光束相位在线测量装置和测量方法

摘要

一种光束相位在线测量装置和测量方法，装置包括：沿待测光束的传播方向依次为缩束器、相位板阵列和光斑探测器，所述的相位板阵列由N块相位分布已知的相位板依次排列组成，其中N为大于1的正整数，所述的相位板阵列和光斑探测器通过固定支杆固定，所述的光斑探测器的输出端与计算机的输入端相连。本发明只需要一个光斑探测器，一块或者多块已知分布的随机相位板及相应的固定装置，成本远远低于常见干涉仪，只需要记录一幅衍射光斑，对环境稳定性要求低，分辨率大为提高，显著提高CDI算法的收敛速度，增强鲁棒性，可用于光学元件的高精度检测和波前相位测量，脉冲激光的波前检测，特别是高功率激光驱动器中波前在线测量。

主权项

利用光束相位在线测量的装置进行光束相位的测量方法，所述的光束相位在线测量装置构成包括：沿待测光束的传播方向依次为缩束器(1)、相位板阵列(2)和光斑探测器(8)，所述的相位板阵列(2)由N块相位分布已知的相位板(3‑6)依次排列组成，其中N为大于1的正整数，所述的相位板阵列(2)和光斑探测器(8)通过固定支杆(7)固定，所述的光斑探测器(8)的输出端与计算机的输入端相连；其特征在于该方法包括以下步骤：1)根据待测光束的直径，调节所述的缩束器(1)，使待测光束经过所述的相位板阵列(2)后的光斑的直径与所述的光斑探测器(8)靶面的直径相当；2)将所述的光束相位在线测量的装置置于待测的光路中并垂直于光轴；3)待测光束经过相位板阵列(2)后由所述的光斑探测器(8)记录待测光束的光斑强度分布I并输入所述的计算机；4)所述的计算机通过下列迭代运算实现波前再现包括下列步骤：①首先确定一个入射面(9)，通常待测光束的高频量相对基频量比较弱，因此总能找到一个入射面(9)，在这个入射面(9)上光波的主要能量集中在某一点或者某一个范围之内，且该范围半径为R，若待测光束为球面波且焦点在所述的相位板阵列(2)的第一块相位板(3)之前，则该焦点所在的平面即为入射面(9)；其他情况下第一块相位板(3)入射光的频谱面即为入射面(9)，所述的相位板阵列(2)的各个相位板的复振幅透过率依次为P₁，P₂，…P_N，相邻两块相位板的距离依次为：②对入射面(9)的光波分布进行随机猜测得到G₁，根据各个面之间的传播距离计算并模拟光波从入射面到所述的光斑探测器(8)的传播过程，并在光斑记录面根据实际记录的光斑强度分布I对计算值进行更正并进行迭代运算，第k次迭代过程为：③根据衍射理论计算入射面(9)的光波G_k传播到第一块相位板面(3)的分布，并作为其相位板阵列(2)的照明光Illu_k,1；④计算Illu_k,1经过相位板阵列(2)后的出射光分布为O_k,N，若第i块相位板的出射波为O_k,i，则传播相应距离后作为i+1块相位板的照明光Illu_k,i+1，第i+1块相位板的出射波函数表示为：其中，表示光波O_k,i传播距离的过程；⑤根据所述的相位板阵列(2)的出射光波分布O_k,N计算光斑探测器(8)的探测面上的复振幅分布Diff_k：其中，L为所述的相位板阵列(2)的最后一块相位板(6)到所述的光斑探测器(8)的探测面的距离，同时计算的复振幅Diff_k和的误差Er_k${\mathrm{Er}}_k=\frac{\Sigma {\left(\right|{\mathrm{Diff}}_k|-\sqrt{I})}^2}{\Sigma I};$⑥根据实际记录的光斑强度分布I对计算得到的分布进行更新，得到Diff'_k：其中，为Diff_k的相位分布；⑦逆向传播Diff'_k到相位板阵列(2)得到其中，表示逆向传播过程；⑧逆向传播O'_k,N，按下列公式计算第i块相位板照明光的更新分布为：⑨再次逆向传播Illu'_k,1到达入射面(9)，得到更新后的入射面(9)波函数G'_k，根据入射面(9)光能量的分布特点，半径R范围以外的G'_k强制为0，R范围以内的不变，得到G_k+1，作为k+1次循环入射面(9)的初始猜测分布；⑩重复步骤③到⑨，直到误差Er_k变化较小或不变，停止迭代过程，得到待测光束波前相位的分布。