一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法

摘要

本发明提供一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法，该方法的测量装置包括一对正交光楔、聚焦透镜、CCD成像器件和计算机系统，入射激光束经两块楔角朝向彼此正交的光楔器件的分束及聚焦透镜的会聚后，在位于透镜焦平面内的CCD光敏面上形成峰值强度依次衰减的子光斑阵列，采取有效的方法将所测得的各子光斑进行拼接融合，最终重构得到完整的激光远场焦斑强度分布。本发明可以大幅度拓展CCD的测量动态范围，将实际焦斑的大量高频旁瓣信息从CCD背景噪声中提取出来，使准确测量和评估光束质量成为可能。

主权项

1.一种基于正交光楔分光特性及焦斑重构算法的激光远场焦斑测量方法，其特征在于：该方法的测量装置包括：一对正交光楔器件（1和2）、聚焦透镜（3）、CCD成像器件（4）和计算机系统（5）；其中，一对正交光楔器件即两光楔的楔角彼此正交，并且该两光楔于聚焦透镜（3）前表面位置密接放置，CCD成像器件（4）的光敏面与聚焦透镜的焦平面重合；待测量激光束经正交光楔组（1和2）分束后被聚焦透镜（3）会聚，在CCD成像器件（4）光敏面上不同探测区域内形成不同能量衰减的子光斑，计算机系统（5）采集CCD成像器件（4）输出的数据，采取有效的焦斑拼接和重构方法实现高动态范围焦斑的测量；其中，所述两光楔（1和2）的楔角分别为θ₁、θ₂，所述两光楔中其中一个光楔（1）的A面和B面的反射率分别为R_1A、R_1B，所述两光楔中另一个光楔（2）的A面和B的反射率分别为R_2A、R_2B，此时CCD光敏面上形成四个子光斑；焦斑拼接和重构方法具体步骤为：步骤（1）、光楔衰减比及子光斑相对位置标定：在对实际激光的远场焦斑进行测量之前，通过调整合适的衰减使得在CCD光敏面上形成四个不饱和子光斑，且其信噪比足够高以消除随机起伏噪声的影响，提取各子光斑的峰值强度灰度值（即ADU值）及其位置，将其作为各子光斑拼接融合的依据；设四个子光斑的峰值强度比例关系为I_p,1:I_p,2:I_p,3:I_p,4＝t₁:t₂:t₃:t₄，其中：t₁≥t₂≥t₃≥t₄，各子光斑峰值点像素坐标分别为（x₁,y₁），（x₂,y₂），（x₃,y₃）和（x₄,y₄）；步骤（2）、在激光远场焦斑测量中，通过调整衰减片的衰减倍率，使得在CCD光敏面上不同探测区域内形成能量依次衰减的子光斑，分别记为Spot_1～Spot_4，其中，Spot_3～Spot_1中心峰值强度依次增加且呈现出不同程度的饱和，而衰减最多的子光斑Spot_4处于测量仪器的线性响应范围之内，将CCD所测得的子光斑Spot_1～Spot_4的光强分布分别记为I₁～I₄；步骤（3）、将Spot_4的光强度分布乘以比例系数t₃/t₄，得到一新的光斑，记为Spot_3_new，其强度分布可表示为步骤（4）、设测量仪器的线性范围为[0T]，保留Spot_3光强分布中小于T的测量数据并令大于T的中心主核区域数据为T，同时保留Spot_3_new强度分布中大于阈值T的中心主核区域数据并令小于T的受噪声污染的高频旁瓣数据为零，将经过上述处理后的两个远场光斑分别记为Spot_3_lobe和Spot_3_center，它们的光强分布可分别表示为：$I_{3,\mathrm{lobe}}(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}T& \mathrm{for}{I}_3(x,y)>T\\ I_3(x,y)& \mathrm{other}\end{array}\right.$$I_{3,\mathrm{center}}(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}{I}_3^{\prime }(x,y)& \mathrm{for}{I}_3^{\prime }(x,y)>T\\ 0& \mathrm{other}\end{array}\right.;$步骤（5）、根据第一步标定得到的子光斑中心位置坐标，将Spot_3_lobe和Spot_3_center进行拼接，从而得到较为完整的焦斑，将其仍记为Spot_3，其强度分布变为：I₃(x,y)＝I_3,lobe(x,y)+I_3,center(x±(x₃-x₄),y±(y₃-y₄))-T上式中等号右边“±”号的选取根据子光斑Spot_3_lobe和Spot_3_center相对位置来确定；步骤（6）、重复步骤（2）～（5），并利用各子光斑之间相对衰减比例，依次对子光斑Spot_2和Spot_1高频旁瓣数据进行拼接融合，从而最终得到既包含待测焦斑中心主核区域分布信息，又包含其高频旁瓣组分的完整的焦斑分布形态。