一种提高波前测量和校正精度的装置及其使用方法

摘要

本发明涉及一种提高波前测量和校正精度的装置及其使用方法，属于激光系统光束质量控制技术领域，所述装置包括波前传感器、变形镜、控制器、缩束系统、分光镜和反射镜，待校正的入射激光束经分光镜后透射至变形镜，经变形镜反射回的入射激光束经分光镜后分为取样光束和输出光束，取样光束依次入射至反射镜、缩束系统和波前传感器，本发明通过改变缩束系统对取样光束的缩束比，调节入射到波前传感器上的取样光束口径，得到若干组不同口径取样光束的波前畸变，并分别利用变形镜进行波前校正得到若干组不同的波前校正电压，最后对波前畸变和波前校正电压取平均值，得到入射激光束的精准波前畸变和精准波前校正电压，校正结果精度高。

权利要求

1.一种提高波前测量和校正精度的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：变形镜未施加校正电压，待校正的入射激光束经分光镜透射至变形镜表面，经变形镜反射回的入射激光束经分光镜后分为取样光束；

S2：调节液体透镜的焦距，以改变缩束系统对取样光束的缩束比，取样光束经缩束系统入射至波前传感器进行波前测量，得到波前畸变，测量结果反馈至控制器并转换为波前校正信号，得到波前校正电压；

S3：在与步骤S2相同的缩束比前提下，变形镜施加波前校正电压，变形镜对入射激光束进行波前校正，校正后的入射激光束传输至分光镜，其中，一部分入射激光束反射至波前传感器，另一部分入射激光束透射过分光镜并输出；

S4：在入射激光束相同的条件下，重复S2-S3，缩束系统呈现不同的缩束比，得到若干组波前畸变和波前校正电压；

S5：将步骤S4中若干组波前畸变和波前校正电压分别取平均值，得到入射激光束的精准波前畸变和精准波前校正电压；

S6：将精准波前校正电压施加于变形镜上进行波前校正，即可；

其中，所述提高波前测量和校正精度的装置包括波前传感器、变形镜和控制器，且波前传感器、变形镜和控制器组成闭环系统，还包括缩束系统、分光镜和反射镜，所述分光镜倾斜设置，且分光镜与变形镜同光轴设置，待校正的入射激光束经分光镜后透射至变形镜，经变形镜反射回的入射激光束经分光镜后分为取样光束和输出光束，所述反射镜、缩束系统和波前传感器同光轴设置，且反射镜与分光镜对应设置，取样光束依次入射至反射镜、缩束系统和波前传感器，所述缩束系统对取样光束的缩束比可调，沿着取样光束的传输方向，所述缩束系统依次包括透镜和可变焦距的液体透镜；

所述液体透镜与第一驱动器电连接，改变第一驱动器的控制电压以调节液体透镜的焦距，所述变形镜与第二驱动器电连接，改变第二驱动器的控制电压以调节变形镜的面形，所述波前传感器为哈特曼波前传感器，所述控制器分别与波前传感器、变形镜电连接。

2.根据权利要求1所述的一种提高波前测量和校正精度的装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S1中，入射激光束的光场E(x,y)exp[jφ(x,y)],(x,y)∈S0，其中，x和y分别表示二维空间两个方向，E(x,y)表示入射激光束的振幅，φ(x,y)表示入射激光束的波前，S0表示光场区域，j表示虚数，且j2＝-1。

3.根据权利要求2所述的一种提高波前测量和校正精度的装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S2中，波前传感器的子孔径阵列对取样光束进行分割，得到子孔径阵列对应的焦斑阵列，计算得到波前畸变，波前传感器测量的光束光场为E(x,y)exp[jφ(x,y)],m1a0≤Q0x≤n1a0,m2b0≤Q0y≤n2b0，其中，Q0表示缩束系统的缩束比，a0和b0分别表示单个子孔径的长度和宽度，m1和n1分别表述取样光束长度方向对应的子孔径序列数，m2和n2分别表示取样光束宽度方向对应的子孔径序列数。

