[发明专利]基于ENZ理论的激光光束检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于ENZ理论的激光光束检测装置，CCD探测器（1）与数据处理计算机（2）相连，其特征在于，成像透镜（3）位于CCD探测器（1）前方，CCD探测器感光面（4）与成像透镜（3）焦平面c平行；CCD探测器（1）固定在滑块（5）上，滑块（5）与导轨（6）构成导轨滑块机构。

2.根据权利要求1所述的基于ENZ理论的激光光束检测装置，其特征在于，在成像透镜（3）激光入射一侧的光路上设置激光强度衰减系统（7），衰减系统（7）由若干透过率不同的被检激光滤光片（8）组合而成，衰减系统（7）能够将来自激光器（9）的不同功率的被检激光强度衰减到CCD探测器（1）能够承受的程度。

3.根据权利要求1所述的基于ENZ理论的激光光束检测装置，其特征在于，滑块（5）上的一道标线与在导轨（6）上沿滑块（5）滑动方向设置的标尺配合，由此读出滑块（5）的移动距离，该距离就是离焦被检激光光束光斑强度图像离焦量f。

4.一种基于ENZ理论的激光光束检测方法，其特征在于，取成像透镜（3）焦平面c处及对称的前离焦面a处、后离焦面b处的被检激光光束光斑强度图像；被检激光光束波前的拟合过程如下，首先采用扩展Nijboer-Zernike多项式构造波前拟合系数求取方程组，求解该方程组得到拟合光瞳平面激光光束波前的复数波前拟合系数值，然后通过迭代算法，去除引入的高阶误差，得到精确的波前拟合系数值，从而得到光瞳平面激光光束的相位和振幅，最后，拟合得到被检激光光束光瞳平面波前；被检激光光束特征值计算过程如下，根据由被检激光光束波前得到的激光光束的相位信息以及被检激光光束光斑强度图像中的强度信息，通过矩法计算得到被检激光光束特征值，包括束宽值d，束散角θ_σ，质量因子M²，束腰宽度d₀，瑞利长度z_R，束腰位置z₀。

5.根据权利要求4所述的基于ENZ理论的激光光束检测方法，其特征在于，被检激光光束波前的具体拟合过程如下，首先采用扩展Nijboer-Zernike多项式构造波前拟合系数求取方程组（1），由数据处理计算机（2）求解该方程组得到拟合光瞳平面激光光束波前的复数波前拟合系数：

12(β00)2(χ00,χn′0)+Σn′β00Re(βn0)(χn0,χn′0)≈(Id0,χn′0)Σn′β00Im(βn0)(Ψn0,Ψn′0)≈(Id0,Ψn′0)m=1,2,3...;n,n′=m,m+2,...Σn′β00Re(βnm)(χnm,χn′m)≈(Idm,In′m)Σn′β00Im(βnm)(Idm,Ψn′m)m=1,2,3...;n,n′=m,m+2,...---(1)]]>，

其中，m、n均为整数，表示探测到的光强的m阶余弦变换，、分别为的实部和虚部，、分别为的实部及虚部，、分别为的实部及虚部。“′”代表n=m=0，项已被删除；

其中、分别由公式（2）计算得到：

χnm=8ϵmRe[imVnm(r,f)V00*(r,f)]ψnm=-8ϵmIm[imVnm(r,f)V00*(r,f)]---(2),]]>

其中，当m=0时，ε_m=1（ε_m=1），当m≠0时，ε_m=0.5（ε_m=0.5）；

由公式（3）计算得到：

Vmn(r,f)=∫01exp(ifρ2)ρRnm(ρ)Jm(2πρr)dρ---(3),]]>

式中的通过Nijboer-Zernike多项式理论进行扩展，用级数的形式展开成：

Vnm(r,f)exp(if)Σl=1∞(-2if)l-1Σj=0pυljJm+l+2j(υ)lυlυlj=(-1)p(m+l+2j)m+j+l-1l-1j+l-1l-1l-1p-j/q+l+jl]]>

其中，i为虚数单位，i²=-1；f为离焦量；υ=2πr，r为被检激光光束光斑半径；，；

然后通过迭代算法，去除引入的高阶误差，也就是通过Predictor-Corrector迭代算法，校正算法中引入的高阶误差，得到高精度近似的波前拟合系数；

最后，拟合得到被检激光光束光瞳平面波前，也就是通过公式（4）进行光瞳函数P(u,v)拟合：

P(u,v)=ΣβnmZnm(u,v)=ΣβnmRnm(ρ)cos(mθ)---(4),]]>

上式为将光瞳函数P(u,v)展开成Zernike多项式的线性组合，式中u、v为坐标值，θ为相位角；

经过公式（5）计算得到点扩散函数U(r,θ)：

U(r,θ)=Σβnm2imVnm(r,f)cos(mθ)---(5),]]>

式中：为波前拟合系数，由公式（3）给出，m、n均为整数，i为虚数单位，i²=-1，f为离焦量，r为被检激光光束光斑半径，θ为相位角；

从而计算得到被检激光光束的高精度的波前和相位信息，完成激光光束波前高精度测量。

6.根据权利要求4所述的基于ENZ理论的激光光束检测方法，其特征在于，被检激光光束特征值具体计算过程如下，首先，一方面由光瞳平面的强度信息计算得到光斑质心一阶矩<x>、<y>，进而计算得到光斑质心二阶矩<x²>、<y²>；另一方面由光瞳平面的相位信息计算得到波前梯度一阶矩<u>、<v>，进而计算得到波前梯度二阶矩<u²>、<v²>；然后，再计算得到混合矩<xu>、<yv>；最后，根据下述公式（6）~（11）计算被检激光光束束宽值d、束散角θ_σ、质量因子M²、束腰宽度d₀、瑞利长度z_R、束腰位置z₀；

由公式（6）得到被检激光光束束宽值d，包括d_x、d_y：

dx=4<x2>dy=4<y2>---(6),]]>

式中<x²>、<y²>为光斑质心二阶矩；

由公式（7）得到被检激光光束束散角θ_σ，包括、：

θσx=4<u2>θσy=4<v2>---(7),]]>

式中<u²>、<v²>为波前梯度二阶矩；

由公式（8）得到被检激光光束质量因子M²，包括、：

Mx2=4πλ<x2><u2>-<xu>2My2=4πλ<y2><v2>-<yv>2---(8),]]>

式中<x²>、<y²>为光斑质心二阶矩，<u²>、<v²>为波前梯度二阶矩，<xu>、<yv>为混合矩，λ被检激光波长；

由公式（9）得到被检激光光束束腰宽度d₀，包括d_0x、d_0y：

d0x=4Mx2λπθσxd0y=4My2λπθσy---(9),]]>

式中、为被检激光光束质量因子，、为被检激光光束束散角，λ被检激光波长；

由公式（10）得到被检激光光束瑞利长度z_R，包括z_Rx、z_Ry：

zRx=d0xθσxzRy=d0yθσy---(10),]]>

式中d_0x、d_0y为被检激光光束束腰宽度，、为被检激光光束束散角；

由公式（11）得到被检激光光束束腰位置，包括z_0x、z_0y：

z0x=<xu>zRx|<xu>|(dxd0x)2-1z0y=<yv>zRy|<yv>|(dyd0y)2-1---(11),]]>

式中<xu>、<yv>为混合矩，z_Rx、z_Ry为被检激光光束瑞利长度，d_x、d_y为被检激光光束束宽值，d_0x、d_0y为被检激光光束束腰宽度。