光束相位在线测量装置和测量方法
【专利摘要】一种光束相位在线测量装置和测量方法，装置包括：沿待测光束的传播方向依次为缩束器、相位板阵列和光斑探测器，所述的相位板阵列由N块相位分布已知的相位板依次排列组成，其中N为大于1的正整数，所述的相位板阵列和光斑探测器通过固定支杆固定，所述的光斑探测器的输出端与计算机的输入端相连。本发明只需要一个光斑探测器，一块或者多块已知分布的随机相位板及相应的固定装置，成本远远低于常见干涉仪，只需要记录一幅衍射光斑，对环境稳定性要求低，分辨率大为提高，显著提高CDI算法的收敛速度，增强鲁棒性，可用于光学元件的高精度检测和波前相位测量，脉冲激光的波前检测，特别是高功率激光驱动器中波前在线测量。
【专利说明】光束相位在线测量装置和测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光驱动器和波前相位，特别是一种光束相位在线测量装置和测量方法。
技术背景
[0002]波前相位检测在各个领域都有重要应用，特别是在高功率激光驱动器中，由于尺寸庞大，结构复杂，各个光学元件在加工和安装过程中的问题不可避免地影响驱动器的光束性能，这些问题往往通过光束的波前畸变体现出来，比如光学器件在加工过程中出现的材料瑕疵、加工工艺的缺陷、装校应力、温度变化和重力等因素，都会导致相差的出现，进而导致焦斑变形甚至是光路的改变，严重影响光斑的均匀性，降低光束传播质量，因此光学元器件在加工后、校装前后都需要进行准确的检测与矫正，运行中也需要进行实时检测矫正畸变，因此激光驱动器中对光学元件的面型、运行中波前相位在线检测都有严格的要求，但大型激光驱动器的独特性也导致了对光束波前检测的要求更加苛刻，和其他波前测量相比较，激光驱动器的波前测量过程有两个显著特点:
[0003]—、被测光束为脉冲激光，一般方法难以测量；
[0004]二、驱动器各个光学元件的庞大尺寸以及安装过程前后应力的变化导致该类装置的波前检测只能通过在线测量的方式实现，同时光路空间有限，检测装置对空间的要求不倉 tilt。
[0005]虽然目前有一些方法可以用于激光驱动器的波前检测，比如常见的干涉仪、剪切干涉仪、哈特曼传感器等，但这些方法在驱动器波前检测中往往具有一定的局限。干涉仪对环境稳定性要求较苛刻，价格昂贵，例如一台18英寸的Zygo干涉仪售价为350万元人民币，并且参考光的引入会带来一定的误差；横向剪切干涉仪至少需要两路光学系统在两个互相垂直的方向上产生横向剪切干涉条纹，在实时性要求高的场合要求能同步采集到两幅干涉条纹，系统结构较复杂；哈特曼波前传感器通过测量光束经过透镜阵列后的偏移量来间接测量相位，在实际当中应用比较广泛，但是该方法面临的缺点是分辨率不高，只能分辨低频量信息。
[0006]不同于利用与参考光的干涉间接记录相位的干涉测量法，相干衍射成像(0)1，Coherent Diffractive Imaging)通过记录的一幅或者多幅衍射光斑进行迭代运算来恢复相位分布，该类方法的显著特点是不需要参考光的引入，光路非常简单，对环境稳定性要求显著降低；理论上分辨率能够达到衍射极限，也就是波长的二分之一。⑶I成像理论主要用于成像，特别是X射线和电子束成像领域，借鉴CDI成像理论用于波前在线检测和现有的方案相比，具有显著的优势。
【发明内容】
[0007]本发明针对上述现有技术在高功率驱动装置波前测量中的缺点及波前在线测量的需求，提出一种光束相位在线测量装置和测量方法，该装置只需要一个光斑探测器，一块或者多块已知分布的随机相位板及相应的固定装置，成本远远低于常见干涉仪，对环境稳定性要求低，相比于传统的波前检测装置分辨率大为提高，同时结构简单体积小，随机相位板的引入显著提高CDI算法的收敛速度，增强鲁棒性，可用于光学元件的高精度检测和波前相位测量，由于只需要记录一幅衍射光斑，可用于脉冲激光的波前检测，特别是高功率激光驱动器中波前在线测量。
[0008]本发明的技术解决方案如下:
[0009]一种光束相位在线测量装置，特点在于其构成包括:沿待测光束的传播方向依次为缩束器、相位板阵列和光斑探测器，所述的相位板阵列由N块相位分布已知的相位板依次排列组成，N为大于I的正整数，所述的相位板阵列和光斑探测器通过固定支杆固定，所述的光斑探测器的输出端与计算机的输入端相连。
[0010]利用上述光束相位在线测量装置进行光束相位的测量方法，其特点在于该方法包括以下步骤:
[0011]I)根据待测光束的直径，调节所述的缩束器，使待测光束经过所述的相位板阵列后的光斑的直径与所述的光斑探测器靶面的直径相当；
