專利名稱：一種基于正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光諧振腔腔鏡失調(diào)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，特別是一種基于正支共焦非穩(wěn)腔腔內(nèi)不同元件失調(diào)的快速判斷及失調(diào)量準(zhǔn)確測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
由于目前采用正支共焦非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)的激光器工作波長(zhǎng)一般都在紅外區(qū)域(譬如1.315μm、3.8μm)，研究發(fā)現(xiàn)腔鏡失調(diào)后會(huì)直接帶來(lái)近場(chǎng)光強(qiáng)分布不均，光束偏心，并且若腔鏡失諧角較大時(shí)還會(huì)直接帶來(lái)許多光學(xué)像差的增大，因此如何對(duì)腔鏡的失調(diào)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將其調(diào)回到初始標(biāo)定位置，這對(duì)于判斷諧振腔在出光前(脈沖激光器)是否出現(xiàn)失調(diào)以及究竟是哪面腔鏡出現(xiàn)了失調(diào)等非常關(guān)鍵，這是保證諧振腔輸出較好光束質(zhì)量的重要前提之一，目前在非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)對(duì)光腔模式的影響方面有前人作過(guò)一些探索和嘗試。
D.anafi等人在“Intracavity Adaptive Optics.2Tilt CorrectionPerformance”，Applied Optics，Vol.20，No.11，June 1981，pp.1926～1932中的實(shí)驗(yàn)研究了1)對(duì)非穩(wěn)腔引入靜態(tài)傾斜，COAT自適應(yīng)系統(tǒng)閉環(huán)；2)、增大引入的靜態(tài)傾斜量，自適應(yīng)系統(tǒng)處于連續(xù)閉環(huán)模式；3)引入動(dòng)態(tài)傾斜，自適應(yīng)系統(tǒng)閉環(huán)；研究了自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)于腔內(nèi)傾斜的校正效果。發(fā)現(xiàn)當(dāng)腔內(nèi)傾斜較小、采用適當(dāng)閉環(huán)模式系統(tǒng)對(duì)傾斜像差的校正效果效果較好，但當(dāng)擾動(dòng)增大到一定量值時(shí)，采用爬山法原理的腔內(nèi)自適應(yīng)像差校正是失敗的。
Robert L.Sanderson等在“Laser Resonators with Tilted Reflectors”，Applied Optics，Vol.8，No.11，November 1969，pp.2241～2248中采用數(shù)值計(jì)算方法定量研究了腔內(nèi)傾斜失調(diào)對(duì)于對(duì)低階模衍射損耗的影響。
國(guó)內(nèi)的杜燕貽在“無(wú)源虛共焦非穩(wěn)腔光束特性模擬”，強(qiáng)激光與粒子束，Vol.12，No.2，April 2000，pp.164～168中采用FFT方法研究了無(wú)源虛共焦腔的光束特性，給出了三維穩(wěn)態(tài)模型。研究了腔鏡傾斜效應(yīng)和變反射率耦合輸出鏡導(dǎo)致的光束質(zhì)量和輸出功率變化等問(wèn)題，討論了在中等放大率和大Fresnel數(shù)模式下的近場(chǎng)光束特性和遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量。
