[发明专利]大口径光学元件二次曝光相位测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及高功率激光装置的大口径光学元件相位测量技术领域，具体是一种利用二次曝光实现大口径光学元件相位测量装置及测量方法。

技术背景

在高功率激光装置中，激光传输和放大链路上存在着数千个大口径光学元件，对大口径光学元件相位进行精密的测量对激光驱动器的整体性能至关重要，大口径光学元件质量的好坏甚至关系着最终物理实验的成败。理论上讲，这些光学元件的特性都可以用大口径干涉仪进行精密测量，但在实际测量中却有很多难以解决的难题。比如，要用大口径干涉仪检测一个直径半米的元件的面型，通常所能达到的横向分辨率大约为0.5毫米左右，如此低的分辨率对于测量平面光学元件没有什么问题，但若测量透镜等具有一定面型分布的元件则由于相邻像素间相位梯度过大而使测量难以实现。理论上子孔径拼接技术中可以保证每个孔径内的准确度，但对于直径半米左右的元件来说，如何保证几百次次扫描和拼接的精度则又是一个非常棘手的技术问题。另外，常用的大口径光学元件测量设备，例如Zygo干涉仪，还存在由于体积太大而难以在高功率激光驱动器有限的空间内得到采用。因此对于大口径光学元件相位测量新方法的研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对上述大口径光学元件相位测量的问题，提出一种大口径光学元件相位测量装置，利用一个光斑探测器记录两幅散射光斑，由计算机进行迭代计算实现大口径光学元件相位测量，该测量方法不受限于光斑探测器尺寸，受环境影响较小，装置结构简单，测量分辨率高，满足于大口径光学元件相位测量的要求。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种大口径光学元件二次曝光相位测量装置，其特点在于：包括激光器、扩束器、聚焦透镜、随机相位板、二维电动位移台、光斑探测器和计算机；

上述元件的位置关系如下：

沿所述的激光器发出的相干光方向依次是所述的扩束器、聚焦透镜、随机相位板和光斑探测器，所述的随机相位板置于所述的二维电动位移台上并垂直于光束的入射方向，该随机相位板位于所述的聚焦透镜的焦点后，在靠近所述的聚焦透镜前设有供待测大口径光学元件放置的机构，所述的光斑探测器输出端与所述的计算机输入端相连，所述的计算机输出端与所述的二维电动位移台控制端相连。

利用所述的测量装置进行二次曝光实现大口径光学元件相位测量方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

①以激光器发出的相干光光束为基准，确定光轴，将随机相位板置于所述的二维电动位移台上，由二维电动位移台控制送入光路中，使随机相位板垂直于光束的入射方向，同时，确保各光学元件与光束垂直且中心保持在光轴上，该随机相位板的相位分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过；

②用直尺测量聚焦透镜到随机相位板的直线距离L₀，聚焦透镜焦点到随机相位板的直线距离L₁，随机相位板到光斑探测器靶面的直线距离L₂；

③计算机控制所述的二维电动位移台的移动，使随机相位板移动至光路中光束全部通过该随机相位板的位置；

④在聚焦透镜前面没有放置待测大口径光学元件时，用光斑探测器记录第一幅散射光斑；

⑤将待测大口径光学元件置于所述的机构上靠近所述的聚焦透镜并与入射光束垂直，用光斑探测器记录第二幅散射光斑；

⑥光斑探测器记录的光斑强度分布分别输入计算机，由计算机利用光斑数据进行待测大口径光学元件的相位处理。

利用计算机对光斑探测器记录的两幅散射光斑，分别迭代计算，迭代过程具体如下：

步骤6.1、给聚焦透镜焦点处光波分布一初始的随机猜测值构造一个光阑，其孔径大小限制函数S₁，初始光阑半径r₁，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以内，则函数S₁取值为1，代表光透过光阑，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以外，则函数S₁取值为0，代表光不能透过光阑，

初始聚焦透镜焦点面上的光波分布为

步骤6.2、第n次传播到随机相位板面上的照明光函数为表示第n次迭代光波focus_n传播距离L₁的过程，n代表第n次迭代；

步骤6.3、在随机相位板面上，随机相位板的分布函数为P,第n次照明光通过随机相位板后的出射波函数为

步骤6.4、第n次光斑探测器靶面上散射光斑的复振幅分布