本實用新型屬光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種激光遠場焦斑高精度動態(tài)診斷裝置。

背景技術(shù)：
激光遠場焦斑強度分布是激光光束質(zhì)量的一個重要指標，也是高能激光系統(tǒng)中表征激光束進洞能力的主要參數(shù)。激光的遠場分布決定了光束的可聚焦程度,也間接反映出波前狀況。遠場焦斑的準確測量對于諸如光束質(zhì)量β因子、環(huán)圍能量比等光束質(zhì)量評價參數(shù)的正確評估至關(guān)重要。高能激光遠場焦斑測量主要有兩個難點：(1)激光焦斑強度分布具有極高的動態(tài)范圍,主旁瓣的強度差很大(動態(tài)范圍4個量級以上)；(2)波前畸變的不確定性造成激光束實際遠場位置的不確定，使得動態(tài)測量時難以預(yù)估離焦量。由于波前的擾動是指數(shù)項，相對于振幅擾動，其對激光遠場分布影響更大，故解決高能激光遠場重構(gòu)難點的方法是獲取高精度、高分辨率的波前分布。目前高精度、高分辨率波前位相測量普遍采用干涉法，干涉法測量位相最常用的是相移法。由于高功率激光裝置輸出的是納秒(ns)甚至皮秒(ps)量級的近紅外脈沖，利用常規(guī)的相移干涉術(shù)不可能獲取多幅干涉圖信息，在系統(tǒng)完全同步的情況下，也只能采集一幅干涉圖。采用夏克-哈特曼波前傳感器可動態(tài)測量激光近場波前，其工作原理為通過計算微透鏡陣列分割的每個子孔徑內(nèi)畸變波前平均斜率，從而來重構(gòu)被測波前分布。同時，根據(jù)夏克-哈特曼波前傳感器獲取的子孔徑光斑陣列的強度分布，可得到激光光場強度分布，然后重構(gòu)激光遠場焦斑強度分布。此方法的缺點是：(1)波前斜率計算采用一階線性近似，即sinθ≈tanθ≈θ，波前測量精度受到影響；(2)由于測量的是子孔徑內(nèi)畸變波前平均斜率，故認為被測波前是由許多子孔徑內(nèi)的平面波近似組成，子孔徑內(nèi)的畸變波前細節(jié)信息被忽略了，波前測量分辨率不高；(3)利用夏克-哈特曼波前傳感器獲取到的激光近場光強分布也受到微透鏡陣列數(shù)的限制，分辨率不高；(4)激光遠場焦斑重構(gòu)精度受夏克-哈特曼波前傳感器系統(tǒng)誤差的影響。傳統(tǒng)相位恢復(fù)技術(shù)可以實現(xiàn)高分辨率波前測量，但需要測量入瞳處激光近場強度分布和遠場強度分布或者需要測量兩個或更多離焦位置遠場強度分布來恢復(fù)激光近場波前。激光輸出的不穩(wěn)定性、環(huán)境擾動和探測器移動引入的波前誤差無法扣除。同時，以光強測量為已知條件進行相位恢復(fù)的算法在數(shù)學(xué)上歸屬于反演問題。盡管一般認為相位恢復(fù)的解是唯一的，但不同的算法對解的精確性、收斂速度將產(chǎn)生很大影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
基于以上背景，本實用新型提出了一種激光遠場焦斑高精度動態(tài)診斷裝置。高能激光系統(tǒng)中的激光遠場焦斑診斷主要關(guān)心的是遠場能量集中度，通常采用環(huán)圍能量比曲線來全面描述激光光束遠場焦斑的能量集中狀況。環(huán)圍能量比定義為遠場給定尺寸包圍的激光功率占總功率的百分比。本實用新型利用多通道二元光學(xué)元件可同時獲取被測激光光束不同離焦下的光場強度分布，再通過相位恢復(fù)法得到被測激光光束近場的振幅和相位分布，最后利用激光遠場焦斑診斷算法完成被測激光光束遠場光斑強度分布重構(gòu)和環(huán)圍能量比曲線的計算。