上述的研究對(duì)腔內(nèi)傾斜像差對(duì)諧振腔輸出模式的影響進(jìn)行了有益探索，但都沒(méi)有涉及一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題由于腔內(nèi)元件的失調(diào)在腔外監(jiān)測(cè)可能存在某些共性，簡(jiǎn)言之，凹鏡失調(diào)與凸鏡失調(diào)效果有某些類似性，譬如都會(huì)引起近場(chǎng)光強(qiáng)分布不均，光束偏心和傾斜像差的增大。若凹鏡失調(diào)后誤采用凸鏡進(jìn)行補(bǔ)償，就將帶來(lái)光路不共軸從而可能引起某些光學(xué)像差的增大，因此如何判斷和監(jiān)測(cè)腔內(nèi)不同光學(xué)元件的失調(diào)，并將其分別調(diào)回初始標(biāo)定位置是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。目前關(guān)于對(duì)非穩(wěn)腔腔內(nèi)不同元件的分別監(jiān)測(cè)方法在國(guó)內(nèi)尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)及其監(jiān)測(cè)方法，可以對(duì)諧振腔腔鏡失調(diào)原因快速做出判斷，分析出諧振腔內(nèi)出現(xiàn)失調(diào)的光學(xué)元件并將其調(diào)回初始標(biāo)定位置，從而對(duì)光腔腔鏡做到了有針對(duì)性地分別調(diào)整，達(dá)到縮短激光器出光前等待時(shí)間的目的。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于它由He-Ne光源、非穩(wěn)腔腔鏡、光束匹配系統(tǒng)、H-S波前傳感器、分光鏡、自準(zhǔn)直儀、圖像采集和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、聚焦透鏡、質(zhì)心探測(cè)CCD、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)及其控制器組成，其中非穩(wěn)腔腔鏡由45°反射鏡組、耦合輸出鏡，凸面鏡、凹面鏡構(gòu)成，He-Ne光源在45°反射鏡組之前，45°反射鏡組為反射鏡模塊組，由兩塊夾角為90°的反射鏡1和2構(gòu)成，45°反射鏡組中反射鏡上開有孔(一般直徑為Φ1.5mm左右)，凸面鏡位于凹面鏡之前并靠近凹面鏡(二者間距為200～300mm為宜，原因在于其一，腔鏡機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)本身有一定尺寸，因此間距不能為零；其二，為避免主激光出光時(shí)由于光腔中部動(dòng)態(tài)增益介質(zhì)帶來(lái)的擾動(dòng)，應(yīng)使凹、凸腔鏡都盡量遠(yuǎn)離增益介質(zhì)；且應(yīng)使系統(tǒng)腔長(zhǎng)為非穩(wěn)腔設(shè)計(jì)腔長(zhǎng)L)，諧振腔腔長(zhǎng)為設(shè)計(jì)腔長(zhǎng)，其中45°反射鏡組、耦合輸出鏡，凸面鏡、凹面鏡共同組成非穩(wěn)腔和調(diào)腔光輸出光路；耦合輸出鏡位于凸面鏡之前并盡量貼近凸面鏡且與光軸夾角為45°；光束匹配系統(tǒng)位于耦合輸出鏡前方，H-S傳感器位于光束匹配系統(tǒng)之前；分光鏡位于He-Ne光源和反射鏡模組之間，質(zhì)心探測(cè)CCD位于聚焦透鏡的焦平面上，聚焦透鏡位于分光鏡和質(zhì)心探測(cè)CCD之間，質(zhì)心探測(cè)CCD探測(cè)到的光斑由圖像采集和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像采集和分析處理，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)計(jì)算光束質(zhì)心位置偏移量(x和y方向，約15幀/秒)，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)及其控制器分別對(duì)失調(diào)后的凸面鏡和凹面鏡的腔鏡進(jìn)行精確調(diào)整。
