一種準直偏轉光束波前測試儀及其測試方法

2023-05-22 04:07:21

專利名稱：：一種準直偏轉光束波前測試儀及其測試方法
技術領域：
：本發明涉及光學領域中準直偏轉光束的波前測量，特別適合於雷射雷達掃描光束的波前測量。
背景技術：
：在科學研究及國防領域經常需要對準直偏轉光束的波前進行高精度的檢測，如測試準直光束通過偏轉器件(閃耀光柵等)後的波前，測試雷射雷達掃描光束的波前等。這裡波前是指光束在考察面上的相位分布。根據波前測試的結果可以診斷出光束質量，從而判斷光學系統的性能好壞。這在雷射雷達系統中尤其重要，若雷射雷達的掃描光束在近區光束質量不好會對其遠區(lkm外)的光斑分布產生極大的影響，可使得光斑能量分散，導致雷射雷達探測或是打擊目標的能力下降，所以雷射雷達掃描光束質量的精確控制成為影響其功能實現的一個重要因素。而要實現這點，就必須獲得掃描光束在雷射雷達光束偏轉裝置後表面上的波前分布，用以診斷光束質量及作為改善光束偏轉裝置參數的依據。現有的波前測試技術主要有四類由光束波前的斜率來反演波前，如哈特曼_夏克(Hartmann-Shack)波前傳感器；由光束波前的曲率來反演波前，如曲率波前傳感器；由光束的聚焦光斑來反演波前，如線性相位波前傳感器；由光束產生的幹涉條紋來反演波前，如斐索幹涉法、泰曼_格林幹涉法、剪切幹涉儀等。在這些測試技術中哈特曼_夏克波前傳感器的空間解析度不高，反演出的波前相位只能反應大致的分布狀況，對細節部分不能精確反應；曲率波前傳感器同樣波前重構的精度較低；線性相位波前傳感器僅在待測波前畸變較小時適用，動態範圍小；斐索幹涉儀、泰曼-格林幹涉儀等雙光束幹涉儀測試精度高但需要在測試時一直引入參考平面波，所以穩定性不高，對測試裝置的防震性能提出了較高要求；剪切幹涉儀測試精度高且用被檢波面本身錯位後形成的兩個波面發生幹涉，不需另外引入參考波，所以光路防震效果好，系統穩定。剪切幹涉儀有橫向和徑向兩種。橫向剪切幹涉法是使用空間上錯位的兩波面產生幹涉，其缺點是需要採集多幅剪切幹涉圖來反演待測波前，測試非常不方便。徑向剪切幹涉儀採用徑向上錯位的兩波面產生幹涉，只需一幅條紋圖，即可反演出待測波前分布，測試快捷、方便。以上這些測試技術都不能直接對準直偏轉光束的波前進行測量。需要測試準直偏轉光束波前時，必須移動測試儀器使儀器的光軸方向與偏轉光束的傳播方向一致，對不同偏轉角度的光束，測試儀器就要移動到不同的位置才能進行測量。這樣非常不方便，而且移動過程可能會導致光學系統中元件的位置發生微小變化，從而影響測試精度。
發明內容本發明的目的是解決上述已有技術測試準直偏轉光束波前的困難，提供一種方便、快捷、高精度的便於測試準直偏轉光束波前的測試儀。本發明的技術解決方案如下本測試儀是由光束變向裝置和剪切幹涉光路組成(見圖1)。光束變向裝置的作用是改變入射偏轉光束的傳播方向，使得不同偏轉方向的入射光束都能沿同一方向射出；剪切於涉光路的作用是產生剪切幹涉條紋，由幹涉條紋圖可以計算出入射偏轉光束的波前。光束變向裝置由一個平面反射鏡1和一個計算機控制的電動組合旋轉平移臺構成。該組合臺由一個旋轉臺A固定在一個一維平移臺B上構成，並與計算機C相連。反射鏡1垂直固定在旋轉臺A上，其豎直方向的中心線與旋轉臺A轉軸的中心0重合(圖2(a))，且其反射鏡面與平移臺B的移動方向成45。