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专利名称：基于enz理论的激光光束检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于ENZ理论的激光光束检测装置及方法，所述激光光束检测装置属于一种激光波前及特征值检测装置，能够完成激光波前的高精度测量，所述激光光束检测装置还能够作为激光通信中波前探测装置，所述激光光束检测方法能够完成激光相关特征值的计算，属于激光技术领域。
背景技术：
激光已经被广泛应用于各行各业，激光检测设备也是各种各样。由于对激光的各项技术指标要求越来越高，对激光检测设备也就提出了越来越高的要求。现有波前探测装置为哈特曼波前传感器，用于激光测量、激光通信以及光学元件检测等。哈特曼波前传感器的前端需要配合扩束及缩束系统，同时，哈特曼波前探测器还需要在CCD探测器前端装调微透镜阵列。可见采用哈特曼波前传感器检测激光光束操作步骤繁琐；在CCD探测器前端装调微透镜阵列会给整个系统带来装调误差，影响整个波前的检测精度，微透镜阵列还会制约探测动态范围；哈特曼波前传感器的分辨率为前端微透镜阵列的阵列数，因此，采用哈特曼波前传感器波前探测分辨率难以提高；同样是由于微透镜阵列的存在，探测到的激光束的能量也会降低，从而使探测到的图像的信噪比降低；哈特曼波前传感器所使用的CCD探测器应当具有较大尺寸的探测面，其中的微透镜阵列造价较高且装调难度大，必须配备扩束及缩束部件，这些因素导致哈特曼波前传感器成本升高。基于所述装置的计算波前及特征值的方法有若干种，然而，作为完整的方案，其来自装置的不足依然存在。

发明内容
为了在激光光束检测过程中，简化检测步骤，提高整个波前的探测精度，提高波前探测分辨率，提高探测到的图像的信噪比，降低检测装置的成本，我们发明了一种基于ENZ理论的激光光束检测装置及方法。在本发明之基于ENZ理论的激光光束检测装置中，CXD探测器I与数据处理计算机2相连，如图1所示，其特征在于，成像透镜3位于CXD探测器I前方，CXD探测器感光面4与成像透镜3焦平面c平行；(XD探测器I固定在滑块5上，滑块5与导轨6构成导轨滑块机构。本发明之基于ENZ理论的激光光束检测方法其特征在于，如图1、图2所示，取成像透镜3焦平面c处及对称的前离焦面a处、后离焦面b处的被检激光光束光斑强度图像；被检激光光束波前的拟合过程如下，首先采用扩展Nijboer-Zernike多项式构造波前拟合系数求取方程组，求解该方程组得到拟合光瞳平面激光光束波前的复数波前拟合系数值，然后通过迭代算法，去除引入的高阶误差，得到精确的波前拟合系数值，从而得到光瞳平面激光光束的相位和振幅，最后，拟合得到被检激光光束光瞳平面波前；被检激光光束特征值计算过程如下，根据由被检激光光束波前得到的激光光束的相位信息以及被检激光光束光斑强度图像中的强度信息，通过矩法计算得到被检激光光束特征值，包括束宽值d，束散角e。，质量因子M2，束腰宽度屯，瑞利长度zK，束腰位置Ztl。本发明其技术效果在于，在本发明之检测装置中并没有诸如现有采用哈特曼波前传感器的检测装置所必备的前端扩束及缩束系统、微透镜阵列等部件，因此，采用本发明之装置检测激光光束操作步骤简捷。同样也不存在因装调微透镜阵列而带来的装调误差，避免这种误差对检测精度的影响，摆脱了微透镜阵列对探测动态范围的制约。由于被检激光光束经成像透镜3成像于CXD探测器感光面4上，光斑强度图像的分辨率不受如微透镜阵列这样的部件的参数的限制，因此能够得到应有的提高，从理论上讲，本发明实际波前检测分辨率高于CCD探测器I的分辨率，同时远远高于哈特曼波前探测器的分辨率。同样是由于没有微透镜阵列的存在，探测到的被检激光束能量较高，探测到的光斑强度图像的信噪比因此得到提高。由于本发明只由一个成像透镜3将被检激光光束成像，不仅舍弃现有技术所使用的扩束及缩束部件、微透镜阵列，而且可以减小CCD探测器感光面4的尺寸，与现有哈特曼波前传感器中的CCD探测器相比，本发明检测装置中的CCD探测器感光面4减小二分之一也能满足要求，虽然增设了由滑块5与导轨6构成的导轨滑块机构，相比而言，检测装置的成本还是大幅降低。本发明之检测方法只需根据由本发明之检测装置探测到的一幅在焦、两幅对称离焦被检激光光束光斑强度图像中的强度信息以及从导轨滑块机构读取的离焦量，根据扩展Nijboer-Zernike理论(ENZ)及矩法算法,即可得到被检激光光束波前和特征值，在检测装置克服现有技术不足的同时实现激光光束的检测。具有检测装置简单、检测过程简捷的特点。


图1是本发明之基于ENZ理论的激光光束检测装置总体结构示意图。图2是本发明之基于ENZ理论的激光光束检测方法各步骤框图，该图同时作为摘要附图。