基于正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于首先觀察光束質(zhì)心實(shí)時(shí)計(jì)算軟件(針對(duì)光束質(zhì)心探測(cè)CCD)，光束x和y方向質(zhì)心是否發(fā)生偏離，若出現(xiàn)偏離則采用步進(jìn)電機(jī)調(diào)整系統(tǒng)(精度0.6″)調(diào)整凸面鏡(二維旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié))至標(biāo)定零點(diǎn)；其次觀察波前重構(gòu)軟件中的各階Zernike像差系數(shù)(對(duì)H-S波前傳感器編寫)是否偏離標(biāo)定零點(diǎn)，若出現(xiàn)偏離采用步進(jìn)電機(jī)及其控制器對(duì)凹面鏡進(jìn)行精確調(diào)整，最后利用自準(zhǔn)直儀準(zhǔn)確測(cè)量凹面鏡失調(diào)角，這樣就做到了對(duì)腔內(nèi)不同光學(xué)元件失調(diào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，具體步驟如下(1)首先對(duì)凸面鏡失調(diào)的監(jiān)測(cè)，對(duì)凸面鏡失調(diào)的監(jiān)測(cè)由He-Ne光源、反射鏡模組中的反射鏡、凸面鏡、分光鏡、聚焦透鏡和質(zhì)心探測(cè)CCD共同構(gòu)成，監(jiān)測(cè)步驟如下a.調(diào)整分光鏡、聚焦透鏡使經(jīng)凸面鏡反射回的光束最終成像于質(zhì)心探測(cè)CCD焦平面上；b.由實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件進(jìn)行光斑質(zhì)心(x和y方向)的實(shí)時(shí)讀取及計(jì)算；
c.對(duì)探測(cè)到的光斑進(jìn)行定標(biāo)，以確定初始零點(diǎn)，以后凸面鏡失調(diào)后算出的光斑質(zhì)心偏移量都是相對(duì)于這一標(biāo)定點(diǎn)而言，若光斑質(zhì)心發(fā)生偏移，則凸面鏡出現(xiàn)失調(diào)，用步進(jìn)電機(jī)及控制器調(diào)整其至標(biāo)定零點(diǎn)；(2)對(duì)凹面鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)步驟如下a.光腔調(diào)整共軸后，用H-S波前傳感器探測(cè)耦合輸出光束(遮攔比為1∶2的環(huán)形光束，直徑約50mm)，由圖像采集和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)分析光束像差，以光腔調(diào)整共軸后的輸出光束作為H-S波前傳感器的標(biāo)定零點(diǎn)；b.由于凸面鏡的失調(diào)量可由上述步驟(1)所述方法實(shí)時(shí)探測(cè)并計(jì)算出，那么可首先將凸面鏡調(diào)回上述步驟(1)中的標(biāo)定零點(diǎn)(進(jìn)一步地可以實(shí)時(shí)閉環(huán)控制)，由于已經(jīng)糾正了凸面鏡失調(diào)，那么這時(shí)H-S波前傳感器反映出的波前像差即為凹面鏡造成的，可用步進(jìn)電機(jī)及控制器精確調(diào)整凹面鏡至標(biāo)定零點(diǎn)，因此做到了有針對(duì)性地再對(duì)失調(diào)后的凹面鏡進(jìn)行調(diào)整；(3)采用精度為0.1″的自準(zhǔn)直儀準(zhǔn)確測(cè)量凹面鏡失調(diào)角，具體步驟如下a.將凹面鏡背面設(shè)計(jì)為拋光良好的光學(xué)面，并鍍對(duì)He-Ne譜線(0.6328μm)的高反膜，調(diào)整自準(zhǔn)直儀使凹面鏡背面清晰成像于自準(zhǔn)儀的焦面上；b.然后用自準(zhǔn)直儀中的十字叉絲瞄準(zhǔn)凹面鏡的像并以這一位置作為讀數(shù)零位，這樣凹面鏡失調(diào)角度即可測(cè)出。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下有益效果(1)提出了一種新穎的激光諧振腔腔鏡失調(diào)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，對(duì)正支共焦腔中的凹、凸腔鏡做到了實(shí)時(shí)分別監(jiān)測(cè)，并對(duì)失調(diào)后的光腔有針對(duì)性地分別重新調(diào)整共軸，縮短了激光器出光前的等待時(shí)間。