单脉冲激光动态焦斑位置测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学领域，涉及一种高能激光系统动态焦斑位置测量装置，能够完成 长焦距、高能量、单脉冲激光系统的动态焦斑位置检测，单次测量可实现沿轴与垂轴的焦斑 漂移量检测。
【背景技术】
[0002] 随着激光技术的成熟，目前光学领域涌现出了越来越多的大型、复杂、高能激光系 统。高能激光系统的焦斑位置是评估系统光束质量的重要参数，激光光束的焦斑位置变化 量是系统安装和调试的重要参考依据。实际应用中由于强激光系统中存在热畸变（热应 力引起折射率变化，热膨胀引起玻璃外形畸变等，最终体现为出射波面畸变），焦斑位置会 随系统工作时间的加长而发生大小、方向不确定的变化，为了研宄这种变化，需要找出一种 测量精度高，测量范围大的实时监控技术。对一般光学系统测焦距的方法也可用于测焦斑 位置，如基于几何光学的滑动节点法，放大倍率法；基于物理光学的阿莫尔条纹技术，径向 剪切技术。但是由于高能激光系统中光斑能量极大，几何方法无法实现如此大动态范围测 量，同时无法满足高精度大测量范围的动态监控；而物理光学方法虽然可以达到高的测量 精度，但其高能稳定性得不到保证。
[0003] 在国内的强激光系统中，应用列阵相机技术对激光远场角分布测量，远场测试和 焦斑重构测试取得成功；国外美国LLNL实验室也成功的将同轴列阵技术Rattle pair用于 强激光焦斑能量分布测试。但是其要求器件的加工和装配精度高，数据提取算法也很复杂。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有测焦斑位置的方法存在测量范围小、稳定性不高的技术问题，本发 明提供一种基于微透镜阵列的单脉冲激光动态焦斑位置测量装置。
[0005] 本发明的技术解决方案：
[0006] 单脉冲激光动态焦斑位置测量装置，其特殊之处在于：包括待测光学系统、取样 镜、标准汇聚透镜、微透镜阵列、CCD探测器及壳体，所述待测光学系统提供待测光束；所述 取样镜对待测光束进行取样，得到取样光束；所述标准汇聚透镜对取样光束进行汇聚处理， 得到汇聚光束，传输给微透镜阵列；所述微透镜阵列用于将汇聚光束进行再次汇聚后成像 在CCD探测器上；所述待取样镜、标准汇聚透镜、微透镜阵列和CCD探测器按照光路的传输 方向依次封装在壳体内。
[0007] 在低能状态下：
[0008] 所述待测光学系统焦距为Fm;
[0009] 所述待测光学系统与取样镜之间的距离L1为待测光学系统焦距的一半，L1 = Fm/2；
[0010] 所述取样镜与标准汇聚透镜之间的距离为L2;
[0011] 所述待测光学系统、取样镜、标准汇聚透镜、微透镜阵列和CCD探测器的位置关系 满足以下条件：
[0012]
【主权项】
1. 单脉冲激光动态焦斑位置测量装置，其特征在于：包括待测光学系统、取样镜、标准 汇聚透镜、微透镜阵列、CCD探测器及壳体，所述待测光学系统提供待测光束；所述取样镜 对待测光束进行取样，得到取样光束；所述标准汇聚透镜对取样光束进行汇聚处理，得到汇 聚光束，传输给微透镜阵列；所述微透镜阵列用于将汇聚光束进行再次汇聚后成像在CCD 探测器上；所述取样镜、标准汇聚透镜、微透镜阵列和CCD探测器按照光路的传输方向依次 封装在壳体内。
2. 根据权利要求1所述的单脉冲激光动态焦斑位置测量装置，其特征在于： 在低能状态下： 所述待测光学系统焦距为Fm; 所述待测光学系统与取样镜之间的距离L1为待测光学系统焦距的一半，L 1= Fm/2 ; 所述取样镜与标准汇聚透镜之间的距离为L2; 所述待测光学系统、取样镜、标准汇聚透镜、微透镜阵列和CCD探测器的位置关系满足 以下条件：
