單脈沖激光動態(tài)焦斑位置測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學領域，涉及一種高能激光系統(tǒng)動態(tài)焦斑位置測量裝置，能夠完成 長焦距、高能量、單脈沖激光系統(tǒng)的動態(tài)焦斑位置檢測，單次測量可實現(xiàn)沿軸與垂軸的焦斑 漂移量檢測。
【背景技術】
[0002] 隨著激光技術的成熟，目前光學領域涌現(xiàn)出了越來越多的大型、復雜、高能激光系 統(tǒng)。高能激光系統(tǒng)的焦斑位置是評估系統(tǒng)光束質量的重要參數(shù)，激光光束的焦斑位置變化 量是系統(tǒng)安裝和調試的重要參考依據。實際應用中由于強激光系統(tǒng)中存在熱畸變（熱應 力引起折射率變化，熱膨脹引起玻璃外形畸變等，最終體現(xiàn)為出射波面畸變），焦斑位置會 隨系統(tǒng)工作時間的加長而發(fā)生大小、方向不確定的變化，為了研宄這種變化，需要找出一種 測量精度高，測量范圍大的實時監(jiān)控技術。對一般光學系統(tǒng)測焦距的方法也可用于測焦斑 位置，如基于幾何光學的滑動節(jié)點法，放大倍率法；基于物理光學的阿莫爾條紋技術，徑向 剪切技術。但是由于高能激光系統(tǒng)中光斑能量極大，幾何方法無法實現(xiàn)如此大動態(tài)范圍測 量，同時無法滿足高精度大測量范圍的動態(tài)監(jiān)控；而物理光學方法雖然可以達到高的測量 精度，但其高能穩(wěn)定性得不到保證。
[0003] 在國內的強激光系統(tǒng)中，應用列陣相機技術對激光遠場角分布測量，遠場測試和 焦斑重構測試取得成功；國外美國LLNL實驗室也成功的將同軸列陣技術Rattle pair用于 強激光焦斑能量分布測試。但是其要求器件的加工和裝配精度高，數(shù)據提取算法也很復雜。

【發(fā)明內容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有測焦斑位置的方法存在測量范圍小、穩(wěn)定性不高的技術問題，本發(fā) 明提供一種基于微透鏡陣列的單脈沖激光動態(tài)焦斑位置測量裝置。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案：
[0006] 單脈沖激光動態(tài)焦斑位置測量裝置，其特殊之處在于：包括待測光學系統(tǒng)、取樣 鏡、標準匯聚透鏡、微透鏡陣列、CCD探測器及殼體，所述待測光學系統(tǒng)提供待測光束；所述 取樣鏡對待測光束進行取樣，得到取樣光束；所述標準匯聚透鏡對取樣光束進行匯聚處理， 得到匯聚光束，傳輸給微透鏡陣列；所述微透鏡陣列用于將匯聚光束進行再次匯聚后成像 在CCD探測器上；所述待取樣鏡、標準匯聚透鏡、微透鏡陣列和CCD探測器按照光路的傳輸 方向依次封裝在殼體內。
[0007] 在低能狀態(tài)下：
[0008] 所述待測光學系統(tǒng)焦距為Fm;
[0009] 所述待測光學系統(tǒng)與取樣鏡之間的距離L1為待測光學系統(tǒng)焦距的一半，L1 = Fm/2；
[0010] 所述取樣鏡與標準匯聚透鏡之間的距離為L2;
[0011] 所述待測光學系統(tǒng)、取樣鏡、標準匯聚透鏡、微透鏡陣列和CCD探測器的位置關系 滿足以下條件：
[0012]
【主權項】
1. 單脈沖激光動態(tài)焦斑位置測量裝置，其特征在于：包括待測光學系統(tǒng)、取樣鏡、標準 匯聚透鏡、微透鏡陣列、CCD探測器及殼體，所述待測光學系統(tǒng)提供待測光束；所述取樣鏡 對待測光束進行取樣，得到取樣光束；所述標準匯聚透鏡對取樣光束進行匯聚處理，得到匯 聚光束，傳輸給微透鏡陣列；所述微透鏡陣列用于將匯聚光束進行再次匯聚后成像在CCD 探測器上；所述取樣鏡、標準匯聚透鏡、微透鏡陣列和CCD探測器按照光路的傳輸方向依次 封裝在殼體內。
2. 根據權利要求1所述的單脈沖激光動態(tài)焦斑位置測量裝置，其特征在于： 在低能狀態(tài)下： 所述待測光學系統(tǒng)焦距為Fm; 所述待測光學系統(tǒng)與取樣鏡之間的距離L1為待測光學系統(tǒng)焦距的一半，L 1= Fm/2 ; 所述取樣鏡與標準匯聚透鏡之間的距離為L2; 所述待測光學系統(tǒng)、取樣鏡、標準匯聚透鏡、微透鏡陣列和CCD探測器的位置關系滿足 以下條件：
