面型精度PV值λ/4
双胶合透镜2	材料BK7，口径Φ25.4mm，焦距200mm，面型精度PV值λ/4
		双胶合透镜3	材料BK7，口径Φ50.8mm，焦距400mm，面型精度PV值λ/4
面阵CCD相机8	像素个数1392×1040，像素尺寸6.45μm×6.45μm接口USB2.0
		旋转台A	360°旋转，分辨率0.00125°

器件	主要参数
		一维平移台B	平移行程30mm，分辨率0.625μm

入光口到反射镜1中心的距离为200mm，待测光束为一个经过准直的大小10mm×10mm、波长632.8nm、偏转方向向右1°(参照图3)有一定相位畸变的方光束，测试步骤如下：

1.用方光阑取扩束准直后的氦氖激光中心处10mmx10mm的光束，使之入射到反射镜1的中心，把分束棱镜旋7转到合适的位置，用面阵CCD相机8采集光束通过剪切干涉光路后产生的干涉条纹，作为参考条纹图。

2.加入待测偏转光束，控制电动组合台使反射镜1逆时针旋转0.5°，向前平移1.7761mm，把光束的传播方向变到剪切干涉光路的光轴方向，用面阵CCD相机8采集产生的条纹作为畸变条纹图。

3.由参考条纹图中心9.9985mm×9.9985mm的区域和畸变条纹图计算出偏转光束在入光口(即方光阑)处的波前相位分布。

计算机模拟产生的待测准直偏转光束在入光口处的原始波前相位分布见图6，计算机模拟产生的此待测光束经本测试仪后生成的参考条纹图中心9.9985mm×9.9985mm的区域和畸变条纹图见图7(a)和图7(b)，由图7(a)和图7(b)重构出的待测光束在入光口处的波前相位分布见图8，可以看出与原始波前相位分布基本相同，仅相位的绝对值不同，重构波前与原始波前的误差分布见图9，误差的均方根值为0.0091π，峰谷值为0.0386π，重构精度较高。

经试用证明，本发明结构简单，成本较低，测试精度高，适合于准直偏转光束的波前测试。

Claims (3)

1.一种准直偏转光束波前测试仪，其特征在于该测试仪是由光束变向装置和剪切干涉光路组成，光束变向装置位于剪切干涉光路前的位置，且变向后光束中心线与剪切干涉光路的光轴方向重合，变向装置是由一个反射镜(1)和一个由计算机控制的电动组合旋转平移台构成。

2.根据权利要求1所述的准直偏转光束波前测试仪，其特征在于电动组合旋转平移台由旋转台(A)固定在一个一维平移台(B)上构成，并与计算机(C)相连，反射镜(1)垂直固定在旋转台(A)上，其竖直方向的中心线与旋转台转轴的中心线重合，且其反射镜面与一维平移台(B)的移动方向成45°角。

3.一种准直偏转光束波前的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

①用一束扩束准直后的激光作为参考平面波入射，从入光口入射到反射镜

(1)的中心处，调节剪切干涉光路中的分束棱镜(7)，使之在水平方向转动一个微小的角度，能在面阵CCD相机(8)上观察到疏密合适的竖条纹，以此条纹作为测试的参考条纹图；

②待测光束也从上述的入光***入，根据待测光束的偏转角度在控制计算机(C)上输入组合台的旋转度和平移量，操作组合台的控制软件使得组合台按设定的参数动作，带动反射镜(1)旋转、平移，把光束的传播方向变为剪切干涉光路的光轴方向，用面阵CCD相机(8)采集得到的干涉条纹作为畸变条纹图；

③由参考条纹图中心处大小等于待测偏转光束在垂直于传播方向上光束尺寸的区域和畸变条纹图，根据条纹处理算法计算出偏转光束在入光口处的波前分布。

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