CN102564611A - 大功率激光波前测量仪及波前测量方法 - Google Patents

Abstract

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***、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。

Description

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***，该测量***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***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，Pyramid(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***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***与测量***组成。所述的光学***由机械快门、光束取样反射镜、缩束光学***、透射式衰减器和反射式衰减器组成，测量***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***，缩束光学***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165×160mm²，对角线尺寸为230mm，厚度取35mm。所述的缩束光学***的结构为透射式的开普勒望远镜***，在望远镜***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***的光阑设在椭球面上，望远镜***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：***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150×150mm²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基础。

附图说明

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***原理图；

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***物镜的波像差。

具体实施方式

下面将结合附图，详细、完整的描述本发明的测量原理、***结构与具体工作过程。

1、本发明的***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***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***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***3，缩束光学***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***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***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***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CCD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Z。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δy_min的函数，如下面的公式：

θ_min＝δy_min/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_max＝δy_min/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δy_min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_max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δy_max，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***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***测量***，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：

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\δ}---\left(3\right)$

式中δ为两路相干激光的相位差，只要测得I、I₁及I₂，即可以得到相位差δ：

$\mathrm{\δ}=\arccos \frac{I-I_1-I_2}{2\sqrt{I_1{I}_2}}---\left(4\right)$

4、本发明对测量***的光功率进行了估算：

大功率激光波前测量***各处的光功率及功率密度如表1所示，在光功率估算时的主要参数值为：激光束在取样反射镜上的入射角为10°，缩束光学***缩小倍率为11倍，其透过率位93％，透射式衰减器及反射式衰减器的通过率为1.25×10^-7。

表1测量***中的光功率及功率密度

注1：光束取样反射镜反射率近似取3.5％，考虑光束取样反射镜后表面的多次反射，还有部分激光会进入缩束光学***(最大约300W)，但该部分光会被缩束光学***阻挡，不会进入衰减器；

注2：近似取透射式衰减器第1片高反镜的反射率为1。

5、本发明中的机械快门开启时间实现小于等于1/100毫秒的速度即可满足测量仪要求。

6、本发明中的光束取样反射镜采用表面不镀膜的熔石英玻璃：

熔石英玻璃表面镀膜后，增加了界面吸收，而且光学薄膜的抗激光损伤能力比熔石英玻璃基底差很多，在激光照射时，光学薄膜首先发生破坏，进而增加对后续激光的吸收，造成对熔石英玻璃的破坏，不利于大功率激光波前测量***将来对100万瓦的大功率激光进行测量，此外，光学薄膜还会对大口径光学表面的面型精度造成影响。因此，熔石英光束取样反射镜表面不镀膜。当入射角45°时，s波反射率为0.0801，p波反射率为0.0064，入射角10°时，s波反射率为0.0351，p波反射率为0.0323。我们取10°入射角，熔石英光束取样反射镜的尺寸为165×160mm²，对角线尺寸为230mm，厚度取35mm。熔石英光束取样反射镜为光楔型式。

熔石英光束取样反射镜在测量***中承受最大的入射功率，下面估算熔石英光束取样反射镜在大功率激光照射下的温度变化，设熔石英光束取样反射镜均匀吸收，不计激光束光强的高斯分布，则有：

c_p·ρ·V·ΔT＝P·(1-R)·(1-T_in)·Δt                    (5)

式中，比热c_p为0.79J/(g·K)(20-100℃)，密度ρ为2.2g/cm³，V为体积，ΔT为温度变化量，P为入射激光功率，R为表面反射率，T_in为内透光率，Δt为曝光时间。取P＝10000W，R＝3.5％，T_in＝99.7％(35mm厚样板，1060nm波长)，机械快门曝光时间Δt＝1秒，则由(5)式可得到温度变化量ΔT≈0.02K，考虑熔石英玻璃的线膨胀系数α只有0.5×10^-6/K数量级，因此，在入射激光功率为10000W，机械快门曝光时间为1秒的情况下，熔石英光束取样反射镜的温度变形可以忽略不计。

