本发明涉及激光测量领域，具体涉及一种基于四波横向剪切干涉的激光光束质量动态测量装置。
背景技术：
高功率双包层光纤激光器作为一种新型固体激光器，具有效率高、光束质量好、易于散热、结构紧凑等优点，与传统的气体和固体激光器相比优势明显，在工业、国防、空间等领域具有非常重要的应用价值。在光纤激光器设计及应用领域，光束质量都是衡量激光光束优劣的一项重要参数。光束质量因子m2由于同时涵盖了激光近场与远场特性，其作为表征激光光束质量的指标，近年来已被国际光学界所公认，并由国际标准化组织（iso）予以推荐。
由于高功率光纤激光器以双包层光纤作为增益及传能介质，其光纤内部的光场分布以及光纤热平衡机理较为复杂，由此引发的模式不稳定和模式转化等现象会直接导致输出激光的光束质量的动态变化。同时，随着高功率单模光纤激光器发展，其功率进一步提升，某些芯径的光纤已经开始产生非线性效应，而这些非线性效应也会对输出激光的光束质量产生影响。为了分析高功率光纤激光器输出激光的变化机理，如何准确又实时的检测其光束质量因子已经成为当今研究的热门课题。
剪切干涉测量是将待测波前和其自身的一个微小平移进行干涉的测量技术。由于剪切干涉测量不需要参考波前、采用共光路系统、可抵抗外界扰动影响、对照明光源的相干性和干涉装置平台的稳定性要求低等特点，既能保证较高的波前检测精度，又能获得较高的空间分辨率，该方法在许多波前检测中显示出独特的优势。利用四波横向剪切干涉仪复原待测激光复振幅主要是通过对单一干涉图的处理，进而获得待测激光的波前与光强分布。在过去的50多年里，诸多学者针对横向剪切干涉的波前重构问题进行了深入的研究，提出了一系列波前重构算法，按重构思想可分为区域波前重构算法和模式波前重构算法。基于现有的差分相位提取及波前重构算法，在载频干涉条纹锐度较好的情况下可以较好的复原出待测光的波前信息，而在干涉条纹锐度较差（一般认为小于0.1）时，利用该区域内的干涉条纹很难复原出该区域内的相位信息。而对于测量激光在某一位置复振幅信息然后利用衍射理论求取光束质量因子的方法，若复振幅被边缘相位复原误差较大或只取波前复原较好的区域进行计算，均会使得仿真计算出的光束质量因子偏大，进而导致测量的不准确。因此如何准确度完整测量出待测激光干涉正常与干涉小信号区域的光强及相位信息是当前研究的一个主要问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于四波横向剪切干涉的激光光束质量动态测量装置，该装置不仅可以测量出干涉信号正常区域的光强及相位信息，同时也可以有效而准确的复原出干涉小信号区域的光强及相位信息，进而实现光束质量因子m2的准确测量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于四波横向剪切干涉的激光光束质量动态测量装置，包括分光镜、第一哈特曼衍射光栅、第一电荷耦合元件相机、第二哈特曼衍射光栅和第二电荷耦合元件相机；沿光路依次设置分光镜、第二哈特曼衍射光栅和第二电荷耦合元件相机；第一哈特曼衍射光栅与第一电荷耦合元件相机依次设置于分光镜的反射光路上，第二哈特曼衍射光栅与第二电荷耦合元件相机依次设置于分光镜的透射光路上；
待测激光经过分光镜分成两束，反射光经过第一哈特曼衍射光栅衍射后变为四束具有一定夹角的子光束，这四个子光束在第一电荷耦合元件相机上形成干涉条纹；透射光经过第二哈特曼衍射光栅衍射后变为四束具有一定夹角的子光束，这四个子光束在第二电荷耦合元件相机上形成干涉条纹。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）可以实现待测激光复振幅信息的完整复原，既可以准确的复原出干涉正常区域的光强及相位信息也可以准确的复原出干涉小信号区域的光强及相位信息，提高了激光光束质量测量的精度。
