强激光系统光学制造误差与光束质量关系的定量分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种强激光系统光学制造误差与光束质量关系的定量分析方法：１）采用光学检测装置获得被测光学元件的制造误差数据；２）根据光学元件的制造误差数据，计算其误差梯度分布；３）计算误差梯度对光束相位调制的传递函数；４）根据光学系统的结构参数，计算光学系统对激光束的传输影响；５）由光学元件制造误差与光束质量之间的定量关系模型，计算目标表面上的光束质量指标；６）根据强激光系统对光束质量的要求，判断光学元件的合格性，为指导修正加工提供数据分析结果。它对于提高强激光系统的工作性能，合理设计、控制确定性加工条件下光学元件的制造误差具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学评价方法，涉及用于强激光系统中的光学元件制造误差与光束质量之间定量关系的分析方法。
技术介绍
在强激光系统中，通过发射光学系统将激光束输出到远场焦面上，从而减小发散角，并通过聚焦光学系统将激光束聚焦，以实现高聚能要求。光学元件在制造过程中存在面形误差，按照小尺度自聚焦理论，光学元件制造误差将形成对光场振幅和相位的微小扰动，经过传输后，由于非线性增长，振幅和相位的扰动都将形成对光强的调制；光学元件中频、高频误差作为光束强度和相位扰动的噪声源，也是造成焦斑旁瓣和非线性自聚焦破坏的主要根源之一。常用于评价光束质量的参数除了斯特列尔比外，还有M2因子、远场发散角和环围能量比等；与其它的指标相比，环围能量比更适用于能量输送、耦合型应用场合。针对光学元件制造误差与光束质量的定量关系进行分析，对于提高强激光系统的工作性能，合理设计和控制小磨头数控加工、磁流变研抛、离子束抛光等确定性加工条件下光学元件的制造误差具有重要意义。 美国在研制激光ICF工程“国家点火装置(NIF)”的过程中，LLNL实验室提出了评价光学元件制造误差的新方法采用误差梯度GRMS来表征面形误差的低频段，但它没有给出与光束质量指标的定量关系表达式。中国科学院光电技术研究所从光学元件制造误差的频域分布入手，利用功率谱密度函数PSD、点衍射函数来分析环围能量，以确定相应频段误差范围内的能量损失情况，进而评价光学元件的合格性；但这种方法基于频域分析，给出的是一种整体性评价结论，无法确定光学元件误差梯度和远场光强的分布特性，从而不能为下一步进行光学修正加工提供指导。 在强激光系统中，对环围能量比、光强分布等光束质量指标起主要影响的是光学元件的面形误差梯度。目前国内外关于误差梯度与环围能量比之间还没有明确、通用的定量分析方法，该领域研究尚属空白。 我们曾经提出光学元件面形误差对远场环围能量比的影响关系(参见发表于《光学精密工程》2007年第9期的论文“光学面形误差对环围能量比的影响”)，其重点是利用高斯型相位误差模拟光学元件加工误差，分析其对远场环围能量比的影响，并通过理论分析与仿真结果进行对比来确定环围能量比计算公式的适用范围。 这种评价方法的不足之处在于 其一仅仅针对发射光学系统进行分析，分析结果不一定适用于其它的光学系统； 其二只对理论计算与仿真结果进行对比，而没有具体的实验结果进行验证； 其三没有应用于具体的实例评价中。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题克服现有评价技术和方法的不足，提出一种。该方法对于提高强激光系统的工作性能，合理设计、控制确定性加工条件下光学元件的制造误差具有重要意义。 实现本专利技术目的技术方案通过以下步骤完成 1)采用光学检测装置获得被测光学元件的制造误差数据； 2)根据光学元件的制造误差数据，计算其误差梯度分布； 3)根据光学元件制造误差对激光束进行相位调制的特点，由公式 计算误差梯度对光束相位调制的传递函数，式中，k＝2π/λ为波数，λ为激光波长，σΔ为光学元件制造误差梯度的均方根值，(u，v)为光学元件的空间坐标； 4)根据光学系统的结构参数，由公式 计算光学系统对激光束的传输影响，式中，T(u，v)为传输因子，A0、ω0分别为入射高斯光束的幅值和束腰宽度，L1、L2为传输距离，L0＝k2ω04+4L12、L12＝4L0L22+8L0L1L2+L02；对于不同的光学系统，相应的传输因子T(u，v)不同。 5)由光学元件制造误差与光束质量之间的定量关系模型 计算目标表面上的光束质量指标，所述定量关系模型根据激光束在光学元件表面上的光强分布 令ρ2＝x2+y2＝λ2L22(fx2+fy2)后得到； 6)根据强激光系统对光束质量的要求，判断光学元件的合格性，为指导修正加工提供数据分析结果。 在焦斑半径r＝w(w为激光束束宽)时对应的环围能量比大于84％视为合格。当不满足要求时，确定出光学元件表面误差梯度分布幅值较大的区域，为指导修正加工提供数据分析结果。 