其中： F為標準匯聚透鏡的焦距； f為微透鏡陣列中任意單個微透鏡的焦距； a為標準匯聚透鏡與微透鏡陣列的距離； 1為標準匯聚透鏡與取樣光路焦點之間距離，I = Fm/4 ; 1'為標準匯聚透鏡與標準匯聚透鏡對取樣光束的匯聚焦點之間距離； Im標準匯聚透鏡對取樣光束匯聚焦點與微透鏡陣列之間的距離； 1' 微透鏡陣列和C⑶探測器之間的軸向距離； a、1、1'、lm、1' _"均為軸向距離；微透鏡陣列和CXD探測器平行。
3. 單脈沖激光動態(tài)焦斑位置測量方法，其特征在于：包括以下步驟： 1】搭建權利要求1所述的測量裝置： 2】平行光標定： 2. 1】在微透鏡陣列前放置平行光光源； 2. 2】調整微透鏡陣列，使得CCD探測器上形成等距分布的光斑陣列； 3】在低能狀態(tài)下標定： 3. 1】調節(jié)微透鏡陣列和C⑶探測器之間的距離1' "吏CXD探測器上的光斑陣列尺寸最 小，并記錄取樣鏡與標準匯聚透鏡之間的距離為L2，標準匯聚透鏡到微透鏡陣列的距離a， 微透鏡陣列到C⑶探測器之間的距離1' m: 滿足：
3. 2】將記錄的參數(shù)、微透鏡陣列的參數(shù)以及CCD探測器的參數(shù)輸送給計算機； 微透鏡陣列中單個透鏡的焦距f以及尺寸d，CCD探測器的參數(shù)包括像素以及像素尺寸 〇 ; 3. 3】計算機對CCD探測器上光斑陣列尺寸最小時的光斑陣列進行處理，獲取光斑陣列 的質心坐標陣列P，并對質心坐標陣列P進行存儲；
4】高能狀態(tài)下測量： 4. 1】待測光學系統(tǒng)輸入單脈沖高能激光，單脈沖高能激光依次經過取樣鏡、標準匯聚 透鏡、微透鏡陣列，且在CCD探測器呈現(xiàn)實際光斑陣列； 4. 2】計算機對實際光斑陣列進行處理，獲取實際光斑陣列的實際質心坐標P'，并對實 際質心坐標陣列P'進行存儲：
5】步驟3】中獲取的質心坐標陣列P和步驟4】中獲取的實際質心坐標陣列P'進行相 減獲得焦斑質心漂移坐標陣列ΔΡ:
6】計算機根據ΛΡ，進行計算，輸出焦斑的軸向和垂軸漂移量： 6.1】焦斑的垂軸漂移量： 將ΛΡ中（ΛΧ(Ι，Aytl)代入公式（3)，公式（4)得到垂軸漂移量，
6. 2】焦斑的軸向漂移量： 根據 P 中的（Xi, y」），P' 中的（X' i, y' j)，Δ P 中的（Δ Xi, Δ y」），其中 Δ Xi = X' ^Xi，Δ y』 =y' j-y」及公式（6)
)能夠求出每 個微透鏡陣列下的焦斑質心坐標變化對應的待測系統(tǒng)焦點漂移Δ?α，」）： Δ/(/，./) = Δ/," (/，./)/Λ/Γ 將ΛΡ的每個元素帶入公式（6)求解，獲得焦點沿軸漂移矩陣AL :
6. 3】對焦點沿軸漂移矩陣Λ L數(shù)據處理：令k = I i I +1 j I，對k相等的光斑的質心偏移 計算出焦斑漂移量取平均，記作：k = 1，2, 3,. . .，kmax，令sum = Σ k則最終焦點沿軸漂移量 Δ 1為：
【專利摘要】本發(fā)明涉及單脈沖激光動態(tài)焦斑位置測量裝置及測量方法，包括待測光學系統(tǒng)、取樣鏡、標準匯聚透鏡、微透鏡陣列、CCD探測器及殼體，待測光學系統(tǒng)提供待測光束；取樣鏡對待測光束進行取樣，得到取樣光束；標準匯聚透鏡對取樣光束進行匯聚處理，得到匯聚光束，傳輸給微透鏡陣列；微透鏡陣列用于將匯聚光束進行再次匯聚后成像在CCD探測器上；待取樣鏡、標準匯聚透鏡、微透鏡陣列和CCD探測器按照光路的傳輸方向依次封裝在殼體內。本發(fā)明解決了現(xiàn)有測焦斑位置的方法存在測量范圍小、穩(wěn)定性不高的技術問題，整個系統(tǒng)測量精度和范圍可調性強。
【IPC分類】G01M11-00
【公開號】CN104764588
【申請?zhí)枴緾N201510149245
【發(fā)明人】董曉娜, 趙娟寧, 袁索超
【申請人】中國科學院西安光學精密機械研究所
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月31日