[发明专利]大功率激光波前测量仪及波前测量方法

说明书

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系统，该测量系统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系统提供了新思路。

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系统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系统与测量系统组成。所述的光学系统由机械快门、光束取样反射镜、缩束光学系统、透射式衰减器和反射式衰减器组成，测量系统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系统，缩束光学系统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。所述的缩束光学系统的结构为透射式的开普勒望远镜系统，在望远镜系统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，望远镜系统的光阑设在椭球面上，望远镜系统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：系统控制、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。