CN113340570B - 高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置和测量方法 - Google Patents

高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置和测量方法 Download PDF

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CN113340570B CN202110535009.2A CN202110535009A CN113340570B CN 113340570 B CN113340570 B CN 113340570B CN 202110535009 A CN202110535009 A CN 202110535009A CN 113340570 B CN113340570 B CN 113340570B
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Abstract

一种高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置及测量方法，高功率脉冲激光器产生的脉冲相干光通过光强衰减片后，经过一块会聚透镜聚焦，然后照射到一块电光偏转器上，电光偏转器的作用是对经过会聚透镜后的光束产生高速的角度偏转，在会聚透镜聚焦焦点的后面放置一块编码板，编码板的作用是对光束产生相位调制，用一台CCD探测器记录经过编码板形成的衍射图像。通过CCD探测器记录的衍射图像和通过计算机的多状态光场重建算法计算，获取脉冲激光的动态复振幅光场分布和动态焦斑分布。该测量方法不采用干涉光路，具有结构简单、成本低、对环境的抗干扰性好的特点，能满足高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑精密诊断的需求。

Description

高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑测量，特别是一种高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置和测量方法。
技术背景
高功率激光驱动器性能的不断提升和新型物理实验方案的提出对高功率激光的动态光场精密诊断提出了新要求，传统的时间积分条件下的光束空间分布测量在一定程度上对高功率激光驱动器的稳定、安全运行提供了重要技术保障，也为物理实验结果的分析提供了重要技术手段，但复杂的物理实验方案和实验过程对高功率脉冲激光光场在时间上的动态测量提出了迫切需求。高功率脉冲激光的光束口径达到300mm，脉冲宽度在飞秒到纳秒量级，焦斑功率密度达到1021W/cm2，受限于记录探测器的时间响应和有限的动态范围，直接测量脉冲激光的动态光场和动态焦斑十分困难，因此对高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑测量的研究具有十分重要的意义。
发明内容
本发明针对上述高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑测量的问题，提出一种高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置和测量方法，通过计算机计算脉冲激光动态复振幅光场分布和动态焦斑分布。该测量方法不采用干涉光路，结构简单、对环境的抗干扰性好，满足高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑精密诊断的需求。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置，其特点在于沿待测所述的高功率脉冲激光器发出的相干光光轴上依次放置所述的光强衰减片、会聚透镜、电光偏转器、编码板和CCD探测器，并确保所述的会聚透镜、电光偏转器、编码板和光斑探测器的中心在所述的光轴上，所述的电光偏转器和放置编码板分别位于所述的会聚透镜的焦点前后，所述的CCD探测器采集所述的编码板形成的衍射图像，所述的CCD探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的数字延时发生器分别与所述的高功率脉冲激光器、电光偏转器和CCD探测器的控制端相连。
所述的会聚透镜、编码板垂直放置在所述的高功率脉冲激光器发出的脉冲相干光的入射方向，所述的编码板的空间分布已知，所述的电光偏转器和编码板的尺寸大小满足光路中光束全部通过。
利用上述高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑测量装置对高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量方法，包括以下步骤：