其中： F为标准汇聚透镜的焦距； f为微透镜阵列中任意单个微透镜的焦距； a为标准汇聚透镜与微透镜阵列的距离； 1为标准汇聚透镜与取样光路焦点之间距离，I = Fm/4 ; 1'为标准汇聚透镜与标准汇聚透镜对取样光束的汇聚焦点之间距离； Im标准汇聚透镜对取样光束汇聚焦点与微透镜阵列之间的距离； 1' 微透镜阵列和C⑶探测器之间的轴向距离； a、1、1'、lm、1' _"均为轴向距离；微透镜阵列和CXD探测器平行。
3. 单脉冲激光动态焦斑位置测量方法，其特征在于：包括以下步骤： 1】搭建权利要求1所述的测量装置： 2】平行光标定： 2. 1】在微透镜阵列前放置平行光光源； 2. 2】调整微透镜阵列，使得CCD探测器上形成等距分布的光斑阵列； 3】在低能状态下标定： 3. 1】调节微透镜阵列和C⑶探测器之间的距离1' "吏CXD探测器上的光斑阵列尺寸最 小，并记录取样镜与标准汇聚透镜之间的距离为L2，标准汇聚透镜到微透镜阵列的距离a， 微透镜阵列到C⑶探测器之间的距离1' m: 满足：
3. 2】将记录的参数、微透镜阵列的参数以及CCD探测器的参数输送给计算机； 微透镜阵列中单个透镜的焦距f以及尺寸d，CCD探测器的参数包括像素以及像素尺寸 〇 ; 3. 3】计算机对CCD探测器上光斑阵列尺寸最小时的光斑阵列进行处理，获取光斑阵列 的质心坐标阵列P，并对质心坐标阵列P进行存储；
4】高能状态下测量： 4. 1】待测光学系统输入单脉冲高能激光，单脉冲高能激光依次经过取样镜、标准汇聚 透镜、微透镜阵列，且在CCD探测器呈现实际光斑阵列； 4. 2】计算机对实际光斑阵列进行处理，获取实际光斑阵列的实际质心坐标P'，并对实 际质心坐标阵列P'进行存储：
5】步骤3】中获取的质心坐标阵列P和步骤4】中获取的实际质心坐标阵列P'进行相 减获得焦斑质心漂移坐标阵列ΔΡ:
6】计算机根据ΛΡ，进行计算，输出焦斑的轴向和垂轴漂移量： 6.1】焦斑的垂轴漂移量： 将ΛΡ中（ΛΧ(Ι，Aytl)代入公式（3)，公式（4)得到垂轴漂移量，
6. 2】焦斑的轴向漂移量： 根据 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)
)能够求出每 个微透镜阵列下的焦斑质心坐标变化对应的待测系统焦点漂移Δ?α，」）： Δ/(/，./) = Δ/," (/，./)/Λ/Γ 将ΛΡ的每个元素带入公式（6)求解，获得焦点沿轴漂移矩阵AL :
6. 3】对焦点沿轴漂移矩阵Λ L数据处理：令k = I i I +1 j I，对k相等的光斑的质心偏移 计算出焦斑漂移量取平均，记作：k = 1，2, 3,. . .，kmax，令sum = Σ k则最终焦点沿轴漂移量 Δ 1为：
【专利摘要】本发明涉及单脉冲激光动态焦斑位置测量装置及测量方法，包括待测光学系统、取样镜、标准汇聚透镜、微透镜阵列、CCD探测器及壳体，待测光学系统提供待测光束；取样镜对待测光束进行取样，得到取样光束；标准汇聚透镜对取样光束进行汇聚处理，得到汇聚光束，传输给微透镜阵列；微透镜阵列用于将汇聚光束进行再次汇聚后成像在CCD探测器上；待取样镜、标准汇聚透镜、微透镜阵列和CCD探测器按照光路的传输方向依次封装在壳体内。本发明解决了现有测焦斑位置的方法存在测量范围小、稳定性不高的技术问题，整个系统测量精度和范围可调性强。
【IPC分类】G01M11-00
【公开号】CN104764588
【申请号】CN201510149245
【发明人】董晓娜, 赵娟宁, 袁索超
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月31日