一种激光波长精密测量方法技术

本发明专利技术公开了一种激光波长精密测量方法，属于光学精密测量技术领域。利用大数值孔径菲涅尔波带片(FZP)，采用矢量角谱理论计算照明波长为λi的线偏振光垂直照明FZP时对应的轴向强度点扩散函数，根据峰值获得焦距zp，改变λi重新计算得到焦距zp，利用线性相关系数评价(λi,zp)相关性，截取线性区间，并利用线性最小二乘拟合法得到线性测量曲线；用该FZP直接聚焦待测激光光束，通过压电陶瓷纳米位移台轴向步进扫描点探测器，测得轴向强度点扩散函数分布，用质心法得到实际焦距，利用线性测量曲线计算求得激光波长。本发明专利技术方法简单，成本低，测量波长适应范围广，适用于激光波长的低成本精密测量。

A precise measuring method for laser wavelength

The invention discloses a precise measuring method for laser wavelength, which belongs to the technical field of optical precision measurement. Using large numerical aperture Fresnel zone plate (FZP) and vector angular spectrum theory, the axial intensity point spread function corresponding to vertical illumination FZP of linearly polarized light with lambda wavelength is calculated. The focal length ZP is obtained according to the peak value, and the focal length ZP is recalculated by changing lamation lamation lambda I. The linear correlation coefficient is used to evaluate the correlation (lambda i, zp), and the linear region is intercepted. The FZP is used to directly focus the laser beam to be measured, and the distribution of the diffusion function of the axial intensity point is measured by the axial step scanning point detector of the piezoelectric ceramic nano-displacement table. The actual focal length is obtained by the centroid method, and the laser wave is calculated by the linear measurement curve. Long. The method has the advantages of simple method, low cost, wide adaptability range of measuring wavelength, and is suitable for low-cost and precise measurement of laser wavelength.