1)以待测高功率脉冲激光器发出的脉冲相干光光束为基准，确定光轴，沿待测高功率脉冲激光器发出的脉冲相干光光束的光轴方向依次放置所述的光强衰减片、会聚透镜、电光偏转器、编码板和CCD探测器；脉冲相干光光束经过光强衰减片后强度减弱，经所述的会聚透镜会聚后穿过所述的电光偏转器，经所述的编码板调制后被所述的CCD探测器接收形成的衍射图像；
2)测量出所述的会聚透镜到所述的编码板的直线距离L1,所述的编码板到CCD探测器的距离L2；
3)在高功率脉冲激光器的脉冲触发信号的同时，所述的数字延时发生器同步控制所述的电光偏转器，当所述的脉冲相干光到达所述的电光偏转器上时，所述的电光偏转器开始产生电光偏转作用，所述的延时发生器还同步控制所述的CCD探测器，当脉冲相干光到达所述的CCD探测器上时，所述的CCD探测器开始记录衍射图像数据；
4)所述的CCD探测器记录的衍射图像传输至所述的计算机，所述的计算机按下列步骤计算高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑：
(1)所述的CCD探测器记录的为脉冲激光经过所述的电光偏转器(4)偏转后动态光场在各时间切片上偏转后空间上的衍射图像叠加光强为
Figure BDA0003069480150000031
其中，τ为时间切片上的动态光场序号，τ＝1，2，3，…，t，Eτ＝t为第t个时间切片光场的光场分布；
(2)首次迭代计算时，给所述的会聚透镜处动态焦斑分布初始的随机猜测值为
Figure BDA0003069480150000032
构造一个孔函数S1，初始小孔半径r1，当实际的小孔半径在初始半径r1范围以内时，则孔函数S1取值为1，代表光透过小孔；当实际的小孔半径在初始小孔半径r1范围以外，则孔函数S1取值为0，代表光不能透过小孔；
初始会聚透镜焦点面上的动态焦斑分布分别为
Figure BDA0003069480150000033
(3)第n次计算传输到所述的编码板面上的动态光场函数为
Figure BDA0003069480150000034
其中，
Figure BDA0003069480150000035
表示第n次迭代计算动态光场函数Focusn,τ传播距离L1的过程，n代表第n次迭代计算；
(4)所述的编码板的空间透射函数为T,第n次动态光场通过所述的编码板后的出射光场函数为
Figure BDA0003069480150000036
(5)所述的CCD探测器记录面上第n次动态光场分布为：
Figure BDA0003069480150000041
Figure BDA0003069480150000042
表示第n次迭代计算动态光场Exitn,τ传输距离L2的结果；
(6)所述的CCD探测器实际记录的衍射图像叠加光强
Figure BDA0003069480150000043
动态光场Diffn,τ和
Figure BDA0003069480150000044
的误差为
Figure BDA0003069480150000045
(7)对所述的CCD探测器记录面上的所有序号的动态光场衍射图像的光场振幅进行修正，同时相位保持不变，即
Figure BDA0003069480150000046
ψn,τ为Diffn,τ的相位分布；
(8)反方向计算传输Diff'n,τ到所述的编码板面上得到
Figure BDA0003069480150000047
Figure BDA0003069480150000048
其中，
Figure BDA0003069480150000049
表示第n次迭代光波Diff'n,τ反方向计算传输距离L2的结果；
(9)更新所述的编码板面上的动态光场函数Illu'n,τ＝Exit'n,τ/T；
(10)反方向计算传输Illu'n,τ到所述的会聚透镜焦点面上得到
Figure BDA00030694801500000410
其中，
Figure BDA00030694801500000411
表示第n次迭代光场Illu'n,τ反方向计算传输距离L1的结果；
(11)增大孔函数半径为rn+1，半径rn+1范围以内孔径大小限制函数Sn+1取值为1，半径rn+1范围以外Sn+1函数取值为0，更新后的会聚透镜(3)焦点面上的动态焦斑分布为：Focusn+1,τ＝Focus'n,τ*Sn+1作为第n+1次迭代的初始光场函数；
(12)当误差Errorn,τ大于10-3时，返回步骤(3)，当误差Errorn,τ小于10-3，迭代过程停止，此时所述的编码板面上的照明光函数为Illuτ；
(13)反方向计算传输Illuτ到所述的会聚透镜面上得到动态光场分布的计算公式如下：
Figure BDA0003069480150000051
其中，λ是所述的高功率脉冲激光器发出的脉冲光的波长，k为波矢，k＝2π/λ，Uτ(x′,y′)为所述的会聚透镜面上的动态光场分布；
(14)Uτ(x′,y′)/Lens即为待测高功率脉冲激光动态光场，Lens为标定的会聚透镜的相位分布，
Figure BDA0003069480150000052
即为待测高功率脉冲激光动态焦斑分布。
与现有技术相比，本发明的技术效果：