4.根据权利要求3所述的一种提高波前测量和校正精度的装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S4中，对缩束系统的缩束比进行调节，使得波前传感器对若干组不同口径的取样光束分别进行波前测量，波前传感器测量的光束光场为Ei(x,y)exp[jφi(x,y)],mia0≤Qix≤nia0,mjb0≤Qiy≤njb0，其中，i表示第i组测量结果，Qi表示第i组中缩束系统的缩束比，mi和ni分别表示取样光束长度方向对应的子孔径序列数，mj和nj分别表示取样光束宽度方向对应的子孔径序列数，φi(x,y)表示第i组入射激光束的波前，Ei(x,y)表示第i组入射激光束的振幅。

说明书

一种提高波前测量和校正精度的装置及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光系统光束质量控制技术领域，具体地说涉及一种提高波前测量和校正精度的装置及其使用方法。

背景技术

[0002] 波前畸变严重影响了激光光束质量，为了消除波前畸变，基于哈特曼波前传感器的波前测量和校正技术被广泛应用(Modeling and control of a deformable mirror,《Journal of Dynamic Systems,Measurement,and Control》,Vol.124,2002,297-302.)。传统的波前校正系统包含一套变形镜及高压驱动器、一套波前传感器，一套控制软件，波前畸变的测量和校正都是根据一次实验结果完成，波前测量和校正效果的高精度难以保证。

发明内容

[0003] 针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，发明人在原有波前校正系统内增设缩束系统，通过调节缩束系统改变光束的缩束比，从而精确改变入射到波前传感器上的取样光束口径，波前传感器测量若干组不同口径的取样光束相应得到若干组不同空间分布特性的波前畸变，然后利用变形镜对每组波前畸变分别进行波前校正得到若干组不同的波前校正电压，最后通过对波前畸变和波前校正电压数据进行平均，得到高精度的波前测量和校正结果。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0005] 一种提高波前测量和校正精度的装置的使用方法，包括如下步骤：

[0006] S1：变形镜未施加校正电压，待校正的入射激光束经分光镜透射至变形镜表面，经变形镜反射回的入射激光束经分光镜后分为取样光束；

[0007] S2：调节液体透镜的焦距，以改变缩束系统对取样光束的缩束比，取样光束经缩束系统入射至波前传感器进行波前测量，得到波前畸变，测量结果反馈至控制器并转换为波前校正信号，得到波前校正电压；

[0008] S3：在与步骤S2相同的缩束比前提下，变形镜施加波前校正电压，变形镜对入射激光束进行波前校正，校正后的入射激光束传输至分光镜，其中，一部分入射激光束反射至波前传感器，另一部分入射激光束透射过分光镜并输出；

[0009] S4：在入射激光束相同的条件下，重复S2-S3，缩束系统呈现不同的缩束比，得到若干组波前畸变和波前校正电压；

[0010] S5：将步骤S4中若干组波前畸变和波前校正电压分别取平均值，得到入射激光束的精准波前畸变和精准波前校正电压；

[0011] S6：将精准波前校正电压施加于变形镜上进行波前校正，即可；

[0012] 其中，所述提高波前测量和校正精度的装置包括波前传感器、变形镜和控制器，且波前传感器、变形镜和控制器组成闭环系统，还包括缩束系统、分光镜和反射镜，所述分光镜倾斜设置，且分光镜与变形镜同光轴设置，待校正的入射激光束经分光镜后透射至变形镜，经变形镜反射回的入射激光束经分光镜后分为取样光束和输出光束，所述反射镜、缩束系统和波前传感器同光轴设置，且反射镜与分光镜对应设置，取样光束依次入射至反射镜、缩束系统和波前传感器，所述缩束系统对取样光束的缩束比可调，沿着取样光束的传输方向，所述缩束系统依次包括透镜和可变焦距的液体透镜；