原因如下我們研究發(fā)現(xiàn)若凸鏡出現(xiàn)失調(diào)，則反映在質(zhì)心探測(cè)CCD上的光斑將有明顯的偏移；而凹鏡出現(xiàn)失調(diào)后，反映在質(zhì)心探測(cè)CCD上的光斑偏移量則無(wú)明顯變化，而輸出光束中的Zernike像差(特別是低階Z1或Z2系數(shù))則發(fā)生明顯的變化。因此采用了首先判斷凸面鏡的失調(diào)情況，并將其調(diào)整至最初標(biāo)定零點(diǎn)；其次，由于反射鏡模組被做成了不可調(diào)或一面鏡子可微調(diào)機(jī)構(gòu)，再將其完全固緊后可認(rèn)為它與具有二維調(diào)整機(jī)構(gòu)的凹、凸面腔鏡相比較要穩(wěn)定得多，其失調(diào)量可忽略。因此若再排除腔內(nèi)的其它干擾(如氣流)，可認(rèn)為這時(shí)腔外哈特曼波前傳感器及波前重構(gòu)軟件反映的光束像差即為凹面鏡失調(diào)造成，這樣就可將其調(diào)整至最初標(biāo)定零點(diǎn)。
(2)本發(fā)明對(duì)凹凸腔鏡的失調(diào)采取了分別監(jiān)測(cè)的方法，即采用一面CCD以監(jiān)測(cè)質(zhì)心的方式對(duì)凸面鏡失調(diào)進(jìn)行探測(cè)，采用H-S傳感器測(cè)量耦合輸出近場(chǎng)光束相位來(lái)探測(cè)凹面鏡失調(diào)，采用高精度自準(zhǔn)直儀準(zhǔn)確測(cè)量凹面鏡失調(diào)角，凸面鏡失調(diào)角可直接由失調(diào)角與CCD探測(cè)的光斑質(zhì)心偏移量的關(guān)系曲線(實(shí)驗(yàn)表明為線性)計(jì)算出，從而作到了有針對(duì)性地對(duì)失調(diào)光腔進(jìn)行判斷和調(diào)整。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意框圖；圖2為本發(fā)明的凸面鏡傾斜失調(diào)后，失調(diào)角度(單位為秒)與CCD探測(cè)到的光斑質(zhì)心偏移量(單位為像素)之間的關(guān)系；圖3為本發(fā)明的凹面鏡失調(diào)角度與腔外光束波面PV(峰谷)值的關(guān)系曲線；圖4為本發(fā)明的凹面鏡傾斜失調(diào)33.4″時(shí)由腔外哈特曼傳感器探測(cè)，模式法波前重構(gòu)得到的光束相位分布；圖5為本發(fā)明測(cè)量的凹面鏡失調(diào)角與腔外傾斜Zernike系數(shù)的關(guān)系；圖6為本發(fā)明的光束質(zhì)心實(shí)時(shí)探測(cè)及計(jì)算分析軟件界面；圖7為本發(fā)明的光束質(zhì)心實(shí)時(shí)探測(cè)及計(jì)算分析軟件編程流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的腔內(nèi)綜合像差探測(cè)系統(tǒng)由He-Ne光源1、非穩(wěn)腔腔鏡、光束匹配系統(tǒng)6、H-S波前傳感器7、分光鏡8、自準(zhǔn)直儀9、圖像采集和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)10、聚焦透鏡11，質(zhì)心探測(cè)CCD12，步進(jìn)電機(jī)及其控制器13、14組成，其中非穩(wěn)腔由45°反射鏡組2、耦合輸出鏡3，凸面鏡4、凹面鏡5構(gòu)成，45°反射鏡組2中兩反射鏡夾角為90°，凸面鏡4位于45°反射鏡組2中開耦合孔的反射鏡1之前，且位置靠近凹面鏡5(二者間距為200～300mm為宜，原因在于其一，腔鏡機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)本身有一定尺寸，因此間距不能為零；其二，為避免主激光出光時(shí)由于光腔中部動(dòng)態(tài)增益介質(zhì)帶來(lái)的擾動(dòng)，應(yīng)使凹、凸腔鏡都盡量遠(yuǎn)離增益介質(zhì)；且應(yīng)使系統(tǒng)腔長(zhǎng)為非穩(wěn)腔設(shè)計(jì)腔長(zhǎng