一种用于低阶像差测量的大量程波前探测装置

摘要

本发明公开了一种可用于低阶像差测量的大量程波前探测装置，目的是提供一种可对高功率激光系统中存在的离焦和像散等低阶像差实现快速地准确测量的波前探测装置，本发明由六孔光阑、六个缩束聚焦透镜组和六个位置灵敏探测器安装在固定支架上组成；六孔光阑垂直置于六个缩束聚焦透镜组的正前方，且六个圆孔分别与六个缩束聚焦透镜组保持圆心同轴关系，六个缩束聚焦透镜组的轴线相互平行，六个位置灵敏探测器与六个缩束聚焦透镜组保持一一对应的同轴关系。本发明可实现精度较高且快速的大量程低阶像差测量，为提高高功率激光系统的光学性能提供了技术保障。

说明书

技术领域

本发明属于高功率激光器自适应光学领域，涉及一种高功率激光系统光学性能参数的探测装置。

背景技术

对于高功率激光系统而言，激光腔镜、激光反射镜、分光镜等光学器件在高功率激光辐照下会发生元件热变形，由此导致的热效应像差则严重降低了激光的远场光束质量。为了提高高功率激光系统的光学性能，一般采取自适应光学方法对热效应像差进行校正，像差探测则是能够实施有效地像差校正过程的极为重要一环。高功率激光系统中的热效应像差主要以低阶像差为主，如离焦和像散等,在时间上和在空间上的分辨率均较低，且像差值一般在几十至上百个波长范围。

目前，在高功率激光系统中使用较为广泛的波前探测装置为哈特曼波前传感器，该器件主要部件包括微透镜阵列和CCD相机，其关键技术在于通过采用CCD相机来测量经微透镜阵列聚焦后的小孔衍射像的中心位置，具有空间分辨率高和响应速率快的特点，广泛用于热晕或大气湍流等导致的像差探测，而另一方面，由于微透镜要求加工精度高、透镜阵列平行度校准困难、透镜阵列几何尺寸小等问题使得其成本较高，操作性差，特别是由于微透镜整列焦距短、单元尺寸小使得哈特曼波前传感器的可探测量程较小，一般在十个波长范围以内，无法满足高功率激光系统中低阶像差的大量程探测需求，该问题也成为了制约高功率激光系统光学性能提高的关键问题之一，由此设计针对低阶像差测量的波前探测装置是本领域技术人员极为关注的技术问题，目前还没有可用于大量程低阶像差测量的波前探测装置的相关技术资料公布。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可用于大量程低阶像差测量的波前探测装置，本发明可对高功率激光系统中存在的离焦和像散等低阶像差实现快速地准确测量。

本发明由六孔光阑、六个缩束聚焦透镜组和六个位置灵敏探测器三大部分组成，这三部分组成了发明的光学探测单元。各部分通过固定支架进行安装固定，必要时可使用外镜筒进行封装，外镜筒的结构和尺寸可根据使用场地灵活设计，无特殊要求。六孔光阑垂直置于六个缩束聚焦透镜组的正前方(入射光的正入射方向)，且使六个圆孔分别与六个缩束聚焦透镜组保持圆心同轴关系，六个缩束聚焦透镜组的轴线相互平行，六个位置灵敏探测器与六个缩 束聚焦透镜组保持一一对应的同轴关系(即每个位置灵敏探测器均与其相对应的缩束聚焦透镜组同轴)，并分别置于各个缩束聚焦透镜组的焦平面处，精调各位置灵敏探测器的位置与倾斜，使得六个位置灵敏探测器的输出电压均为0，六孔光阑、六个缩束聚焦透镜组和六个位置灵敏探测器均直接安装在固定支架上，保证六孔光阑、六个缩束聚焦透镜组和六个位置灵敏探测器在安装校准之后能够保持相对位置关系。

六孔光阑各圆孔圆心分别位于一个正六边形的六个顶点，且圆孔尺寸相同，光阑直径为D₁，圆孔直径为d₁，正六边形边长为L₁，光阑厚度无定量要求，以不影响光路传输为宜。对于直径为D₀的入射光束而言，六孔光阑尺寸必须满足以下条件：1)0.8D₀≤D₁≤D₀；2)L₁+d₁/2≤D₁/2；3)L₁/2≤d₁＜L₁。