(P-V值，λ＝1060nm，以下若未特别说明，波长λ均为1060nm)，

7、本发明中的缩束光学***原理如图6所示：

哈特曼波前分析仪的口径为14.6×14.6mm²，入射激光束的口径为150×150mm²，取缩束光学***的缩小倍率为11倍，则出射激光束口径为13.6×13.6mm²，满足哈特曼波前分析仪对光束口径的要求。根据入射激光束的口径可确定缩束光学***的物镜口径为220mm，这样的口径透射式和反射式光学***都可以实现。本发明选择透射式的开普勒望远镜***作为缩束光学***的结构形式，并且在物镜焦点处设置空间滤波器。开普勒***有实像点便于装调，而且可以放置光阑，抑制杂散光。Nd：YAG激光的大气击穿阈值大致为10¹⁰-10¹²W/cm²，针对我们要测量的激光束，不会在开普勒***物镜焦点处击穿大气。

缩束光学***的物镜选用熔石英玻璃，其中第一个面为非球面(椭球面)，第二个面为平面，光阑设在第一个面上。表2给出一个缩束光学***物镜的初步设计结果。相对孔径

焦距f′＝2200mm，视场角ω＝±0.06°。

表2物镜光学设计参数

缩束光学***物镜的波像差如图10所示，轴上点波像差小于

(P-V值)，0.06°视场角时也小于

(P-V值)，可以满足使用要求。将第一个面修改为高次非球面，成像质量没有明显的改善，若将相对孔径改为

则成像质量有明显改善，但缩束光学***的筒长大致在3.6m左右，目前相对孔径取

筒长大致在2.4m左右。综合考虑成像质量、装调工艺及筒长因素，缩束光学***物镜的相对孔径应在

至

范围内，在保证成像质量的前提下，相对孔径尽量大一些，以缩短筒长。

目镜口径较小，可选用普通光学玻璃，采用如图9所示的结构形式实现。

由于缩束光学***的镜筒较长，为了保证机械稳定性，采用三段式结构，设4个支撑，目镜镜筒有精密调整装置，以方便装调和使用。在实验室条件下使用，温度变化造成的膨胀因素可以忽略。

8、本发明中透射式衰减器的结构如图7所示，反射式衰减器的结构如图8所示：

透射式衰减器由三片透射式楔镜组成，以减小元件对大功率激光的吸收，每片楔镜的剩余透过率≤0.5％，则透射式衰减器的通过率≤1.25×10^-7。考虑整体结构的需要及实际工作情况，反射式衰减器由三片反射式楔镜组成，每片楔镜的反射率≤0.5％，则反射式衰减器的通过率≤1.25×10^-7。

9、本发明中哈特曼波前分析仪的选择：

选用法国Imaging Optics公司的HASO3-128哈特曼波前分析仪，该波前分析仪基于哈特曼-夏克波前传感器原理，具有测量精度高、空间分辨率高及动态范围大的特点。HASO3-128哈特曼波前分析仪的主要技术参数包括：孔径尺寸为14.6×14.6mm²，子孔径数量为128×128，动态范围大于±3°(1500λ)，波前测量精度(rms)为λ/100，工作波长为350-1100nm，最高工作频率是3.2Hz(FireWire)、7.5Hz(CameraLink)，工作温度控制在15-30℃。

HAS03-128哈特曼波前分析仪的处理软件***可计算出波前相位的P-V值和rms值及泽尼克系数。

10、本发明中相位差探测CCD相机的选择：

相位差探测CCD相机选用光敏面尺寸约为15×15mm²的型号，像元数为1024×1024或2048×2048，近似取CCD在1060nm处的灵敏度为1V/(μJ/cm²)，则积分时间为10ms时，CCD的输出信号幅度约为0.219V，可以满足探测的需要。相位差探测CCD相机获取的是整幅干涉图，可以利用数字图像处理技术对干涉图做细致的处理。

Claims (2)

1.一种大功率激光波前测量仪，由光学***与测量***组成。其特征在于：所述的光学***由机械快门(1)、光束取样反射镜(2)、缩束光学***(3)、透射式衰减器(4)和反射式衰减器(6)组成；所述的测量***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***(3)，缩束光学***(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(5)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(5)和相位差探测CCD相机(7)的工作；其中光束取样反射镜(2)采用表面不镀膜的熔石英玻璃，为光楔形式，尺寸为165×160mm²，对角线尺寸为230mm，厚度取35mm；缩束光学***(3)的结构为透射式的开普勒望远镜***，在望远镜***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***的光阑设在椭球面上，望远镜***的目镜选用普通光学玻璃；透射式衰减器(4)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(5)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(5)对两路相干激光合成后的波前进行测量分析。

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