專利名稱：四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置及其準直方法
技術領域：
本發(fā)明涉及髙功率激光裝置，尤其是一種用于髙功率激光裝置的四 程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置及其準直方法。
背景技術：
髙功率激光裝置的四程放大系統(tǒng)的光路示意圖如圖4所示，由依次 的第一反射鏡101、偏振反射鏡lll、第一透鏡105、半波片112、濾波 小孔板106、第二透鏡109和第二反射鏡110構成的四程放大系統(tǒng)，由 第一反射鏡101和第二反射鏡110構成的諧振腔，該諧振腔中有由第一 透鏡105、半波片112、濾波小孔板106和第二透鏡109構成的空間濾波 器，圖4中濾波小孔板106的平面示意圖如圖5所示。該濾波小孔板106 的中心位于該四程放大系統(tǒng)的光軸上，該濾波小孔板106呈軸對稱地分 布第一濾波小孔301、第二濾波小孔302、第三濾波小孔303和第四濾波 小孔304。 一束水平偏正態(tài)的偏振光103經過注入反射鏡104和偏振反 射鏡111進入四程放大系統(tǒng)，依次經過第一透鏡105、濾波小孔板106 的第一濾波小孔301、第二透鏡109，達到第二反射鏡IIO，反射后再依 次經過第二透鏡109、第二濾波小孔302、半波片112，此時偏振態(tài)改變 為豎直方向，再經過第一透鏡105，穿過偏振反射鏡lll，達到并被第一 反射鏡101反射，再次穿過偏振反射鏡111、第一透鏡105、半波片112， 此時偏振態(tài)又變?yōu)樗椒较?，光束穿過第三濾波小孔303，經第二反射 鏡110反射，穿過第四濾波小孔304，由偏振反射鏡111反射和注入反 射鏡104反射導出；其中第二濾波小孔302和第三濾波小孔303之前放 置半波片112，用于實現光束導入導出。
目前，高功率激光自動準直系統(tǒng)中遠場取樣最常用的方法就是在光 路中空間濾波器后某塊反射鏡后面加入一塊大口徑的凸透鏡，利用反射 鏡的漏光對遠場進行取樣，用濾波器小孔中心作為遠場基準。該方法不僅成本高而且精度有限，同時其難以在結構相對復雜的四程放大系統(tǒng)中 應用。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現有髙功率激光裝置的四程放大系統(tǒng)上述 取樣、準直方法的不足，提供一種四程放大系統(tǒng)的遠場監(jiān)視裝置及其準 直方法，該裝置不僅結構簡單、精度高，更能滿足四程放大系統(tǒng)準直調 整的需求。
本發(fā)明的技術解決方案如下
一種四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置，其構成包括
由依次的第一反射鏡、偏振反射鏡、第一透鏡、半波片、濾波小孔 板、第二透鏡和第二反射鏡構成的四程放大系統(tǒng)，所述的濾波小孔板中 心對稱地分布著第一濾波小孔、第二濾波小孔、第三濾波小孔和第四濾 波小孔，在所述的濾波小孔板后緊貼該濾波小孔板插入取樣光柵，所述 的取樣光柵與所述的濾波小孔板的四個濾波小孔相對應，制作了第一非 刻蝕區(qū)，第二非刻蝕區(qū)，第三非刻蝕區(qū)，第四非刻蝕區(qū)，每個非刻蝕區(qū) 由四個非刻蝕的小圓區(qū)構成，所述的第一非刻蝕區(qū)、第二非刻蝕區(qū)、第 三非刻蝕區(qū)和第四非刻蝕區(qū)的四個非刻蝕的小圓區(qū)的對稱中心分別構成 第一遠場基準、第二遠場基準、第三遠場基準和第四遠場基準，對準時， 所述的第一遠場基準、第二遠場基準、第三遠場基準和第四遠場基準分 別與所述的濾波小孔板的第一濾波小孔、第二濾波小孔、第三濾波小孔 和第四濾波小孔的中心重合；
在四程放大系統(tǒng)的主激光束外設置發(fā)光二極管和準直透鏡形成的照 明光束以一定角度照明所述的取樣光柵，該一定角度由照明光束經所述 的取樣光柵產生的一級衍射光的方向和所述的主激光經所述的取樣光柵 產生的一級衍射光的方向重合來決定；
在所述的一級衍射光方向設置成像透鏡和CCD探測器，該CCD探 測器的探測面位于所述的成像透鏡的像平面，該CCD探測器的輸出端 接計算機。
利用所述的四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置進行激光準直的方法，包括 以下步驟① 在所述的濾波小孔板后插入所述的取樣光柵，使所述的取樣光柵 的第一非刻蝕區(qū)、第二非刻蝕區(qū)、第三非刻蝕區(qū)和第四非刻蝕區(qū)的四個 非刻蝕的小圓區(qū)的對稱中心分別與所述的濾波小孔板的第一濾波小孔、 第二濾波小孔、第三濾波小孔和第四濾波小孔的中心重合，啟動發(fā)光二 極管，注入主激光；