具体实施例方式在本发明之基于ENZ理论的激光光束检测装置中，CXD探测器I与数据处理计算机2通过USB连接线相连，如图1所示。成像透镜3位于CXD探测器I前方，CXD探测器感光面4与成像透镜3焦平面c平行；在成像透镜3激光入射一侧的光路上设置激光强度衰减系统7,裳减系统7由若干透过率不冋的被检激光滤光片8组合而成，如6个,裳减系统7能够将来自激光器9的不同功率的被检激光强度衰减到CCD探测器I能够承受的程度，如IOff以下。CXD探测器I固定在滑块5上，滑块5与导轨6构成导轨滑块机构；滑块5上的一道标线与在导轨6上沿滑块5滑动方向设置的标尺配合，由此读出滑块5的移动距离，该距离就是离焦被检激光光束光斑强度图像离焦量f。 本发明之基于ENZ理论的激光光束检测方法具体实施方式
如下，如图1、图2所示，取成像透镜3焦平面c处及对称的前离焦面a处、后离焦面b处的被检激光光束光斑强度图像。被检激光光束波前的拟合过程如下，首先采用扩展Nijboer-Zernike多项式构造波前拟合系U取方程组(1)，由数据处理计算机2求解该方程组得到拟合光瞳平面激光光束波前的复数波前拟合系数式":
权利要求
1.一种基于ENZ理论的激光光束检测装置，CXD探测器(I)与数据处理计算机(2)相连，其特征在于，成像透镜(3)位于CXD探测器(I)前方，CXD探测器感光面(4)与成像透镜(3)焦平面c平行；(XD探测器(I)固定在滑块(5)上，滑块(5)与导轨(6)构成导轨滑块机构。
2.根据权利要求1所述的基于ENZ理论的激光光束检测装置，其特征在于，在成像透镜(3 )激光入射一侧的光路上设置激光强度衰减系统(7 )，衰减系统(7 )由若干透过率不同的被检激光滤光片(8)组合而成,裳减系统(7)能够将来自激光器(9)的不冋功率的被检激光强度衰减到CCD探测器(I)能够承受的程度。
3.根据权利要求1所述的基于ENZ理论的激光光束检测装置，其特征在于，滑块(5)上的一道标线与在导轨(6)上沿滑块(5)滑动方向设置的标尺配合，由此读出滑块(5)的移动距离，该距离就是离焦被检激光光束光斑强度图像离焦量f。
4.一种基于ENZ理论的激光光束检测方法，其特征在于，取成像透镜(3)焦平面c处及对称的前离焦面a处、后离焦面b处的被检激光光束光斑强度图像；被检激光光束波前的拟合过程如下，首先采用扩展Nijboer-Zernike多项式构造波前拟合系数求取方程组,求解该方程组得到拟合光瞳平面激光光束波前的复数波前拟合系数值，然后通过迭代算法，去除引入的高阶误差，得到精确的波前拟合系数值，从而得到光瞳平面激光光束的相位和振幅，最后，拟合得到被检激光光束光瞳平面波前；被检激光光束特征值计算过程如下，根据由被检激光光束波前得到的激光光束的相位信息以及被检激光光束光斑强度图像中的强度信息，通过矩法计算得到被检激光光束特征值，包括束宽值d，束散角0。，质量因子M2，束腰宽度Cltl，瑞利长度zK，束腰位置Z(l。
5.根据权利要求4所述的基于ENZ理论的激光光束检测方法，其特征在于，被检激光光束波前的具体拟合过程如下，首先采用扩展Nijboer-Zernike多项式构造波前拟合系数P J取方程组(1)，由数据处理计算机(2)求解该方程组得到拟合光瞳平面激光光束波前的复数波前拟合系数
6.根据权利要求4所述的基于ENZ理论的激光光束检测方法，其特征在于，被检激光光束特征值具体计算过程如下，首先，一方面由光瞳平面的强度信息计算得到光斑质心一阶矩〈x〉、<y>，进而计算得到光斑质心二阶矩〈x2〉、<y2> ;另一方面由光瞳平面的相位信息计算得到波前梯度一阶矩<u>、〈v>，进而计算得到波前梯度二阶矩<u2>、〈v2> ;然后，再计算得到混合矩<xu>、<yv> ;最后,根据下述公式(6) (11)计算被检激光光束束宽值d、束散角0。、质量因子M2、束腰宽度Cltl、瑞利长度Zk、束腰位置Ztl ; 由公式(6)得到被检激光光束束宽值d，包括dx、dy
全文摘要
基于ENZ理论的激光光束检测装置及方法属于激光技术领域。现有技术操作步骤繁琐、检测精度低、分辨率难以提高、信噪比低、成本高。本发明之装置CCD探测器与数据处理计算机相连，成像透镜位于CCD探测器前方，CCD探测器感光面与成像透镜焦平面c平行；CCD探测器固定在滑块上，滑块与导轨构成导轨滑块机构。本发明之方法取成像透镜焦平面c处及对称的前、后离焦面a、b处的被检激光光束光斑强度图像，采用ENZ多项式构造波前拟合系数求取方程组，求解该方程组得到拟合光瞳平面激光光束波前的复数波前拟合系数值，通过迭代算法，去除高阶误差，得到精确的波前拟合系数值，从而得到光瞳平面激光光束的相位和振幅，拟合波前；再根据相位信息、强度信息，通过矩法计算特征值。
文档编号G01J9/00GK102980667SQ20121046400
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者刘敏时, 王晓曼, 王斌 申请人:长春理工大学