[0013] 所述液体透镜与第一驱动器电连接，改变第一驱动器的控制电压以调节液体透镜的焦距，所述变形镜与第二驱动器电连接，改变第二驱动器的控制电压以调节变形镜的面形，所述波前传感器为哈特曼波前传感器，所述控制器分别与波前传感器、变形镜电连接。

[0014] 进一步，所述步骤S1中，入射激光束的光场E(x,y)exp[jφ(x,y)],(x,y)∈S0，其中，x和y分别表示二维空间两个方向，E(x,y)表示入射激光束的振幅，φ(x,y)表示入射激光束的波前，S0表示光场区域，j表示虚数，且j2＝-1。

[0015] 进一步，所述步骤S2中，波前传感器的子孔径阵列对取样光束进行分割，得到子孔径阵列对应的焦斑阵列，计算得到波前畸变，波前传感器测量的光束光场为E(x,y)exp[jφ(x,y)],m1a0≤Q0x≤n1a0,m2b0≤Q0y≤n2b0，其中，Q0表示缩束系统的缩束比，a0和b0分别表示单个子孔径的长度和宽度，m1和n1分别表述取样光束长度方向对应的子孔径序列数，m2和n2分别表示取样光束宽度方向对应的子孔径序列数。

[0016] 进一步，所述步骤S4中，对缩束系统的缩束比进行调节，使得波前传感器对若干组不同口径的取样光束分别进行波前测量，波前传感器测量的光束光场为Ei(x,y)exp[jφi(x,y)],mia0≤Qix≤nia0,mjb0≤Qiy≤njb0，其中，i表示第i组测量结果，Qi表示第i组中缩束系统的缩束比，mi和ni分别表示取样光束长度方向对应的子孔径序列数，mj和nj分别表示取样光束宽度方向对应的子孔径序列数，φi(x,y)表示第i组入射激光束的波前，Ei(x,y)表示第i组入射激光束的振幅。

[0017] 本发明的有益效果是：

[0018] 相比于传统的波前测量和校正技术，通过精确控制液体透镜的焦距，从而改变入射到波前传感器上的取样光束口径，得到若干组不同口径取样光束的波前畸变，并分别利用变形镜进行波前校正得到若干组不同的波前校正电压，最后对波前畸变和波前校正电压取平均值，得到入射激光束的精准波前畸变和精准波前校正电压，校正结果精度高。