[0012]2)将所述的光束相位在线测量的装置置于待测的光路中并垂直于光轴；
[0013]3)待测光束经过相位板阵列后由所述的光斑探测器记录待测光束的光斑强度分布I并输入所述的计算机；
[0014]4)所述的计算机通过下列迭代运算实现波前再现包括下列步骤: [0015]①首先确定一个入射面，通常待测光束的高频量相对基频量比较弱，因此总能找到一个入射面，在这个入射面上光波的主要能量集中在某一点或者某一个范围之内，且该范围半径为R，若待测光束为球面波且焦点在所述的相位板阵列的第一块相位板之前，则该焦点所在的平面即为入射面；其他情况下第一块相位板入射光的频谱面即为入射面，所述的相位板阵列的各个相位板的复振幅透过率依次为P1,P2,…Pn，相邻两块相位板的距离依
次为:4’ -Em,…4—S
[0016]②对入射面的光波分布进行随机猜测得到G1,根据各个面之间的传播距离计算并模拟光波从入射面到所述的光斑探测器面的传播过程，并在光斑记录面根据实际记录的光斑强度分布I对计算值进行更正并进行迭代运算，第k次迭代过程为:
[0017]③根据衍射理论计算入射面的光波Gk传播到第一块相位板面的分布，并作为其相位板阵列的照明光Illutl ；
[0018]④计算Illulu经过相位板阵列后的出射光分布为0k，N，若第i块相位板的出射波为Olu,则传播相应距离_4+1后作为i+l块相位板的照明光Illuk，i+1，第i+Ι块相位板的出射
波函数表示为:Ou'' = //d = υη'π'，
[0019]其中，S(Kll)表示光波Olu传播距离Z^1的过程；
[0020]⑤根据所述的相位板阵列的出射光波分布0k，N计算光斑探测器的探测面上的复振幅分布Diffk:
[0021]
D///,;=啊、.L),[0022]其中，L为所述的相位板阵列的最后一块相位板到所述的光斑探测器的探测面的距离，同时计算的复振幅DifTk和的误差Erk
[0023]_
【权利要求】
1.一种光束相位在线测量装置，特征在于其构成包括:沿待测光束的传播方向依次为缩束器(I)、相位板阵列(2)和光斑探测器(8)，所述的相位板阵列(2)由N块相位分布已知的相位板(3-6)依次排列组成，其中N为大于I的正整数，所述的相位板阵列(2)和光斑探测器(8)通过固定支杆(7)固定，所述的光斑探测器(8)的输出端与计算机的输入端相连。
2.利用权利要求1所述的光束相位在线测量的装置进行光束相位的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 1)根据待测光束的直径，调节所述的缩束器(1)，使待测光束经过所述的相位板阵列(2)后的光斑的直径与所述的光斑探测器(8)靶面的直径相当； 2)将所述的光束相位在线测量的装置置于待测的光路中并垂直于光轴； 3)待测光束经过相位板阵列(2)后由所述的光斑探测器(8)记录待测光束的光斑强度分布I并输入所述的计算机； 4)所述的计算机通过下列迭代运算实现波前再现包括下列步骤: ①首先确定一个入射面(9)，通常待测光束的高频量相对基频量比较弱，因此总能找到一个入射面(9),在这个入射面(9)上光波的主要能量集中在某一点或者某一个范围之内，且该范围半径为R，若待测光束为球面波且焦点在所述的相位板阵列(2)的第一块相位板(3)之前，则该焦点所在的平面即为入射面(9);其他情况下第一块相位板(3)入射光的频谱面即为入射面(9)，所述的相位板阵列(2)的各个相位板的复振幅透过率依次为P1, P2,…Pn，相邻两块相位板的距离依次为:匕，L\,…l!i+l’ -Lnn1-, ②对入射面(9)的光波分布进行随机猜测得到G1，根据各个面之间的传播距离计算并模拟光波从入射面到所述的光斑探测器面(8)的传播过程，并在光斑记录面根据实际记录的光斑强度分布I对计算值进行更正并进行迭代运算，第k次迭代过程为: ③根据衍射理论计算入射面(9)的光波Gk传播到第一块相位板面(3)的分布，并作为其相位板阵列(2)的照明光Illulu ； ④计算Illulu经过相位板阵列(2)后的出射光分布为Ok，N，若第i块相位板的出射波为Olu,则传播相应距离1；+1后作为i+Ι块相位板的照明光Illuk，i+1，第i+Ι块相位板的出射波函数表不为
【文档编号】G01J9/00GK103884436SQ201410081914
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】潘兴臣, 王海燕, 程君, 刘诚, 朱健强 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所