角(圖2(b))。光束變向過程可參見圖3，入射光由入光口進入，根據待測光束的形狀入光口可以為方形、圓形或其他對稱形狀的光闌，入光口中心的垂線(在圖中用虛線表示)經過反射鏡l初始位置的中心。當已知偏轉角度的偏轉光束入射到反射鏡l上時(這裡以偏轉方向在入光口中心垂線右邊的光束為例)，根據待測光束的偏轉角度在控制計算機C上輸入組合臺的旋轉度和平移量，操作組合臺的控制軟體使得組合臺按設定的參數動作，帶動反射鏡l發生旋轉(逆時針旋轉)、平移(向入光口方向平移)，從而改變入射光的傳播方向，使光束的傳播方向改變為垂直於平移臺B的平移方向，且其延長線通過反射鏡1初始位置的中心。當偏轉光束的偏轉方向與圖中所示相反(即偏轉方向在入光口中心垂線左邊)時，反射鏡1的旋轉、平移方向也與圖中所示相反。設d為入光口中心到反射鏡l初始位置中心的距離，a為入射光束與平移臺B平移方向所成夾角，P為反射鏡1的旋轉角度，Ad為反射鏡1的平移距離，則反射鏡1的旋轉角度和平移距離可由下式算出P=a/2(1)Ad=dXtgaXctg(45。_a/2)(2)只要確定了入光口中心到反射鏡1初始位置中心的距離，就可方便的得出不同偏轉角度光束入射時反射鏡1的旋轉和平移量。該光束變向裝置可以校正水平方向±90°範圍內的偏轉光束的傳播方向。剪切幹涉光路選用現有的結構比較對稱的四邊形光路，這種結構調節起來比較方便。如圖4所示，光路由一個分束稜鏡7，三片平面反射鏡(反射鏡4、反射鏡5、反射鏡6)，兩片雙膠合透鏡(雙膠合透鏡2、雙膠合透鏡3)，及一個面陣CCD相機8構成。分束稜鏡7及反射鏡4、反射鏡5、反射鏡6位於四邊形的頂角。其中，分束稜鏡7可在水平方向旋轉，其初始位置為分光面與水平方向成45。角，分束稜鏡7的分束比要能使得到的幹涉條紋對比度鮮明。反射鏡4、反射鏡6的反射面與水平方向成45。角，反射鏡5的反射面與水平方向成135°角。雙膠合透鏡3和雙膠合透鏡2的焦距比應大於1，分別位於四邊形相對的兩條邊(任意一對邊都可)，且共焦。各光學器件共軸。面陣CCD相機8位於分束稜鏡7後面，水平放置，其輸出端與帶有剪切幹涉條紋處理軟體的計算機C相連(與組合臺的控制計算機為同一臺)。各光學器件應儘量緊湊排列。由光束變向裝置出射的變向光束被分束稜鏡7分成兩路，反射光(用虛線表示)經雙膠合透鏡2後由反射鏡4和反射鏡5反射，射入雙膠合透鏡3得到擴束光束，再經反射鏡6和分束稜鏡7反射射出；透射光(用實線表示)經反射鏡6射入雙膠合透鏡3，再由反射鏡5和反射鏡4反射進雙膠合透鏡2得到縮束光束，從分束稜鏡7透射而出，擴束光束和縮束光束空中重疊產生幹涉條紋，由面陣CCD相機8採集幹涉圖樣送入計算機C進行處理。本光路中，雙膠合透鏡2和雙膠合透鏡3也可交換位置，總之使得反射光和透射光都沿四邊形光路循環一周再由分束稜鏡7射出。為提高測試精度，消除光學系統誤差，本發明採用測試前先採集一幅參考條紋圖的方法(由參考平面波入射產生)，把待測光束產生的條紋圖與參考條紋圖進行比較，從而去掉系統誤差。光束變向裝置位於剪切幹涉光路之前，且變向後光束中心線與剪切幹涉光路的光軸方向重合，如圖5所示。不同偏轉角度的光束入射後，經過光束變向裝置改變傳輸方向後都會沿著剪切幹涉光路的光軸方向傳播，這樣就方便於對各種偏轉光束進行測試。