1)无需参考光路，只需用一个CCD探测器记录衍射图像，由计算机计算获取脉冲激光动态复振幅光场分布和动态焦斑分布。
2)结构简单、对环境的抗干扰性好，适用于高功率激光装置有限的空间在线测量使用。
3)成本低于现有常用的超快测量仪器，并且精度高，该装置具有重要的应用和市场前景。
附图说明
图1是本发明高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置示意图。
图中：1-高功率脉冲激光器，2-光强衰减片，3-会聚透镜，4-电光偏转器，5-编码板，6-CCD探测器，7-数字延时发生器，8-计算机。会聚透镜3到编码板5的直线距离L1,编码板5到CCD探测器6的距离L2。
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，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图1是高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置示意图，如图所示，本发明高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置，沿待测所述的高功率脉冲激光器1发出的相干光光轴上依次放置所述的光强衰减片2、会聚透镜3、电光偏转器4、编码板5和CCD探测器6，并确保所述的会聚透镜3、电光偏转器4、编码板5和光斑探测器6的中心在所述的光轴上，所述的电光偏转器4和放置编码板5分别位于所述的会聚透镜(3)的焦点前后，所述的CCD探测器6采集所述的编码板5形成的衍射图像，所述的CCD探测器6的输出端与所述的计算机8的输入端相连，所述的数字延时发生器7分别与所述的高功率脉冲激光器1、电光偏转器4和CCD探测器6的控制端相连。
所述的会聚透镜3、编码板5垂直放置在所述的高功率脉冲激光器1发出的脉冲相干光的入射方向，所述的编码板5的空间分布已知，所述的电光偏转器4和编码板5的尺寸大小满足光路中光束全部通过。
实施例
所述的编码板5采用相位为0和π随机分布T，最小单元的大小为9μm，所述的会聚透镜3的焦距为0.5m，所述的会聚透镜3焦点位置到所述的编码板5平面的距离L1为3.5cm，所述的编码板5的平面到所述的CCD探测器6的距离L2为6.0cm，所述的电光偏转器4放置在所述的会聚透镜3焦点前1cm，所述的电光偏转器4驱动电压的上升沿时间为10ns，所述的CCD探测器6的分辨率为4096像素×4096像素，最小单元为9μm。
利用上述高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑测量装置对高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量方法，该方法包括以下步骤：
1)以待测高功率脉冲激光器1发出的脉冲相干光光束为基准，确定光轴，沿待测高功率脉冲激光器1发出的脉冲相干光光束的光轴方向依次放置光强衰减片2、会聚透镜3、电光偏转器4、编码板5和CCD探测器6；脉冲相干光光束经过光强衰减片2后强度减弱，经所述的会聚透镜3会聚后穿过所述的电光偏转器4，经所述的编码板5调制后被所述的CCD探测器6接收形成的衍射图像；
2)测量出所述的会聚透镜3到所述的编码板5的直线距离L1,所述的编码板5到CCD探测器6的距离L2；
3)在待测高功率脉冲激光器的脉冲触发信号的同时，所述的数字延时发生器7同步控制所述的电光偏转器4，当所述的脉冲相干光到达所述的电光偏转器4上时，所述的电光偏转器4开始产生电光偏转作用，所述的延时发生器7还同步控制所述的CCD探测器6，当脉冲相干光到达所述的CCD探测器6上时，所述的CCD探测器6开始记录衍射图像数据；
4)所述的CCD探测器6记录的衍射图像传输至所述的计算机8，所述的计算机8按下列步骤计算高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑：
(1)所述的CCD探测器6记录的为脉冲激光经过所述的电光偏转器4偏转后动态光场在各时间切片上偏转后空间上的衍射图像叠加光强为
Figure BDA0003069480150000081
其中，τ为时间切片上的动态光场序号，τ＝1，2，3，…，t，Eτ＝t为第t个时间切片光场的光场分布；
(2)首次迭代计算时，给所述的会聚透镜3处动态焦斑分布初始的随机猜测值为
Figure BDA0003069480150000082
构造一个孔函数S1，初始小孔半径r1，当实际的小孔半径在初始半径r1范围以内时，则孔函数S1取值为1，代表光透过小孔；当实际的小孔半径在初始小孔半径r1范围以外，则孔函数S1取值为0，代表光不能透过小孔；
初始会聚透镜3焦点面上的动态焦斑分布分别为
Figure BDA0003069480150000083
(3)第n次计算传输到所述的编码板5面上的动态光场函数为
Figure BDA0003069480150000084
其中，
Figure BDA0003069480150000085