六个缩束聚焦透镜组材料和结构均相同，均由三块材料为K9玻璃的透镜组成，并使用内镜筒进行封装，封装后整体长度为L₂。缩束聚焦透镜组按光学结构可以划分成两个部分：(1)前镜组：前镜组由一面凸透镜和第一凹透镜组成，凸透镜和第一凹透镜保持同轴，直径相同均为D₂，需满足条件D₂≥d₁；(2)后透镜：后透镜为第二凹透镜，其出射表面为平面，其直径大小为d₂，满足条件d₂≤d₁。安装时，首先利用Zemax光学设计软件对凸透镜、第一凹透镜、第二凹透镜的前后表面曲率半径和厚度进行几何结构设计和参数优化，对于波长为λ的入射光，必须满足条件：缩束聚焦透镜组系统光学像差Φ<λ/4，并且能够实现缩束聚焦透镜组的等效焦距为f的光学聚焦功能，等效焦距f需满足设计条件f<11L₂。最后，凸透镜、第一凹透镜、第二凹透镜根据结构设计进行定制加工，安装时缩束聚焦透镜组可利用Zigo干涉仪进行装调，保证缩束聚焦透镜组的光学像差和等效焦距满足设计要求，即Φ<λ/4和f<11L₂。

六个位置灵敏探测器均是两底面为正方形的长方体，长方体两底面边长为L₆，六个位置灵敏探测器的光敏面大小均为L₃×L₃，主要技术指标为：L₆≥L₃≥d₂，测量精度为1um，可探测中心波长为λ。使用时，六个位置灵敏探测器分别利用四个六角螺丝安装在固定支架上，并保证六个位置灵敏探测器与对应六个缩束聚焦透镜组的一一对应关系，能够实现对六束聚焦光束的焦点位移测量。

如图1所示，本发明由六孔光阑、缩束聚焦透镜组和位置灵敏探测器三大部件组成，使用时，调节位置灵敏探测器的相对位移和二维偏转，使高功率激光光束通过六孔光阑后分成六束子光束，六路子光束分别通过六个缩束聚焦透镜组聚焦在六个位置灵敏探测器上，六个位置灵敏探测器分别测量六路光束的焦点相对于定标原点(即为位置灵敏探测器的探测面中心位置)在水平和竖直方向的斜率数据。在利用位置灵敏探测器测量到斜率数据之后，则使用两组线性矩阵方程进行计算，快速地得到高功率激光束各低阶像差系数的大小，实现范围 为0.1λ～50λ的大量程低阶像差探测，使用到的矩阵方程如下：

$\left(\begin{array}{c}{S}_{x_a}\\ S_{x_b}\\ S_{x_c}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 2x_a& y_a\\ 1& 2x_b& y_b\\ 1& 2x_c& y_c\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_1\\ A_3\\ A_4\end{array}\right)$  公式一

$\left(\begin{array}{c}{S}_{y_a}\\ S_{y_b}\\ S_{y_c}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& x_a& 2y_a\\ 1& x_b& 2y_b\\ 1& x_c& 2y_c\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_2\\ A_4\\ A_5\end{array}\right)$  公式二

在上式中(x_a，y_a)、(x_b，y_b)、(x_c，y_c)、和均为已知量，A₃、A₄和A₅为未知量。取六孔光阑的几何中心为坐标原点，(x_a，y_a)、(x_b，y_b)和(x_c，y_c)分别为六孔光阑中任意三个圆孔圆心的相对坐标，和为相应的位置灵敏探测器测量的斜率数据，A₃、A₄和A₅分别为高功率激光束的三项低阶像差系数。

本发明针对当前高功率激光系统中热效应像差中的低阶像差值较大的特点，设计了一种可用于低阶像差测量的大量程波前探测装置，利用装置中的六组光学探测单元(即六孔光阑+六个缩束聚焦透镜组+六个位置灵敏探测器)可实现精度较高且快速的大量程低阶像差测量，为提高高功率激光系统的光学性能提供了技术保障。

采用本发明可以达到以下技术效果：

本发明装置能够实现对高功率激光系统的大量程低阶像差探测，具有投入资金较少、结构简单、易于携带等特点，有较高的准确度和抗干扰能力，在提高高功率激光系统的光学性能等方面具有重要的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明中轴剖视图。