【技术实现步骤摘要】
一种激光波长精密测量方法
本专利技术属于光学精密测量
，特别涉及一种激光波长精密测量方法。
技术介绍
光波辐射与物质结构和组分有关，所以光波长的测量是物质分析的依据，而激光波长的精密测量是使用激光器的首要问题。目前，激光波长的测量主要依靠光的干涉和衍射原理。基于干涉原理的方法有杨氏双缝干涉、迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪等，双缝干涉测量波长的系统和原理简单，但波长测量的精度和分辨率较低，迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪波长测量的精度和光谱分辨率高，但基于双光束和多光束干涉，系统结构复杂，对测量环境要求高。基于衍射原理的方法主要是利用光谱仪，用光栅进行衍射分光，常用光谱仪的光谱分辨率可以达到1nm，即可以区分间隔1nm的两条谱线，最佳分辨率可以在0.01nm，然而光谱仪依赖精密光栅、高速光电探测器阵列，成本高。中国专利技术专利(申请号：201611058702)中提出了一种基于菲涅尔波带片的多光谱的探测方法，是将菲涅尔波带片与卡塞格伦望远镜系统结合，利用卡塞格伦望远镜收集信号，传输到菲涅尔波带片，经由菲涅尔波带片汇聚、分光，将不同波长的光波发射到探测器，实现多光谱探测。本专利方法是利用高数值孔径菲涅尔波带片波长色散引起的线性焦移规律实现单色激光波长的精密测量，与上述专利方法具有显著区别，且无需使用卡塞格伦望远镜系统。上述技术问题是目前激光波长精密测量方面面临的主要困难。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种激光波长精密测量方法，基于大数值孔径菲涅尔波带片，直接聚焦激光光束，通过压电陶瓷纳米位移台轴向步进扫描点探测器，测得聚焦轴向强度点扩散函数分布，利用波长和焦移在一定量程范围内的线性对应曲线，实现激光波长的精密测量，具有结构简单、分辨率高、波长适用范围广、低成本等优点。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种激光波长精密测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，给定照明波长λ0、焦距f和环带数N，根据公式得到菲涅尔波带片(FZP)的各环半径值rn；步骤二，根据矢量角谱理论计算照明波长为λi的线偏振光垂直照明FZP时聚焦光斑的轴向强度点扩散函数，并由主瓣最大峰值对应的轴向坐标得到焦距zp；步骤三，取λi＝λ0+Δλ，且Δλ＝mΛ,m＝0,±1,±2,...，Λ是波长间隔，执行步骤二，得到不同离散波长λi对应的焦距zp，形成二维数组(λi，zp)；步骤四，根据(λi，zp)，利用线性相关系数rc确定线性测量区间[λmin,λmax]，满足|rc|≥0.99；步骤五，在[λmin,λmax]波长范围区间，根据数组(λi，zp)利用线性最小二乘拟合法获得线性曲线zp＝aλi+b，为线性测量曲线；步骤六，对于待测未知激光波长λx，通过压电陶瓷纳米位移台轴向步进扫描点探测器测得焦距zp,x，根据线性测量曲线获得未知波长λx＝(zp,x-b)/a。所述步骤一包含的参数λ0覆盖极紫外至红外波段，焦距f不小于λ0。所述步骤一包含的参数N为不小于N0的正整数，且NA为FZP的数值孔径，NA＝sinα，由tanα＝rN/f确定最大会聚半角α，要求取大数值孔径，满足NA>0.75。所述步骤三中参数波长间隔Λ要求0<Λ≤λ0/10。所述步骤六中，若测量结果属于超出量程范围。所述步骤六中，所述点探测器由针孔和光电探测器组成，连续波激光器发出激光光束，经大数值孔径菲涅尔波带片聚焦，再由针孔滤除轴上光，通过针孔的光场由光电探测器进行强度探测，压电陶瓷纳米位移台沿轴均匀步进扫描点探测器，利用质心法确定焦距。与现有技术相比，本专利技术采用单一大数值孔径菲涅尔波带片，简化了光谱仪及干涉仪测量系统结构，避免了机械扰动及环境干扰，为精密或超精密测量提供了条件；该测量方法简单，波长适用范围广，从紫外至红外激光波段；利用现有成熟的微加工工艺可实现菲涅尔波带片的批量制造。附图说明图1为本专利技术的激光波长精密测量装置之一，图中1是激光器，2是菲涅尔波带片，3是针孔，4是光电探测器，5是压电陶瓷纳米位移台，由3和4组成点探测器。图2为本专利技术菲涅尔波带片FZP1(λ0＝633nm，f＝5μm，N＝20)示意图。图3为本专利技术菲涅尔波带片FZP1对应的焦距-波长线性关系曲线图。图4为本专利技术菲涅尔波带片FZP2对应的焦距-波长线性关系曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。图1所示装置的工作原理：连续波激光器1发出激光光束，经大数值孔径菲涅尔波带片2聚焦，再由针孔3滤除轴上光，通过针孔3的光场由光电探测器4进行强度探测，针孔3和光电探测器4组成点探测器，利用一维压电陶瓷纳米位移台5沿轴均匀步进扫描点探测器，测得聚焦轴向强度点扩散函数，利用质心法确定焦距，通过焦距-波长对应关系利用线性最小二乘拟合法得到线性测量曲线，利用该曲线实现激光波长的精密测量。图1装置内的菲涅尔波带片(FresnelZonePlate，FZP)直接聚焦待测激光器发出的激光光束，当光束垂直照明FZP时，在距离FZP后表面任意垂轴距离内的光场强度分布，由矢量角谱(VectorialAngularSpectrum，VAS)理论进行计算。(1)菲涅尔波带片设照明激光波长为λ0，FZP置于空气中，可得FZP的环带半径为式中，n是环带半径序数，f是主焦距，N是最大环带数。对于大数值孔径FZP，仅有唯一聚焦光斑，FZP有效数值孔径(NA)根据最大会聚半角α定义，即NA＝ηsinα，满足tanα＝rN/f。设N为偶数，用t(r)表示FZP的振幅透过率函数，对于二元振幅型FZP，透过率函数描述为式中，m＝0,1,...,N/2-1；上式假设最内环是透光情形。激光光束照明大数值孔径菲涅尔波带片时，必须考虑电磁波的矢量偏振特性，因此采用矢量电磁波传播理论进行完整阐述，同时为了加速计算过程，选取快速汉克尔变换算法快速、精确计算光场分布。(2)矢量角谱理论光场计算假设沿X轴方向振动的线偏振光(LPB)沿Z轴正向传播，垂直照明FZP，经FZP衍射后，根据矢量角谱理论，在z>0的垂轴平面内任意一点P位置处电场E的直角坐标分量为式中，Ex(r,z)表示x向分量，Ey(r,z)表示y向分量，表示z向分量，q(l)＝(1/λ2-l2)1/2，l表示径向空间频率分量；J0和J1分别是第一类零阶和一阶贝塞尔函数，j是虚数单位；空间角谱A0(l)表示为式中，t(r)表示FZP对应的振幅透过率函数，这里假设了均匀平面波照明。由式(4)得到FZP后三维光强分布为对于非偏振光、圆偏振光和径向偏振光照明情形，同样可以利用矢量角谱理论给出光场传播积分表达式。(3)快速汉克尔变换算法在式(3)和式(4)的计算过程中，需要执行零阶和一阶汉克尔变换，因此汉克尔变换的计算效率及精度很关键，为了加速运算，编程实现一种快速汉克尔变换算法(参见文献A.E.Siegman.QuasiFastHankelTransform.OpticsLetters,1977,1:13-15)，该算法具有计算速度快、精度高、极低计算机存储要求等显著优点，基本原理是在标准汉克尔变换积分表达式中，利用非线性指数函数变量替换，将标准单边汉克尔变换表示为双边互相关积分，经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光波长精密测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，给定照明波长λ0、焦距f和环带数N，根据公式

【技术特征摘要】
1.一种激光波长精密测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，给定照明波长λ0、焦距f和环带数N，根据公式得到菲涅尔波带片(FZP)的各环半径值rn；步骤二，根据矢量角谱理论计算照明波长为λi的线偏振光垂直照明FZP时聚焦光斑的轴向强度点扩散函数，并由主瓣最大峰值对应的轴向坐标得到焦距zp；步骤三，取λi＝λ0+Δλ，且Δλ＝mΛ,m＝0,±1,±2,...，Λ是波长间隔，执行步骤二，得到不同离散波长λi对应的焦距zp，形成二维数组(λi，zp)；步骤四，根据(λi，zp)，利用线性相关系数rc确定线性测量区间[λmin,λmax]，满足|rc|≥0.99；步骤五，在[λmin,λmax]波长范围区间，根据数组(λi，zp)利用线性最小二乘拟合法获得线性曲线zp＝aλi+b，为线性测量曲线；步骤六，对于待测未知激光波长λx，通过压电陶瓷纳米位移台轴向步进扫描点探测器测得焦距zp,x，根据线性测量曲线获得未知波长λx＝(zp,x-b)/a。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，刘强，杨树明，刘康，王一鸣，田博，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61