② 利用CCD探測器獲取取樣光柵的衍射圖像，計算機用圖像處理
軟件計算第一程主激光焦斑的中心與第一程遠場基準的對稱中心的偏
差，調整所述的注入反射鏡，使該兩者中心基本重合；
③ 利用CCD探測器獲取取樣光柵的衍射圖像，計算機用圖像處理 軟件計算第二程主激光焦斑的中心與第二程遠場基準對稱中心的偏差， 調整第二反射鏡，使該兩者中心重合；
利用CCD探測器獲取取樣光柵的衍射圖像，計算機用圖像處理 軟件計算第三程主激光焦斑的中心與第三程遠場基準對稱中心的偏差， 調整第一反射鏡，使該兩者中心重合；
(D利用CCD探測器獲取取樣光柵的衍射圖像，計算機用圖像處理 軟件計算第四程主激光焦斑的中心與第四程遠場基準對稱中心的偏差， 核對第四程主激光焦斑的中心是否準確地與第四程遠場基準對稱中心重 合，如果不重合，繼續(xù)第② ④步，重合，則進行下一步；
⑥關閉發(fā)光二極管，從主激光光路中移出所述的取樣光柵。
所述的圖像處理軟件計算主激光焦斑中心與參考基準對稱中心偏差 的常用方法有重心法和圓擬合法等，參見呂鳳年等，"圖像處理在光路自 動準直系統(tǒng)中的應用"，光學技術，31 (3): 335 — 337。
本發(fā)明的技術效果是
利用刻有基準的透射式取樣光柵作為取樣元件和基準，可以滿足四
程放大系統(tǒng)準直的需求，也避免了在主光軸上排布探測系統(tǒng)從而加長主
光路的弊端，有利于系統(tǒng)集約化。經試用表明，本裝置具有結構簡單、
調整方便、精度高等特點。
圖1是四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置的光路示意圖
圖2是圖l局部放大圖
圖3是圖1中取樣光柵的平面示意圖。圖4是現有髙功率激光裝置的四程放大系統(tǒng)的光路示意圖
.圖5是圖4中濾波小孔板的平面示意圖 圖中101—腔第一反射鏡，102—輸出主激光，103—輸入主激光， 104—注入反射鏡，105 —空間濾波器第一透鏡，106—濾波小孔板，107 一照明準直透鏡，108 —發(fā)光二極管，109. —空間濾波器第二透鏡，110 —腔第二反射鏡，lll一偏振反射鏡，112 —半波片，113 —刻有基準的透 射取樣光柵，114一成像透鏡，115—CCD， 201—腔內主激光，202 —照 明光，203 —照明光的零級衍射光，204—主激光的一級衍射光，205_照 明光的一級衍射光，107 —照明準直透鏡，108 —發(fā)光二極管，301 _第 一程光束濾波小孔，302—第二程光束濾波小孔，303—第三程光束濾波 小孔，304—第四程光束濾波小孔，411 414是第一程光束的遠場基準， 421 424是第二程光束的遠場基準，431 434是第三程光束的遠場基 準，441 444是第四程光束的遠場基準，450 —取樣光柵刻蝕區(qū)。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本
發(fā)明的保護范圍。
先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置的光路示
意圖，由圖可見，本發(fā)明四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置的構成包括
由依次的第一反射鏡IOI、偏振反射鏡lll、第一透鏡105、半波片 112、濾波小孔板106、第二透鏡109和第二反射鏡110構成的四程放大 系統(tǒng)，所述的濾波小孔板106中心對稱地分布著第一濾波小孔301、第 二濾波小孔302、第三濾波小孔303和第四濾波小孔304，在所述的濾波 小孔板106后緊貼該濾波小孔板106插入取樣光柵113，所述的取樣光 柵113與所述的濾波小孔板106的四個濾波小孔相對應，制作了第一非 刻蝕區(qū)411 414，第二非刻蝕區(qū)421 424，第三非刻蝕區(qū)431 434， 第四非刻蝕區(qū)441 444，每個非刻蝕區(qū)由四個非刻蝕的小圓區(qū)構成，所 述的第一非刻蝕區(qū)411 414、第二非刻蝕區(qū)421 424、第三非刻蝕區(qū) 431 434和第四非刻蝕區(qū)441 444的四個非刻蝕的小圓區(qū)的對稱中心 分別構成第一遠場基準、第二遠場基準、第三遠場基準和第四遠場基準，對準時，所述的第一遠場基準、第二遠場基準、第三遠場基準和第四遠
場基準分別與所述的濾波小孔板106的第一濾波小孔301、第二濾波小 孔302、第三濾波小孔303和第四濾波小孔304的中心重合；
