[发明专利]强激光系统光学制造误差与光束质量关系的定量分析方法

说明书

技术领域

本发明属于光学评价方法，涉及用于强激光系统中的光学元件制造误差与光束质量之间定量关系的分析方法。

背景技术

在强激光系统中，通过发射光学系统将激光束输出到远场焦面上，从而减小发散角，并通过聚焦光学系统将激光束聚焦，以实现高聚能要求。光学元件在制造过程中存在面形误差，按照小尺度自聚焦理论，光学元件制造误差将形成对光场振幅和相位的微小扰动，经过传输后，由于非线性增长，振幅和相位的扰动都将形成对光强的调制；光学元件中频、高频误差作为光束强度和相位扰动的噪声源，也是造成焦斑旁瓣和非线性自聚焦破坏的主要根源之一。常用于评价光束质量的参数除了斯特列尔比外，还有M²因子、远场发散角和环围能量比等；与其它的指标相比，环围能量比更适用于能量输送、耦合型应用场合。针对光学元件制造误差与光束质量的定量关系进行分析，对于提高强激光系统的工作性能，合理设计和控制小磨头数控加工、磁流变研抛、离子束抛光等确定性加工条件下光学元件的制造误差具有重要意义。

美国在研制激光ICF工程“国家点火装置(NIF)”的过程中，LLNL实验室提出了评价光学元件制造误差的新方法：采用误差梯度GRMS来表征面形误差的低频段，但它没有给出与光束质量指标的定量关系表达式。中国科学院光电技术研究所从光学元件制造误差的频域分布入手，利用功率谱密度函数PSD、点衍射函数来分析环围能量，以确定相应频段误差范围内的能量损失情况，进而评价光学元件的合格性；但这种方法基于频域分析，给出的是一种整体性评价结论，无法确定光学元件误差梯度和远场光强的分布特性，从而不能为下一步进行光学修正加工提供指导。

在强激光系统中，对环围能量比、光强分布等光束质量指标起主要影响的是光学元件的面形误差梯度。目前国内外关于误差梯度与环围能量比之间还没有明确、通用的定量分析方法，该领域研究尚属空白。

我们曾经提出光学元件面形误差对远场环围能量比的影响关系(参见发表于《光学精密工程》2007年第9期的论文“光学面形误差对环围能量比的影响”)，其重点是利用高斯型相位误差模拟光学元件加工误差，分析其对远场环围能量比的影响，并通过理论分析与仿真结果进行对比来确定环围能量比计算公式的适用范围。

这种评价方法的不足之处在于：

其一：仅仅针对发射光学系统进行分析，分析结果不一定适用于其它的光学系统；

其二：只对理论计算与仿真结果进行对比，而没有具体的实验结果进行验证；

其三：没有应用于具体的实例评价中。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有评价技术和方法的不足，提出一种强激光系统光学制造误差与光束质量关系的定量分析方法。该方法对于提高强激光系统的工作性能，合理设计、控制确定性加工条件下光学元件的制造误差具有重要意义。

实现本发明目的技术方案通过以下步骤完成：

1)采用光学检测装置获得被测光学元件的制造误差数据；

2)根据光学元件的制造误差数据，计算其误差梯度分布；

3)根据光学元件制造误差对激光束进行相位调制的特点，由公式：

Hs(u,v)=exp[-k2σΔ2(u2+v2)]]]>

计算误差梯度对光束相位调制的传递函数，式中，k＝2π/λ为波数，λ为激光波长，σ_Δ为光学元件制造误差梯度的均方根值，(u，v)为光学元件的空间坐标；

4)根据光学系统的结构参数，由公式：