表示第n次迭代计算动态光场函数Focusn,τ传播距离L1的过程，n代表第n次迭代计算；
(4)所述的编码板5的空间透射函数为T,第n次动态光场通过所述的编码板5后的出射光场函数为
Figure BDA0003069480150000086
(5)所述的CCD探测器6记录面上第n次动态光场分布为：
Figure BDA0003069480150000087
Figure BDA0003069480150000088
表示第n次迭代计算动态光场Exitn,τ传输距离L2的结果；
(6)所述的CCD探测器6实际记录的衍射图像叠加光强
Figure BDA0003069480150000089
动态光场Diffn,τ和
Figure BDA00030694801500000810
的误差为
Figure BDA00030694801500000811
(7)对所述的CCD探测器6记录面上的所有序号的动态光场衍射图像的光场振幅进行修正，同时相位保持不变，即
Figure BDA0003069480150000091
ψn,τ为Diffn,τ的相位分布；
(8)反方向计算传输Diff'n,τ到所述的编码板5面上得到
Figure BDA0003069480150000092
Figure BDA0003069480150000093
其中，
Figure BDA0003069480150000094
表示第n次迭代光波Diff'n,τ反方向计算传输距离L2的结果；
(9)更新所述的编码板5面上的动态光场函数Illu'n,τ＝Exit'n,τ/T；
(10)反方向计算传输Illu'n,τ到所述的会聚透镜3焦点面上得到
Figure BDA0003069480150000095
其中，
Figure BDA0003069480150000096
表示第n次迭代光场Illu'n,τ反方向计算传输距离L1的结果；
(11)增大孔函数半径为rn+1，半径rn+1范围以内孔径大小限制函数Sn+1取值为1，半径rn+1范围以外Sn+1函数取值为0，更新后的会聚透镜(3)焦点面上的动态焦斑分布为：Focusn+1,τ＝Focus'n,τ*Sn+1作为第n+1次迭代的初始光场函数；
(12)当误差Errorn,τ大于10-3时，返回步骤(3)，当误差Errorn,τ小于10-3，迭代过程停止，此时所述的编码板5面上的照明光函数为Illuτ；
(13)反方向计算传输Illuτ到所述的会聚透镜3面上得到动态光场分布的计算公式如下：
Figure BDA0003069480150000097
其中，λ是所述的高功率脉冲激光器1发出的脉冲光的波长，k为波矢，k＝2π/λ，Uτ(x′,y′)为所述的会聚透镜3面上的动态光场分布；
(14)Uτ(x′,y′)/Lens即为待测高功率脉冲激光动态光场，Lens为标定的会聚透镜3的相位分布，
Figure BDA0003069480150000098
即为待测高功率脉冲激光动态焦斑分布。
实验结果表明，本发明装置成功实现了高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量，用一台CCD探测器记录经过编码板形成的衍射图像。通过CCD探测器记录的衍射图像数据和多状态光场重建算法，可以通过计算机计算获取脉冲激光动态复振幅光场分布，同时计算出动态焦斑分布。该测量方法不采用干涉光路，结构简单、对环境的抗干扰性好，满足高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑精密诊断的需求。

Claims (3)

1.一种高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置，其特征在于沿待测高功率脉冲激光器(1)发出的相干光光轴上依次放置光强衰减片(2)、会聚透镜(3)、电光偏转器(4)、编码板(5)和CCD探测器(6)，并确保所述的会聚透镜(3)、电光偏转器(4)、编码板(5)和CCD探测器(6)的中心在所述的光轴上，所述的电光偏转器(4)和编码板(5)分别位于所述的会聚透镜(3)的焦点前后，所述的CCD探测器(6)采集所述的编码板(5)形成的衍射图像，所述的CCD探测器(6)的输出端与计算机(8)的输入端相连，数字延时发生器(7)分别与所述的高功率脉冲激光器(1)、电光偏转器(4)和CCD探测器(6)的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置，其特征在于：所述的会聚透镜(3)、编码板(5)垂直放置在所述的高功率脉冲激光器(1)发出的脉冲相干光的入射方向，所述的编码板(5)的空间分布已知，所述的电光偏转器(4)和编码板(5)的尺寸大小满足光路中光束全部通过。