（2）可以动态的对待测激光的光束质量因子m2进行分析与测量。
（3）同时获取了干涉正常区域与干涉小信号区域的信息，但测量时间并未增加。
附图说明
图1为本发明基于四波横向剪切干涉的激光光束质量动态测量装置的整体结构示意图。
图2为本发明基于四波横向剪切干涉的激光光束质量动态测量装置的哈特曼衍射光栅分光示意图。
图3为本发明基于四波横向剪切干涉的激光光束质量动态测量装置的干涉条纹拼接示意图，其中（a）为ccd相机3-1所采集的干涉图，（b）为ccd相机3-2所采集的干涉图，（c）为干涉图（a）的子孔径拼接区域，（d）为干涉图（b）的子孔径拼接区域，（e）为拼接干涉图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图2，一种基于四波横向剪切干涉的激光光束质量动态测量装置，包括分光镜1、第一哈特曼衍射光栅2-1、第一电荷耦合元件（ccd）相机3-1、第二哈特曼衍射光栅2-2和第二电荷耦合元件相机3-2。沿光路依次设置分光镜1、第二哈特曼衍射光栅2-2和第二电荷耦合元件相机3-2。第一哈特曼衍射光栅2-1与第一电荷耦合元件相机3-1依次设置于分光镜1的反射光路上，第二哈特曼衍射光栅2-2与第二电荷耦合元件相机3-2依次设置于分光镜1的透射光路上。
待测激光经过分光镜1分成两束，分光镜反射的光经过第一哈特曼衍射光栅2-1衍射后变为四束具有一定夹角的子光束，这四个子光束在第一电荷耦合元件相机3-1上形成干涉条纹；分光镜透射的光经过第二哈特曼衍射光栅2-2衍射后变为四束具有一定夹角的子光束，这四个子光束在第二电荷耦合元件相机3-2上形成干涉条纹。
上述分光镜1的分光比为1：1，经分光镜反射和透射的光能量相等。
上述第一电荷耦合元件相机3-1的曝光时间为第二电荷耦合元件相机3-2曝光时间的一半，并且两个电荷耦合元件相机的曝光时间均可调节。
上述装置在对待测激光的光束质量因子m2进行计算时，激光的光强信息由第一电荷耦合元件相机3-1所采集的干涉条纹经过傅里叶变换取零频信息后再经过傅里叶逆变换获得。
上述第一电荷耦合元件相机3-1上的干涉条纹与第二电荷耦合元件相机3-2上的干涉条纹进行拼接，利用拼接后的干涉条纹实现对激光相位的复原。拼接过程中，应保证第一电荷耦合元件相机3-1与第二电荷耦合元件3-2上的待拼接区域的干涉条纹均未出现饱和。
在根据上述步骤获得激光的光强及相位信息后，光束质量因子m2利用角谱理论进行计算，且计算过程严格按照iso11146国际标准。
实施例1
一种基于四波横向剪切干涉的激光光束质量动态测量装置，待测激光经过分光镜1分成两束，分光镜反射的光经过第一哈特曼衍射光栅2-1衍射后变为四束具有一定夹角的子光束，这四个子光束在第一电荷耦合元件相机3-1上形成干涉条纹；分光镜透射的光经过第二哈特曼衍射光栅2-2衍射后变为四束具有一定夹角的子光束，这四个子光束在第二电荷耦合元件相机3-2上形成干涉条纹。
分光镜的分光比为1：1，第一电荷耦合元件3-1的曝光时间为第二电荷耦合元件3-2的曝光时间的一半，待测激光的光强信息直接由第一电荷耦合元件3-1的干涉条纹经傅里叶变换取零频信息再傅里叶逆变换后获得，待测激光的相位信息由第一电荷耦合元件3-1与第二电荷耦合元件3-2的干涉条纹拼接后获得。光束质量因子m2由装置复原出的待测激光的光强及相位基于角谱理论计算，计算过程严格依据iso11146标准进行。
图3为第一电荷耦合元件相机3-1与第二电荷耦合元件相机3-2所采集的干涉图及其拼接过程。首先对两幅干涉图分别选取其子孔径拼接区域，子孔径区域的选择应为一个圆形，且同时保证待拼接的子孔径区域的光不能饱和。选取子孔径拼接区域后，对两个子孔径区域内的干涉图进行拼接，获得图3（e）中的干涉图，并利用图3（e）中的干涉图实现相位信息的复原。