在四程放大系統(tǒng)的主激光束外設置發(fā)光二極管108和準直透鏡107 形成的照明光束202以一定角度照明所述的取樣光柵113，該一定角度 由照明光束202經所述的取樣光柵113產生的一級衍射光205的方向和 所述的主激光201經所述的取樣光柵113產生的一級衍射光204的方向 重合來決定；
在所述的一級衍射光205方向設置成像透鏡114和CCD探測器115， 該CCD探測器115的探測面位于所述的成像透鏡114的像平面，該CCD 探測器115的輸出端接計算機。
利用上述的四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置進行激光準直的方法，其特 征在于包括以下步驟
① 在所述的濾波小孔板106后插入所述的取樣光柵113，使所述的 取樣光柵113的第一非刻蝕區(qū)411 414、第二非刻蝕區(qū)421 424、第三 非刻蝕區(qū)431 434和第四非刻蝕區(qū)441 444的四個非刻蝕的小圓區(qū)的 對稱中心分別與所述的濾波小孔板106的第一濾波小孔301、第二濾波 小孔302、第三濾波小孔303和第四濾波小孔304的中心重合，啟動發(fā) 光二極管108，注入主激光103;
② 利用CCD探測器115獲取取樣光柵113的衍射圖像，計算機用圖 像處理軟件計算第一程主激光焦斑的中心與第一程遠場基準(411 414)
的對稱中心的偏差，調整所述的注入反射鏡104，使該兩者中心基本重 合，
(D利用CCD探測器115獲取取樣光柵113的衍射圖像，計算機用圖 像處理軟件計算第二程主激光焦斑的中心與第二程遠場基準421 424 對稱中心的偏差，調整第二反射鏡IIO，使該兩者中心重合；
④ 利用CCD探測器115獲取取樣光柵113的衍射圖像，計算機用圖 像處理軟件計算第三程主激光焦斑的中心與第三程遠場基準431 434 對稱中心的偏差，調整第一反射鏡IOI，使該兩者中心重合；
⑤ 利用CCD探測器115獲取取樣光柵113的衍射圖像，計算機用圖 像處理軟件計算第四程主激光焦斑的中心與第四程遠場基準441 444對稱中心的偏差，核對第四程主激光焦斑的中心是否準確地與第四程遠
場基準441 444對稱中心重合，如果不重合，繼續(xù)第② ④步，重合， 則進行下一步；
⑥關閉發(fā)光二極管108，從主激光光路中移出所述的取樣光柵113。 四程放大系統(tǒng)中的遠場監(jiān)視裝置的主要原理如下-①照明光衍射光與主激光衍射光的耦合。衍射角隨入射光波長的變 化關系為
J(sin<9,±sin《)=ia (1) 式中，d為取樣光柵常數，《為入射角度，《為衍射角度，K為衍射級 次，入為入射光波長?？梢姰攦墒煌ㄩL的光入射時，可以通過調整 各自的入射角使兩束光的同一級衍射光的衍射方向重合。當照明光的中 心波長小于主激光波長時，就可以通過調節(jié)照明光的入射角度，使照明 光的一級衍射光與主激光的一級衍射光重合，同時照明系統(tǒng)又不處于主 光路中，利用這級衍射光成像，就可以在同一個成像系統(tǒng)中同時看到主 激光焦斑和基準的圖像，通過圖像處理裝置就可以得出兩者的相對位 置。
②取樣光柵基準的顯示。矩形取樣光柵的衍射效率公式為<formula>formula see original document page 9</formula>
其中<formula>formula see original document page 9</formula>，r為取樣光柵脊寬，d為取樣光柵周期，m為衍射級次，e為入射角，s為折射角，h為刻槽 深度，義為入射波長，"為折射率?？梢?，利用衍射光成像時，照射到刻蝕區(qū) 的光能有一部分分到了衍射光中，照射到非刻蝕區(qū)的光能不存在衍射光；同 時，由于主激光比照明光的能量密度要大，所以在取樣系統(tǒng)中就可以得到三 種灰度分布的圖像。暗區(qū)是非刻蝕區(qū)的像，其作為基準；中等亮度區(qū)為刻蝕 區(qū)的像，其作為背景；亮區(qū)為焦斑的像，其為要調整量。
實驗結果表明，本發(fā)明用于四程放大系統(tǒng)的光路調整，由計算機計 算控制，十分方便，調整精度優(yōu)于16nm。
權利要求