)L)，使腔長(zhǎng)為設(shè)計(jì)腔長(zhǎng)，凹面鏡5位于反射鏡組2中反射鏡2之前，耦合輸出鏡3位于凸面鏡4之前并貼近凸面鏡4(二者中心距為150～200mm，原因首先在于，理論分析表明正支共焦腔存在兩個(gè)自再現(xiàn)波型，而位于凸鏡處的平面波才是通常所需要的；其次，耦合輸出鏡及其機(jī)械機(jī)構(gòu)受自身尺寸限制，不能緊貼凸鏡放置，對(duì)腔長(zhǎng)較長(zhǎng)光腔而言，二者中心距在此容限度內(nèi)并不對(duì)光束質(zhì)量造成影響)，與光軸夾角為45°，以實(shí)現(xiàn)光束的側(cè)向耦合輸出。He-Ne激光1用來(lái)引入調(diào)腔光，光束匹配系統(tǒng)6將入射光束匹配到微透鏡陣列口徑大小，再成像于CCD靶面上，哈特曼波前傳感器7主要由縮束系統(tǒng)、微透鏡陣列、CCD探測(cè)器構(gòu)成。
哈特曼傳感器的參數(shù)為子孔徑數(shù)32×32陣列，動(dòng)態(tài)范圍±1.5λ/子孔徑，波面測(cè)量精度PV＜1/10λ、RMS＜1/20λ，整體傾斜測(cè)量范圍±50″；圖像采集卡型號(hào)為OK-M10A，作用是將H-S波前傳感器7的輸出信號(hào)輸入到圖像采集和處理計(jì)算機(jī)10，它與圖象采集和處理計(jì)算機(jī)10配合使用能實(shí)現(xiàn)波前連續(xù)采集并傳輸?shù)綀D象采集和處理計(jì)算機(jī)10中。
如圖1所示，本發(fā)明的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)方法，步驟如下(1)在非穩(wěn)腔失調(diào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)凸面鏡失調(diào)的監(jiān)測(cè)由He-Ne光源1、反射鏡模組2中的反射鏡1、凸面鏡4、分光鏡8、聚焦透鏡11和質(zhì)心探測(cè)CCD12共同構(gòu)成，調(diào)整分光鏡8、聚焦透鏡11使經(jīng)凸面鏡4反射回的光束成像于質(zhì)心探測(cè)CCD12焦平面上，然后由開發(fā)的實(shí)時(shí)軟件進(jìn)行光斑質(zhì)心位置的讀取及實(shí)時(shí)計(jì)算，對(duì)探測(cè)到的光斑進(jìn)行定標(biāo)(確定初始零點(diǎn)，以后凸面鏡4失調(diào)后計(jì)算出的光斑質(zhì)心偏移量都是相對(duì)于這一初始零點(diǎn)而言)。
(2)在本系統(tǒng)中，對(duì)凹面鏡5失調(diào)的監(jiān)測(cè)方法如下在光腔調(diào)整共軸后，用腔外的H-S波前傳感器7探測(cè)耦合輸出的環(huán)形光束，由圖像采集和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)10分析光束像差。以光腔調(diào)整共軸后的輸出光束作為哈特曼波前傳感器7的標(biāo)定零點(diǎn)。由于凸面鏡4的失調(diào)量可由上述步驟(1)中所述方法實(shí)時(shí)探測(cè)并計(jì)算出，就可首先將凸面鏡4調(diào)回步驟(1)中的標(biāo)定零點(diǎn)(進(jìn)一步可實(shí)時(shí)閉環(huán)控制)。由于已經(jīng)校正了凸面鏡4失調(diào)，那么這時(shí)H-S波前傳感器7反映出的光束像差即為凹面鏡5造成的，因此做到了針對(duì)性地對(duì)失調(diào)后的腔鏡進(jìn)行調(diào)整。
(3)采用精度為0.1″的自準(zhǔn)直儀9準(zhǔn)確測(cè)量凹鏡5失調(diào)角度，具體方法如下將凹面鏡5的背面設(shè)計(jì)為拋光良好的光學(xué)面并鍍對(duì)He-Ne譜線的高反膜，調(diào)整自準(zhǔn)直儀9使凹鏡背面清晰成像于自準(zhǔn)直儀9焦面上，然后利用自準(zhǔn)直儀9中的十字叉絲瞄準(zhǔn)凹面鏡5的像并以這一位置作為標(biāo)定零點(diǎn)。對(duì)于反射鏡模塊組2，由于研究發(fā)現(xiàn)它的失調(diào)不僅直接影響He-Ne調(diào)腔光耦合進(jìn)入光腔，并且對(duì)光腔內(nèi)的振蕩模式有十分顯著的影響。因此為減小影響因素，反射鏡模組2一般都做成不可調(diào)或微調(diào)機(jī)構(gòu)，且在光腔初次調(diào)整完畢后，盡可能將反射鏡模塊組2固緊。