本专利技术方法与现有技术相比，优点在于 1、本专利技术方法以光学元件制造误差的梯度分布为基础，直接建立其与光束质量指标之间的关系模型，实现确定性光学加工条件下远场光强分布、环围能量比等光束质量指标的数值求解，而没有限定于发射光学系统这类特定的光路结构； 2、通过实验方法对分析结果进行了验证； 3、通过步骤3)、步骤4)能够分别分析光学元件制造误差对激光束的调制影响、光学系统结构参数对激光束的传输影响。 本专利技术方法对于提高强激光系统的工作性能，合理设计、控制确定性加工条件下光学元件的制造误差具有重要意义。 附图说明 图1是测试光学元件制造误差对激光束影响的强激光系统光路结构示意图； 图2是利用Wyko波面干涉仪测量的光学元件制造误差分布图； 图3是光学元件制造误差对远场光强分布影响的仿真图； 图4是入射激光束受光学元件制造误差影响后，采用光强分析仪测量的远场光强分布图； 图5是光学元件制造误差梯度对环围能量比的影响曲线对比图。 具体实施例方式 实施例 通过本专利技术方法，分析离子束加工后Φ100mm微晶玻璃平面镜的面形误差在激光束作用下对光束质量的定量影响。 本专利技术方法所应用的强激光系统光路结构如图1所示，包括激光器1、光阑2、待测试的光学元件3、长焦透镜4和光强分析仪5。通过本专利技术方法分析光学制造误差与光束质量的定量关系。 ①采用Wyko波面干涉仪检测Φ100mm微晶玻璃平面镜在离子束加工后的面形误差数据，并利用Wyko波面干涉仪测量软件自带分析功能去除常数项和倾斜项的影响，测量结果如图2所示。从图中可以看出照射区域中心的面形误差(即由受热变形引起)最大，说明受热最多，与高斯型入射光束一致。 也可采用哈特曼阵列、剪切干涉仪等光学检测装置，必要时还可配备相应的反射镜自准装置或激光光源等，测量或分析过程中去除面形误差常数项和倾斜项的影响。 ②根据光学元件制造误差的测量数据，计算其梯度分布。 通过Wyko波面干涉仪获得光学元件的制造误差数据W(x，y)后，分别求出各测量点X、Y两方向的误差梯度WX(xi，yj)和WY(xi，yj)。由于误差梯度对噪声十分敏感，为了保证计算精度，需要采用高精度的梯度计算公式。我们采用理查德外推公式进行求解 式中，W(x，y)为光学元件的制造误差，hx、hy分别表示误差数据点在X、Y方向的采样间隔。采样间隔越小，上式的计算误差越小。在实施例中hx＝hy＝109.37μm，上式可以获得足够高的计算精度。 基于上述计算结果，光学元件制造误差的梯度分布为 ③根据光学元件制造误差对激光束进行相位调制的特点，计算其调制传递函数。 在计算机控制小磨头数控加工、磁流变研抛、离子束抛光等确定性光学加工条件下，光学元件制造误差梯度对光束进行相位调制的传递函数为 Hs(u，v)＝E{exp} 采用一阶近似表示为 根据概率统计理论，可得 一般情况下，X、Y方向误差梯度分布的均方根值近似相等且相关性非常小，此时有σΔx≈σΔy、r≈0，即σΔ2≈2σΔx2≈2σΔy2，从而有 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强激光系统光学制造误差与光束质量关系的定量分析方法，其特征在于通过以下步骤完成：　１）采用光学检测装置获得被测光学元件的制造误差数据；２）根据光学元件的制造误差数据，计算其误差梯度分布；３）根据光学元件制造误差对激光束进行相位调制的特点，由公式Ｈ↓［ｓ］（ｕ，ｖ）＝ｅｘｐ［－ｋ↑［２］σ↓［Δ］↑［２］（ｕ↑［２］＋ｖ↑［２］）］计算误差梯度对光束相位调制的传递函数，式中，ｋ＝２π／λ为波数，λ为激光波长，σ↓［Δ］为光学元件制造误差梯度的均方根值，（ｕ，ｖ）为光学元件的空间坐标；４）根据光学系统的结构参数，由公式：Ｈ↓［０］（ｕ，ｖ）＝Ｔ（ｕ，ｖ）.πＡ↓［０］↑［２］ω↓［０］↑［２］／２.ｅｘｐ［－Ｌ↓［１２］（ｕ↑［２］＋ｖ↑［２］）／８Ｌ↓［０］ω↓［０］↑［２］Ｌ↓［２］↑［２］］计算光学系统对激光束的传输影响，式中，Ｔ（ｕ，ｖ）为传输因子，Ａ↓［０］、ω↓［０］分别为入射高斯光束的幅值和束腰宽度，Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］为传输距离，Ｌ↓［０］＝ｋ↑［２］ω↓［０］↑［４］＋４Ｌ↓［１］↑［２］、Ｌ↓［１２］＝４Ｌ↓［０］Ｌ↓［２］↑［２］＋８Ｌ↓［０］Ｌ↓［１］Ｌ↓［２］＋Ｌ↓［０］↑［２］；对于不同的光学系统，相应的传输因子Ｔ（ｕ，ｖ）不同；５）由光学元件制造误差与光束质量之间的定量关系模型：ＰＩＢ（ｒ）＝∫↓［０］↑［ｒ］ρ.Ｉ（ρ）.ｄρ／∫↓［０］↑［＋∞］ρ.Ｉ（ρ）.ｄρ计算目标表面上的光束质量指标，所述定量关系模型根据激光束在光学元件表面上的光强分布：Ｉ（ｆ↓［ｘ］，ｆ↓［ｙ］）＝１／λ↑［２］Ｌ↓［２］↑［２］＊｛Ｈ↓［０］（ｕ，ｖ）Ｈ↓［ｓ］（ｕ，ｖ）｝，令ρ↑［２］＝ｘ↑［２］＋ｙ↑［２］后得到；６）根据强激光系统对光束质量的要求，判断光学元件的合格性，为指导修正加工提供数据分析结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李圣怡，戴一帆，王贵林，杨智，吴冬良，吴宇列，陈善勇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]