1、一種四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置，特征在于其構成包括由依次的第一反射鏡(101)、偏振反射鏡(111)、第一透鏡(105)、半波片(112)、濾波小孔板(106)、第二透鏡(109)和第二反射鏡(110)構成的四程放大系統(tǒng)，所述的濾波小孔板(106)中心對稱地分布著第一濾波小孔(301)、第二濾波小孔(302)、第三濾波小孔(303)和第四濾波小孔(304)，在所述的濾波小孔板(106)后緊貼該濾波小孔板(106)插入取樣光柵(113)，所述的取樣光柵(113)與所述的濾波小孔板(106)的四個濾波小孔相對應，制作了第一非刻蝕區(qū)(411～414)，第二非刻蝕區(qū)(421～424)，第三非刻蝕區(qū)(431～434)，第四非刻蝕區(qū)(441～444)，每個非刻蝕區(qū)由四個非刻蝕的小圓區(qū)構成，所述的第一非刻蝕區(qū)(411～414)、第二非刻蝕區(qū)(421～424)、第三非刻蝕區(qū)(431～434)和第四非刻蝕區(qū)(441～444)的四個非刻蝕的小圓區(qū)的對稱中心分別構成第一遠場基準、第二遠場基準、第三遠場基準和第四遠場基準，對準時，所述的第一遠場基準、第二遠場基準、第三遠場基準和第四遠場基準分別與所述的濾波小孔板(106)的第一濾波小孔(301)、第二濾波小孔(302)、第三濾波小孔(303)和第四濾波小孔(304)的中心重合；在四程放大系統(tǒng)的主激光束外設置發(fā)光二極管(108)和準直透鏡(107)形成的照明光束(202)以一定角度照明所述的取樣光柵(113)，該一定角度由照明光束(202)經所述的取樣光柵(113)產生的一級衍射光(205)的方向和所述的主激光(201)經所述的取樣光柵(113)產生的一級衍射光(204)的方向重合來決定；在所述的一級衍射光(205)方向設置成像透鏡(114)和CCD探測器(115)，該CCD探測器(115)的探測面位于所述的成像透鏡(114)的像平面，該CCD探測器(115)的輸出端接計算機。
2、 利用權利要求1所述的四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置進行激光準直 的方法，其特征在于包括以下步驟①在所述的濾波小孔板(106)后插入所述的取樣光柵(113)，使所 述的取樣光柵(113)的第一非刻蝕區(qū)(411 414)、第二非刻蝕區(qū)(421 424)、第三非刻蝕區(qū)(431 434)和第四非刻蝕區(qū)(441 444)的四個 非刻蝕的小圓區(qū)的對稱中心分別與所述的濾波小孔板(106)的第一濾波小孔(301)、第二濾波小孔(302)、第三濾波小孔(303)和第四濾波小 孔(304)的中心重合，啟動發(fā)光二極管(108)，注入主激光(103);② 利用CCD探測器(115)獲取取樣光柵(113)的衍射圖像，計算 機用圖像處理軟件計算第一程主激光焦斑的中心與第一程遠場基準(411 414)的對稱中心的偏差，調整所述的注入反射鏡(104)，使該 兩者中心基本重合；③ 利用CCD (115)獲取取樣光柵(113)的衍射圖像，計算機用圖 像處理軟件計算第二程主激光焦斑的中心與第二程遠場基準(421 424) 對稱中心的偏差，調整第二反射鏡(110)，使該兩者中心重合；④ 利用CCD (115)獲取取樣光柵(113)的衍射圖像，計算機用圖 像處理軟件計算第三程主激光焦斑的中心與第三程遠場基準(431 434) 對稱中心的偏差，調整第一反射鏡(101)，使該兩者中心重合；⑤ 利用CCD (115)獲取取樣光柵(113)的衍射圖像，計算機用圖 像處理軟件計算第四程主激光焦斑的中心與第四程遠場基準(441 444) 對稱中心的偏差，核對第四程主激光焦斑的中心是否準確地與第四程遠 場基準(441 444)對稱中心重合，如果不重合，繼續(xù)第② ④步，重 合，則進行下一步；⑥ 關閉發(fā)光二極管(108)，從主激光光路中移出所述的取樣光柵 (113)。
全文摘要
一種用于高功率激光裝置的四程放大系統(tǒng)遠場監(jiān)視裝置及其準直方法，裝置的構成包括在所述的濾波小孔板后緊貼該濾波小孔板插入取樣光柵；在四程放大系統(tǒng)的主激光束外設置發(fā)光二極管和準直透鏡形成的照明光束以一定角度照明所述的取樣光柵；在所述的一級衍射光方向設置成像透鏡和CCD探測器，該CCD探測器的探測面位于所述的成像透鏡的像平面，該CCD探測器的輸出端接計算機。本發(fā)明解決了四程放大系統(tǒng)遠場取樣和準直調整的難題，具有設備簡單、精度高等優(yōu)點。
文檔編號G02B27/30GK101408680SQ20081020297
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權日2008年11月19日
發(fā)明者劉代中, 劉曉鳳, 朱寶強, 林尊琪, 高妍琦 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所