3.利用权利要求1或2所述的高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑的测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)以待测高功率脉冲激光器(1)发出的脉冲相干光光束为基准，确定光轴，沿待测高功率脉冲激光器(1)发出的脉冲相干光光束的光轴方向依次放置光强衰减片(2)、会聚透镜(3)、电光偏转器(4)、编码板(5)和CCD探测器(6)；脉冲相干光光束经过光强衰减片(2)后强度减弱，经所述的会聚透镜(3)会聚后穿过所述的电光偏转器(4)，经所述的编码板(5)调制后被所述的CCD探测器(6)接收形成的衍射图像；
2)测量出所述的会聚透镜(3)到所述的编码板(5)的直线距离L1,所述的编码板(5)到CCD探测器(6)的距离L2；
3)在待测高功率脉冲激光器的脉冲触发信号的同时，所述的数字延时发生器(7)同步控制所述的电光偏转器(4)，当所述的脉冲相干光到达所述的电光偏转器(4)上时，所述的电光偏转器(4)开始产生电光偏转作用，所述的延时发生器(7)还同步控制所述的CCD探测器(6)，当脉冲相干光到达所述的CCD探测器(6)上时，所述的CCD探测器(6)开始记录衍射图像数据；
4)所述的CCD探测器(6)记录的衍射图像传输至所述的计算机(8)，所述的计算机(8)按下列步骤计算高功率脉冲激光动态光场及动态焦斑：
(1)所述的CCD探测器(6)记录的为脉冲激光经过所述的电光偏转器(4)偏转后动态光场在各时间切片上偏转后空间上的衍射图像叠加光强为
Figure FDA0004027532480000021
其中，τ为时间切片上的动态光场序号，τ＝1，2，3，…，t，Eτ＝t为第t个时间切片光场的光场分布；
(2)首次迭代计算时，给所述的会聚透镜(3)处动态焦斑分布初始的随机猜测值为
Figure FDA0004027532480000022
构造一个孔函数S1，初始小孔半径r1，当实际的小孔半径在初始小孔半径r1范围以内时，则孔函数S1取值为1，代表光透过小孔；当实际的小孔半径在初始小孔半径r1范围以外，则孔函数S1取值为0，代表光不能透过小孔；
初始会聚透镜(3)焦点面上的动态焦斑分布分别为
Figure FDA0004027532480000023
(3)第n次计算传输到所述的编码板(5)面上的动态光场函数为Illun,τ＝F(Focusn,τ,L1)，其中，F(Focusn,τ,L1)表示第n次迭代计算动态光场函数Focusn,τ传播距离L1的过程，n代表第n次迭代计算；
(4)所述的编码板(5)的空间透射函数为T,第n次动态光场通过所述的编码板(5)后的出射光场函数为Exitn,τ＝F(Focusn,τ,L1)*T；
(5)所述的CCD探测器(6)记录面上第n次动态光场分布为：Diffn,τ＝F(Exitn,τ,L2)，F(Exitn,τ,L2)表示第n次迭代计算动态光场Exitn,τ传输距离L2的结果；
(6)所述的CCD探测器(6)实际记录的衍射图像叠加光强
Figure FDA0004027532480000031
动态光场Diffn,τ和
Figure FDA0004027532480000032
的误差为
Figure FDA0004027532480000033
(7)对所述的CCD探测器(6)记录面上的所有序号的动态光场衍射图像的光场振幅进行修正，同时相位保持不变，即
Figure FDA0004027532480000034
ψn,τ为Diffn,τ的相位分布；
(8)反方向计算传输Diff'n,τ到所述的编码板(5)面上得到Exit'n,τ＝F-1(Diff'n,τ,L2)，其中，F-1(Diff'n,τ,L2)表示第n次迭代光波Diff'n,τ反方向计算传输距离L2的结果；
(9)更新所述的编码板(5)面上的动态光场函数Illu'n,τ＝Exit'n,τ/T；
(10)反方向计算传输Illu'n,τ到所述的会聚透镜(3)焦点面上得到Focus'n,τ＝F-1(Illu'n,τ,L1)，其中，F-1(Illu'n,τ,L1)表示第n次迭代光场Illu'n,τ反方向计算传输距离L1的结果；
(11)增大孔函数半径为rn+1，半径rn+1范围以内孔径大小限制函数Sn+1取值为1，半径rn+1范围以外Sn+1函数取值为0，更新后的会聚透镜(3)焦点面上的动态焦斑分布为：Focusn+1,τ＝Focus'n,τ*Sn+1作为第n+1次迭代的初始光场函数；
(12)当误差Errorn,τ大于10-3时，返回步骤(3)，当误差Errorn,τ小于10-3，迭代过程停止，此时所述的编码板(5)面上的照明光函数为Illuτ；
(13)反方向计算传输Illuτ到所述的会聚透镜(3)面上得到动态光场分布的计算公式如下：
Figure FDA0004027532480000041
其中，λ是所述的高功率脉冲激光器(1)发出的脉冲光的波长，k为波矢，k＝2π/λ，Uτ(x′,y′)为所述的会聚透镜(3)面上的动态光场分布；
(14)Uτ(x′,y′)/Lens即为待测高功率脉冲激光动态光场，Lens为标定的会聚透镜(3)的相位分布，Focus'τ＝F-1(Illuτ,L1)即为待测高功率脉冲激光动态焦斑分布。
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