附图说明

[0019] 图1是本发明的整体结构示意图；

[0020] 图2(a)是缩束比为5.35:1时，波前传感器测量的校正前的波前畸变图；

[0021] 图2(b)是缩束比为5.35:1时，波前传感器测量的校正后的波前畸变图；

[0022] 图3(a)是缩束比为5.45:1时，波前传感器测量的校正前的波前畸变图；

[0023] 图3(b)是缩束比为5.45:1时，波前传感器测量的校正后的波前畸变图；

[0024] 图4(a)是缩束比为5.55:1时，波前传感器测量的校正前的波前畸变图；

[0025] 图4(b)是缩束比为5.55:1时，波前传感器测量的校正后的波前畸变图；

[0026] 图5(a)是缩束比为5.66:1时，波前传感器测量的校正前的波前畸变图；

[0027] 图5(b)是缩束比为5.66:1时，波前传感器测量的校正后的波前畸变图；

[0028] 图6(a)是缩束比为5.76:1时，波前传感器测量的校正前的波前畸变图；

[0029] 图6(b)是缩束比为5.76:1时，波前传感器测量的校正后的波前畸变图；

[0030] 图7(a)是施加精准波前校正电压前的波前畸变图；

[0031] 图7(b)是施加精准波前校正电压后的波前畸变图。

[0032] 附图中：1-入射激光束、2-波前传感器、3-变形镜、4-分光镜、5-反射镜、6-透镜、7-液体透镜、8-取样光束。

具体实施方式

[0033] 为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

[0034] 实施例一：

[0035] 如图1所示，一种提高波前测量和校正精度的装置，包括波前传感器2、变形镜3、缩束系统、分光镜4、反射镜5和控制器，其中，波前传感器2、变形镜3和控制器组成闭环系统，所述分光镜4倾斜设置，且分光镜4与变形镜3同光轴设置，待校正的入射激光束1经分光镜4后，大部分光束透射至变形镜3，小部分光束直接反射输出，经变形镜3反射回的入射激光束1再次经分光镜4后分为取样光束8和输出光束，取样光束8依次入射至反射镜5、缩束系统和波前传感器2。也就是说，所述反射镜5、缩束系统和波前传感器2同光轴设置，且反射镜5与分光镜4对应设置，保证取样光束8能够入射至反射镜5。本实施例中，所述分光镜4与入射激光束1光轴的夹角为45°。

[0036] 所述缩束系统对取样光束8的缩束比可调，沿着取样光束8的传输方向，所述缩束系统依次包括透镜6和可变焦距的液体透镜7。其中，所述液体透镜7与第一驱动器电连接，改变第一驱动器的控制电压以调节液体透镜7的焦距，所述变形镜3与第二驱动器电连接，改变第二驱动器的控制电压以调节变形镜3的面形。所述波前传感器2优选为哈特曼波前传感器，所述控制器分别与波前传感器2、变形镜3电连接。

[0037] 具体的校正过程过程如下：

[0038] 首先，变形镜3未施加校正电压，待校正的入射激光束1经分光镜4透射至变形镜3表面，经变形镜3反射回的入射激光束1经分光镜4后分为取样光束8，调节液体透镜7的焦距，以改变缩束系统对取样光束8的缩束比，取样光束8经缩束系统入射至波前传感器2进行波前测量，得到波前畸变，测量结果反馈至控制器并转换为波前校正信号，得到波前校正电压，在保证缩束比不变的前提下，变形镜3施加波前校正电压，变形镜3对入射激光束1进行波前校正，校正后的入射激光束1传输至分光镜4，其中，一部分入射激光束1反射至波前传感器2，另一部分入射激光束1透射过分光镜4并输出。

[0039] 入射激光束1的光场E(x,y)exp[jφ(x,y)],(x,y)∈S0，其中，x和y分别表示二维空间两个方向，E(x,y)表示入射激光束1的振幅，φ(x,y)表示入射激光束1的波前，S0表示光场区域。波前传感器2的子孔径阵列对取样光束8进行分割，得到子孔径阵列对应的焦斑阵列，计算得到波前畸变，波前传感器2测量的光束光场为E(x,y)exp[jφ(x,y)],m1a0≤Q0x≤n1a0,m2b0≤Q0y≤n2b0，其中，Q0表示缩束系统的缩束比，a0和b0分别表示单个子孔径的长度和宽度，m1和n1分别表述取样光束8长度方向对应的子孔径序列数，m2和n2分别表示取样光束8宽度方向对应的子孔径序列数。

[0040] 然后，在入射激光束相同的条件下，对缩束系统的缩束比进行调节，缩束系统呈现不同的缩束比，使得波前传感器2对若干组不同口径的取样光束8分别进行波前测量，波前传感器2测量的光束光场为：

[0041] Ei(x,y)exp[jφi(x,y)],mia0≤Qix≤nia0,mjb0≤Qiy≤njb0，其中，i表示第i组测量结果，Qi表示第i组中缩束系统的缩束比，mi和ni分别表示取样光束8长度方向对应的子孔径序列数，mj和nj分别表示取样光束8宽度方向对应的子孔径序列数，φi(x,y)表示第i组入射激光束1的波前，Ei(x,y)表示第i组入射激光束1的振幅。

[0042] 最后，将若干组波前畸变和波前校正电压分别取平均值，得到入射激光束1的精准波前畸变和精准波前校正电压，将精准波前校正电压施加于变形镜3上进行波前校正，即可。