圖2所示，為凸面鏡4傾斜失調(diào)后，失調(diào)角度(單位為秒)與質(zhì)心CCD12探測(cè)到的光斑質(zhì)心偏移量(單位為像素)之間的關(guān)系?？梢姸唛g的線性關(guān)系較好，這對(duì)下一步作光腔自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)時(shí)控制算法的選取提供了參考。對(duì)數(shù)據(jù)作了最小二乘擬合，關(guān)系為y＝-0.385+0.638x-0.002x2。
圖3為本發(fā)明的凹面鏡5失調(diào)角度與腔外光束波面PV(峰谷)值的關(guān)系曲線，這里定量研究了腔鏡失調(diào)量與腔外光束像差之間的關(guān)系，其中凹鏡傾斜失調(diào)角由自準(zhǔn)直儀測(cè)定，腔外光束采用哈特曼傳感器探測(cè)，用模式法進(jìn)行波前重構(gòu)后再求出波面PV值。結(jié)果表明，輸出光束相位PV值與凹鏡傾斜擾動(dòng)量呈現(xiàn)二次曲線分布(最小二乘擬合曲線y1＝ax12+bx1+c；a，b，c分別為0.0002，0.0069，0.3415)。在已校正凸鏡失調(diào)的情況下，腔外哈特曼傳感器測(cè)量的光束PV像差從另一方面反映了腔內(nèi)凹鏡的失調(diào)程度。
圖4所示為凹面鏡5傾斜失調(diào)角為33.4″時(shí)(由自準(zhǔn)直儀9測(cè)得)，波面PV和RMS(峰谷和均方根)值分別為0.8λ和0.11λ(去除第1、2階傾斜像差)。
圖5為由Zernike系數(shù)進(jìn)一步計(jì)算得到的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布。
圖6所示，為光束質(zhì)心實(shí)時(shí)探測(cè)及計(jì)算分析軟件界面，可實(shí)時(shí)計(jì)算、顯示光束質(zhì)心在x和y方向的位置偏移量(約15幀/秒)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集和保存，并可對(duì)失調(diào)凸鏡進(jìn)行調(diào)整，使其回復(fù)至最初共軸或標(biāo)定狀態(tài)。
如圖7所示，本發(fā)明實(shí)時(shí)軟件編程流程圖如下1.在光腔調(diào)整共軸時(shí)(腔鏡未失調(diào))，凹鏡4反射的光束再經(jīng)分光鏡8，聚焦透鏡11，成像于CCD12焦面上，這一聚焦光束首先經(jīng)圖像采集卡探測(cè)，探測(cè)軟件再對(duì)采集卡探測(cè)圖像進(jìn)行讀取。
2.首先選擇圖像閾值，根據(jù)探測(cè)到的圖像情況進(jìn)行閾值選擇，基本原則是加上閾值后，圖像既不能飽和又不至于太暗(灰度最大值在200左右即可)。其次選擇質(zhì)心計(jì)算區(qū)域(程序采用一個(gè)大小可變方形區(qū)域，可以鼠標(biāo)拖動(dòng))，使光斑位于計(jì)算區(qū)域中心并調(diào)整計(jì)算區(qū)域框?yàn)檫m當(dāng)大小。為有效減少光斑質(zhì)心計(jì)算量、計(jì)算誤差和背景噪聲帶來(lái)的干擾，計(jì)算區(qū)域框不應(yīng)選擇過(guò)大。
3.按(I)式計(jì)算光斑質(zhì)心坐標(biāo)(xc，yc)xc=ΣijxiIijΣijIij]]>yc=ΣijyiIijΣijIij---(I)]]>上式中，xi，yi為CCD靶面上第(i，j)個(gè)像素的坐標(biāo)；Iij為CCD靶面上第(i，j)個(gè)像素接收到的光強(qiáng)信號(hào)。
4.對(duì)參考光束光斑定標(biāo)，即確定標(biāo)定光束(x0，y0)位置，以后凸面鏡失調(diào)后算出的光斑質(zhì)心偏移量都是相對(duì)于這一初始零點(diǎn)而言。