為保證測試精度，入光口、反射鏡1及剪切幹涉光路應儘量靠近。本測試儀的使用步驟如下1.用一束擴束準直後的雷射作為參考平面波入射，從入光口入射到反射鏡1的中心處，調節剪切幹涉光路中的分束稜鏡7，使之在水平方向轉動一個微小的角度，能在面陣CCD相機8上觀察到疏密合適的豎條紋即可(此時分束稜鏡7的位置可以在以後的測試中固定下來)，這相當於把幹涉條紋調製到載波上。採集此條紋作為參考條紋圖。2.待測光束也從入光口射入，根據待測光束的偏轉角度在控制計算機C上輸入組合臺的旋轉度和平移量(由公式1、2得到)，操作組合臺的控制軟體使得組合臺按設定的參數動作，帶動反射鏡1旋轉、平移，把光束的傳播方向變為剪切幹涉光路的光軸方向，用面陣CCD相機8採集得到的幹涉條紋作為畸變條紋圖。3.由參考條紋圖中心處大小等於待測偏轉光束在垂直於傳播方向上光束尺寸的區域和畸變條紋圖計算出偏轉光束在入光口處的波前相位分布。若需要連續測試不同偏轉方向的光束，只需在計算機C上預先設定好對應於各偏轉光束的組合臺的動作量，並根據條紋處理算法的計算時間設置兩次測試的間隔時間即可。在測試時，只需測一次參考條紋，每次取中心不同面積的條紋進行計算。本發明改進了現有的四邊形徑向剪切幹涉儀，增加了一個改變偏轉光束傳播方向的裝置，使之能夠方便、快速的測試準直偏轉光束的波前，解決了現有的儀器不能直接測試準直偏轉光束波前這一困難。由於本發明中的剪切幹涉光路是固定不動的，所以系統穩定性好，測試精度高。同時，由於本發明引入參考條紋圖來消除系統誤差的影響，所以對光學器件的面型精度沒有太高要求，可以節約研製成本。圖1為準直偏轉光束波前測試儀的組成框圖。圖2(a)為光束變向裝置主視圖。其中l-反射鏡，A-旋轉臺，B-—維平移臺，O-軸心，c-計算機圖2(b)為光束變向裝置俯視圖。其中l-反射鏡，A-旋轉臺，B-—維平移臺，O-軸心圖3為光束變向過程示意圖。圖4為剪切幹涉光路結構圖。其中2、3-雙膠合透鏡，4、5、6-反射鏡，7-分束稜鏡，8-面陣CCD相機圖5為光束變向裝置和剪切幹涉光路的位置擺放示意圖，圖中略去組合臺。圖6為計算機模擬產生的待測準直偏轉光束在入光口處的原始波前相位分布。5圖7(a)為參考條紋圖中心9.9985mmX9.9985mm的區域。圖7(b)為畸變條紋圖。圖8為重構出的待測光束在入光口處的波前相位分布。圖9為重構波前與原始波前的誤差分布。具體實施例方式對一個工作口徑10mmX10mm，工作波長632.8nm的準直偏轉光束測試儀，各器件參數如下tableseeoriginaldocumentpage6器件主要參數一維平移臺B平移行程30mm，解析度0.625iim入光口到反射鏡1中心的距離為200mm，待測光束為一個經過準直的大小10mmX10mm、波長632.8nm、偏轉方向向右1°(參照圖3)有一定相位畸變的方光束，測試步驟如下1.用方光闌取擴束準直後的氦氖雷射中心處lOmmxlOmm的光束，使之入射到反射鏡1的中心，把分束稜鏡旋7轉到合適的位置，用面陣CCD相機8採集光束通過剪切幹涉光路後產生的幹涉條紋，作為參考條紋圖。2.加入待測偏轉光束，控制電動組合臺使反射鏡1逆時針旋轉0.5。