本實用新型的技術(shù)方案是：激光遠場焦斑高精度動態(tài)診斷裝置包括單模光纖激光器、準直鏡、可變光闌、分束鏡、縮束/擴束系統(tǒng)、反射鏡、CCD探測器和控制計算機；其特殊之處在于：還包括取樣鏡、參考積分球功率計、測量積分球功率計、多通道二元光學(xué)元件；所述準直鏡、可變光闌、分束鏡、取樣鏡、縮束/擴束系統(tǒng)、反射鏡、多通道二元光學(xué)元件以及CCD探測器依次設(shè)置在單模光纖激光器的輸出光路上；所述參考積分球功率計設(shè)置在所述分束鏡的反射光路上；所述測量積分球功率計設(shè)置在所述反射鏡的反射光路上；所述控制計算機同時與參考積分球功率計、測量積分球功率計以及CCD探測器相聯(lián)；所述單模光纖激光器的光纖端面置于準直鏡的焦點處，光纖芯徑小于2.44λf/d，其中λ為單模光纖激光器輸出激光的波長，f為所述準直鏡的焦距，d為所述準直鏡的出瞳尺寸；所述多通道二元光學(xué)元件位于所述縮束/擴束系統(tǒng)的出瞳位置，用于將縮束/擴束系統(tǒng)入瞳處的激光光束近場分割成一系列子孔徑區(qū)域。上述縮束/擴束系統(tǒng)的波像差小于被測激光光束波前相位分布峰谷值的1/3。上述多通道二元光學(xué)元件包括多個口徑為矩形的微結(jié)構(gòu)元件，所述多個微結(jié)構(gòu)元件在同一平面內(nèi)任意組合排布，相鄰兩個微結(jié)構(gòu)元件的焦距不同。上述多通道二元光學(xué)元件由兩種焦距不同的微結(jié)構(gòu)元件交替排布組成。上述多通道二元光學(xué)元件為多通道計算全息片或者微透鏡陣列；多通道計算全息片的微結(jié)構(gòu)元件為菲涅爾透鏡，微透鏡陣列的微結(jié)構(gòu)元件為微透鏡。上述縮束/擴束系統(tǒng)為開普勒結(jié)構(gòu)，由物鏡和目鏡組成，并采用雙遠心光路。本實用新型具有如下有益效果：1、精度高：本實用新型基于多通道二元光學(xué)元件和相位恢復(fù)法實現(xiàn)了激光遠場焦斑的高精度動態(tài)診斷，彌補了傳統(tǒng)診斷方法精度不高和分辨率低的缺點。2、測量結(jié)果置信度高：本實用新型通過事先對激光縮束/擴束系統(tǒng)標定，使激光遠場焦斑診斷結(jié)果不受其誤差影響。3、穩(wěn)定性好：本實用新型不受外界環(huán)境(空氣氣流擾動、振動等)和激光輸出能量不穩(wěn)定性的影響。4、本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)性好，可實現(xiàn)對不同口徑大小的激光光束的遠場焦斑診斷。附圖說明圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為多通道二元光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為多通道二元光學(xué)元件的工作原理示意圖；圖中，1-單模光纖激光器，2-準直鏡，3-可變光闌，4-分束鏡，5-參考積分球功率計，6-取樣鏡，7-縮束/擴束系統(tǒng)，71-物鏡，72-目鏡，8-反射鏡，9-測量積分球功率計，10-多通道二元光學(xué)元件，11-CCD探測器，12-控制計算機，13-被測激光光束。具體實施方式如圖1所示，本實用新型所提供的激光遠場焦斑高精度動態(tài)診斷裝置包括依次設(shè)置在單模光纖激光器1輸出激光光路上的準直鏡2、可變光闌3(光闌口徑根據(jù)被測激光光束13的光束口徑選取)、分束鏡4、縮束/擴束系統(tǒng)7、反射鏡8、多通道二元光學(xué)元件10、CCD探測器11，并且在分束鏡4的反射光路上設(shè)置參考積分球功率計5，在反射鏡8的反射光路上設(shè)置測量積分球功率計9；本實用新型還包括同時與參考積分球功率計5、測量積分球功率計9、CCD探測器11相聯(lián)的控制計算機12。單模光纖激光器1的光纖端面置于準直鏡2的焦點處，光纖芯徑小于2.44λf/d，其中λ為單模光纖激光器1輸出激光的波長，f為準直鏡2的焦距，d為準直鏡2的出瞳尺寸?？s束/擴束系統(tǒng)7為開普勒結(jié)構(gòu)，由物鏡71和目鏡72組成，采用雙遠心光路，并進行消色差設(shè)計，以保證診斷裝置的寬譜段工作和消除CCD探測器11的位置誤差對測量結(jié)果的影響；縮束/擴束系統(tǒng)7的縮束/擴束比根據(jù)CCD探測器11靶面的大小和被測激光光束13的光束口徑確定；縮束/擴束系統(tǒng)7的波像差小于被測激光光束波前相位分布峰谷值的1/3，以進一步提高測量精度。