[0043] 实施例二：

[0044] 本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

[0045] 入射激光束1的口径为30×30mm，波长为1053nm，分光镜4的口径为80×80mm，对1053nm激光反射率1％，变形镜3为压电薄膜驱动波前校正器，参数如表1所示，反射镜5的口径为80×80mm，对1053nm激光反射率99.95％，透镜6的口径为50×50mm，焦距为60cm，可变焦距的液体透镜7的口径为9×9mm，通过控制电压可以使焦距从5cm连续变化到无穷远，波前传感器2为哈特曼波前传感器，参数如表2所示。

[0046] 表1：波前校正器主要技术参数

[0047]有效口径 30mm×30mm
驱动器数目和布局 5×5正方形
最小闭环带宽 1hz
驱动器冲程 10μm
可校正的泽尼克像差阶数 ≤10阶
表面反射率 ≥99.95％@1053nm

[0048] 表2：波前传感器主要技术参数

[0049]

[0050]

[0051] 具体校正过程如下：

[0052] 由波前传感器的技术参数可知，子孔径尺寸为0.3mm×0.3mm，因此，调节缩束系统的缩束比时，应尽量让缩束后的光束对应整数个子孔径。

[0053] 1、调节液体透镜7的焦距为11.2cm，此时，液体透镜7与透镜6实现了5.35:1的缩束比，将入射激光束1口径从30mm变化到5.6mm。哈特曼波前传感器测量到的波前畸变如图2(a)所示，波前畸变pv值为1.6μm。利用变形镜3对该像差进行闭环校正，校正后的波前畸变如图2(b)所示，波前畸变pv值为0.57μm。

[0054] 2、调节液体透镜7的焦距为11cm，此时，液体透镜7与透镜6实现了5.45:1的缩束比，将入射光束口径从30mm变化到5.5mm。哈特曼波前传感器测量到的波前畸变如图3(a)所示，波前畸变pv值为2.02μm。利用变形镜3对该像差进行闭环校正，校正后的波前畸变如图3(b)所示，波前畸变pv值为0.84μm。

[0055] 3、调节液体透镜7的焦距为10.8cm，此时，液体透镜7与透镜6实现了5.55:1的缩束比，将入射光束口径从30mm变化到5.4mm。哈特曼波前传感器测量到的波前畸变如图4(a)所示，波前畸变pv值为2.42μm。利用变形镜3对该像差进行闭环校正，校正后的波前畸变如图4(b)所示，波前畸变pv值为1.18μm。

[0056] 4、调节液体透镜7的焦距为10.6cm，此时，液体透镜7与透镜6实现了5.66:1的缩束比，将入射光束口径从30mm变化到5.3mm。哈特曼波前传感器测量到的波前畸变如图5(a)所示，波前畸变pv值为2.81μm。利用变形镜3对该像差进行闭环校正，校正后的波前畸变如图5(b)所示，波前畸变pv值为1.31μm。

[0057] 5、调节液体透镜7的焦距为10.4cm，此时，液体透镜7与透镜6实现了5.76:1的缩束比，将入射光束口径从30mm变化到5.2mm。哈特曼波前传感器测量到的波前畸变如图6(a)所示，波前畸变pv值为3.16μm。利用变形镜3对该像差进行闭环校正，校正后的波前畸变如图6(b)所示，波前畸变pv值为1.4μm。

[0058] 如上所述，通过变化液体透镜7的焦距，改变了缩束后入射到哈特曼波前传感器上的光束尺寸，然后分别测量波前畸变并对其闭环校正得到五组实验结果，可见，每组实验数据就是传统的波前校正方法对应的实验结果。最后，对五组实验结果包括波前畸变数据以及波前校正电压数据进行平均，就得到了相比于传统方法更为精确的实验数据。同时，哈特曼波前传感器测量到的波前畸变如图7(a)所示，波前畸变pv值为2.36μm。将精准波前校正电压施加于变形镜3上进行波前校正正，校正后的波前畸变如图7(b)所示，波前畸变pv值为1.04μm。

[0059] 以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。