，向前平移1.7761mm，把光束的傳播方向變到剪切幹涉光路的光軸方向，用面陣CCD相機8採集產生的條紋作為畸變條紋圖。3.由參考條紋圖中心9.9985mmX9.9985mm的區域和畸變條紋圖計算出偏轉光束在入光口(即方光闌)處的波前相位分布。計算機模擬產生的待測準直偏轉光束在入光口處的原始波前相位分布見圖6，計算機模擬產生的此待測光束經本測試儀後生成的參考條紋圖中心9.9985mmX9.9985mm的區域和畸變條紋圖見圖7(a)和圖7(b)，由圖7(a)和圖7(b)重構出的待測光束在入光口處的波前相位分布見圖8，可以看出與原始波前相位分布基本相同，僅相位的絕對值不同，重構波前與原始波前的誤差分布見圖9，誤差的均方根值為0.0091Ji，峰谷值為0.0386ji，重構精度較高。經試用證明，本發明結構簡單，成本較低，測試精度高，適合於準直偏轉光束的波前測試。權利要求一種準直偏轉光束波前測試儀，其特徵在於該測試儀是由光束變向裝置和剪切幹涉光路組成，光束變向裝置位於剪切幹涉光路前的位置，且變向後光束中心線與剪切幹涉光路的光軸方向重合，變向裝置是由一個反射鏡(1)和一個由計算機控制的電動組合旋轉平移臺構成。2.根據權利要求1所述的準直偏轉光束波前測試儀，其特徵在於電動組合旋轉平移臺由旋轉臺(A)固定在一個一維平移臺(B)上構成，並與計算機(C)相連，反射鏡(1)垂直固定在旋轉臺(A)上，其豎直方向的中心線與旋轉臺轉軸的中心線重合，且其反射鏡面與一維平移臺(B)的移動方向成45。角。3.—種準直偏轉光束波前的測試方法，其特徵在於包括以下步驟①用一束擴束準直後的雷射作為參考平面波入射，從入光口入射到反射鏡(1)的中心處，調節剪切幹涉光路中的分束稜鏡(7)，使之在水平方向轉動一個微小的角度，能在面陣CCD相機(8)上觀察到疏密合適的豎條紋，以此條紋作為測試的參考條紋圖；②待測光束也從上述的入光口射入，根據待測光束的偏轉角度在控制計算機(C)上輸入組合臺的旋轉度和平移量，操作組合臺的控制軟體使得組合臺按設定的參數動作，帶動反射鏡(1)旋轉、平移，把光束的傳播方向變為剪切幹涉光路的光軸方向，用面陣CCD相機(8)採集得到的幹涉條紋作為畸變條紋圖；③由參考條紋圖中心處大小等於待測偏轉光束在垂直於傳播方向上光束尺寸的區域和畸變條紋圖，根據條紋處理算法計算出偏轉光束在入光口處的波前分布。全文摘要一種準直偏轉光束波前測試儀及其測試方法，涉及光學領域中準直偏轉光束的波前測量。測試儀由光束變向裝置和剪切幹涉光路組成，光束變向裝置由一個反射鏡和一個計算機控制的電動組合臺構成。測量時用一束準直雷射通過本測試儀產生的條紋作為參考條紋圖，再根據待測光束的偏轉角度通過計算機設定組合臺的動作參數，控制反射鏡旋轉、平移，使光束傳播方向改變為垂直於組合臺的平移方向，測出畸變條紋圖，根據條紋處理算法計算出偏轉光束在入光口處的波前分布。本發明在現有四邊形結構徑向剪切幹涉儀的基礎上增加了一個改變偏轉光束傳播方向的裝置，能夠方便、快捷的測試準直偏轉光束的波前，解決了現有儀器不能直接測試準直偏轉光束波前這一困難。文檔編號G01M11/02GK101718619SQ20091021663公開日2010年6月2日申請日期2009年12月8日優先權日2009年12月8日發明者馮勝,劉藝,吳健,鄭春豔申請人:電子科技大學