图2为本发明前视图。

图3为本发明后视图

图4为本发明中六孔光阑结构图。

图5为本发明中缩束聚焦透镜组光路示意图。

具体实施方式

图1为本发明中轴剖视图。本发明由六孔光阑1、六个缩束聚焦透镜组2和六个位置灵敏探测器3三大部分组成，这三部分组成了本发明的光学探测单元。各部分通过固定支架4进行安装固定，必要时可使用外镜筒5进行封装，外镜筒5的结构和尺寸可根据使用场地灵 活设计，无特殊要求。六孔光阑1垂直置于六个缩束聚焦透镜组2的正前方(入射光的正入射方向)，且使六个圆孔分别与六个缩束聚焦透镜组2保持圆心同轴关系，六个缩束聚焦透镜组2的轴线相互平行，六个位置灵敏探测器3与六个缩束聚焦透镜组2保持一一对应的同轴关系(即每个位置灵敏探测器3均与其相对应的缩束聚焦透镜组2同轴)，并分别置于各个缩束聚焦透镜组2的焦平面处，精调各位置灵敏探测器3的位置与倾斜，使得六个位置灵敏探测器3的输出电压均为0，六孔光阑1、六个缩束聚焦透镜组2和六个位置灵敏探测3均直接安装在固定支架4上，保证六孔光阑1、六个缩束聚焦透镜组2和六个位置灵敏探测器3在安装校准之后能够保持相对位置关系。

图2为本发明前视图。六孔光阑1垂直置于六个缩束聚焦透镜组2的正前方(入射光的正入射方向)，且使六个圆孔分别与六个缩束聚焦透镜组2保持圆心同轴关系，六个缩束聚焦透镜组2的轴线相互平行。

图3为本发明后视图。六个位置灵敏探测器3均是两底面为正方形的长方体，长方体两底面边长为L₆，六个位置灵敏探测器3的光敏面大小均为L₃×L₃，主要技术指标为：L₆≥L₃≥d₂，测量精度为1um，可探测中心波长为λ。使用时，六个位置灵敏探测器3分别利用四个六角螺丝安装在固定支架4上，并保证六个位置灵敏探测器3与对应六个缩束聚焦透镜组2的一一对应关系，能够实现对六束聚焦光束的焦点位移测量。

图4为本发明中六孔光阑结构图。六孔光阑1各圆孔圆心分别位于一个正六边形的六个顶点，且圆孔尺寸相同，光阑直径为D₁，圆孔直径为d₁，正六边形边长为L₁，光阑厚度无定量要求，以不影响光路传输为宜。对于直径为D₀的入射光束而言，六孔光阑尺寸必须满足以下条件：1)0.8D₀≤D₁≤D₀；2)L₁+d₁/2≤D₁/2；3)L₁/2≤d₁＜L₁。

图5为本发明中缩束聚焦透镜组光路示意图。六个缩束聚焦透镜组2材料和结构均相同，均由三块材料为K9玻璃的透镜组成，并使用内镜筒10进行封装，封装后整体长度为L₂。缩束聚焦透镜组2按光学结构可以划分成两个部分：(1)前镜组：前镜组由一面凸透镜7和第一凹透镜8组成，凸透镜7和第一凹透镜8保持同轴，直径相同均为D₂，需满足条件D₂≥d₁；(2)后透镜：后透镜为第二凹透镜9，其出射表面为平面，其直径大小为d₂，满足条件d₂≤d₁。安装时，首先利用Zemax光学设计软件对凸透镜7、第一凹透8、第二凹透镜9的前后表面曲率半径和厚度进行几何结构设计和参数优化，对于波长为λ的入射光，必须满足条件：缩束聚焦透镜组2系统光学像差Φ<λ/4，并且能够实现缩束聚焦透镜组2的等效焦距为f的光学聚焦功能，等效焦距f需满足设计条件f<11L₂。最后，凸透镜7、第一凹透镜8、第二凹透镜9根据结构设计进行定制加工，安装时缩束聚焦透镜组2可利用Zigo干涉仪进行装调， 保证缩束聚焦透镜组2的光学像差和等效焦距满足设计要求，即Φ<λ/4和f<11L₂。