多通道二元光學(xué)元件10位于縮束/擴束系統(tǒng)7的出瞳位置，用于將縮束/擴束系統(tǒng)7入瞳處的激光光束近場分割成一系列子孔徑區(qū)域，并與CCD探測器11結(jié)合實現(xiàn)被測激光光束不同離焦下的光場強度分布的同時獲??；多通道二元光學(xué)元件10由在同一平面內(nèi)任意組合排布的多個微結(jié)構(gòu)元件組成，微結(jié)構(gòu)元件口徑為矩形，相鄰微結(jié)構(gòu)元件的焦距不同；圖2為多通道二元光學(xué)元件10的一種結(jié)構(gòu)形式，其由兩種形式的微結(jié)構(gòu)元件在同一平面內(nèi)交替排布組成。本實施例的多通道二元光學(xué)元件10采用多通道計算全息片或者微透鏡陣列，多通道計算全息片的微結(jié)構(gòu)元件為菲涅爾透鏡，微透鏡陣列的微結(jié)構(gòu)元件為微透鏡。本實用新型的具體工作過程和工作原理是：(1)對縮束/擴束系統(tǒng)7進行標定(標定時，取樣鏡6切出測量光路)對縮束/擴束系統(tǒng)7的標定包括縮束/擴束系統(tǒng)7的透過率和波像差的標定：單模光纖激光器1輸出的激光經(jīng)準直鏡2和可變光闌3后，由分束鏡4分成兩束光，其中反射光進入?yún)⒖挤e分球功率計5，測得激光功率值為I0；透射光通過縮束/擴束系統(tǒng)7后，經(jīng)反射鏡8反射進入測量積分球功率計9，測得激光功率值為I1；通過控制計算機采集測量數(shù)據(jù)，并計算得到縮束/擴束系統(tǒng)7的透射率β為：β＝I1/(I0ηγ)(1)式中，η為分束鏡的分束比，γ為反射鏡的表面反射率；將分束鏡4和反射鏡8切出測量光路，準直鏡2輸出的光通過可變光闌3和縮束/擴束系統(tǒng)7后，經(jīng)多通道二元光學(xué)元件10將縮束/擴束系統(tǒng)7入瞳處的激光光束近場分割成一系列子孔徑區(qū)域，同時CCD探測器11探測到所述一系列子孔徑區(qū)域內(nèi)激光光束不同離焦下的光場強度分布，再利用相位恢復(fù)法計算得到縮束/擴束系統(tǒng)7的波像差Φ1(x,y)；(2)激光遠場焦斑診斷將取樣鏡6切入測量光路，被測激光經(jīng)取樣鏡6反射，進入激光縮束/擴束系統(tǒng)7后，經(jīng)多通道二元光學(xué)元件10將激光縮束/擴束7入瞳處激光光束近場分割成一系列子孔徑區(qū)域，通過控制計算機12實現(xiàn)CCD探測器11同時探測所述一系列子孔徑區(qū)域內(nèi)被測激光光束不同離焦下的光場強度分布，并利用相位恢復(fù)法進行相位恢復(fù)計算，得到被測激光光束在縮束/擴束系統(tǒng)7的出瞳位置處的波前相位分布Φ(x,y)和振幅分布A(x,y)，則被測激光光束的近場光場相位分布Φ0(x,y)可表示為：Φ0(x,y)＝Φ(x,y)-Φ1(x,y)(2)被測激光光束的近場光場振幅分布A0(x,y)可表示為：被測激光光束的近場光場分布為：根據(jù)標量衍射理論可知，激光近場光場分布與遠場光場分布滿足傅里葉關(guān)系，通過計算可得到被測激光遠場光場分布為：Uf(u,v)＝F{P(x,y)·U0(x,y)}＝F{P(x,y)}*F{U0(x,y)}(5)式中，F(xiàn){}為傅里葉變換算子；P(x,y)為瞳函數(shù)，當被測激光光束13的孔徑為矩形孔徑時，P(x,y)的傅里葉變換為sinc函數(shù)；當被測激光光束13的孔徑為圓形孔徑時，P(x,y)的傅里葉變換為一階貝塞爾函數(shù)。被測激光遠場焦斑強度分布為：I(u,v)＝Uf(u,v)·Uf(u,v)*＝|Uf(u,v)|2(6)式中，Uf(u,v)*為Uf(u,v)的共軛；對公式(6)進行積分，可得到環(huán)圍能量比曲線。