5.計(jì)算出待測(cè)光束質(zhì)心(x1，y1)的位置，那么光斑質(zhì)心偏離(xp，yp)為xp＝x1-x0yp＝y(tǒng)1-y0(II)6.按照讀取采集卡的光斑圖像 計(jì)算光斑質(zhì)心偏離量 在程序界面中顯示 讀取下一幀光斑圖像，如此循環(huán)即實(shí)現(xiàn)了程序?qū)崟r(shí)性。經(jīng)估算，本程序?qū)馐|(zhì)心位置偏移量xp和yp計(jì)算速度約15幀/秒，基本做到了實(shí)時(shí)性。程序主要又三個(gè)模塊構(gòu)成即光斑質(zhì)心標(biāo)定模塊，質(zhì)心偏移量實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示模塊，質(zhì)心變化序列采集和保存模塊。在程序界面中，可以實(shí)時(shí)顯示光束質(zhì)心位置偏移量xp和yp(從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔內(nèi)凸鏡失調(diào)程度并將其重新調(diào)整共軸)；探測(cè)到的光斑圖像；偏移量xp和yp隨時(shí)間變化曲線等。
權(quán)利要求
1.基于正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于它由He-Ne光源(1)、非穩(wěn)腔腔鏡(2、3、4、5)、光束匹配系統(tǒng)(6)、H-S波前傳感器(7)、分光鏡(8)、自準(zhǔn)直儀(9)、圖像采集和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(10)、聚焦透鏡(11)、質(zhì)心探測(cè)CCD(12)、步進(jìn)電機(jī)及其控制器(13、14)組成，其中非穩(wěn)腔腔鏡由45°反射鏡組(2)、耦合輸出鏡(3)、凸面鏡(4)、凹面鏡(5)構(gòu)成，He-Ne光源(1)在45°反射鏡組(2)之前，45°反射鏡組(2)為反射鏡模塊組，由兩塊夾角為90°的反射鏡1和2構(gòu)成，45°反射鏡組(2)中反射鏡1上開有孔，凸面鏡(4)位于凹面鏡(5)之前并靠近(5)，諧振腔腔長(zhǎng)為設(shè)計(jì)腔長(zhǎng)，其中45°反射鏡組(2)、耦合輸出鏡(3)、凸面鏡(4)、凹面鏡(5)共同組成非穩(wěn)腔和調(diào)腔光輸出光路；耦合輸出鏡(3)位于凸面鏡(4)之前并盡量貼近凸面鏡(4)，與光軸夾角為45°；光束匹配系統(tǒng)(6)位于耦合輸出鏡(3)前方，H-S傳感器(7)位于光束匹配系統(tǒng)(6)之前；分光鏡(8)位于He-Ne光源(1)和反射鏡模組(2)之間，質(zhì)心探測(cè)CCD(12)位于聚焦透鏡(11)的焦平面上，聚焦透鏡(11)位于分光鏡(8)和質(zhì)心探測(cè)CCD(12)之間，質(zhì)心探測(cè)CCD(12)探測(cè)到的光斑由圖像采集和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(10)進(jìn)行圖像采集和分析處理，步進(jìn)電機(jī)及其控制器(13、14)分別對(duì)失調(diào)后的凸面鏡(4)和凹面鏡(5)的腔鏡進(jìn)行精確調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的45°反射鏡組(2)中反射鏡1上開孔的直徑為Φ1.5mm。
3.基于正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟(1)首先對(duì)凸面鏡(4)失調(diào)的監(jiān)測(cè)，對(duì)凸面鏡(4)失調(diào)的監(jiān)測(cè)由He-Ne光源(1)、反射鏡模組(2)中的反射鏡1、凸面鏡(4)、分光鏡(8)、聚焦透鏡(11)和質(zhì)心探測(cè)CCD(12)共同構(gòu)成，監(jiān)測(cè)步驟如下a.調(diào)整分光鏡(8)、聚焦透鏡(11)使經(jīng)凸面鏡(4)反射回的光束最終成像于質(zhì)心探測(cè)CCD(12)焦平面上；b.由實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件進(jìn)行光斑質(zhì)心(x和y方向)的實(shí)時(shí)讀取及計(jì)算；c.對(duì)探測(cè)到的光斑進(jìn)行定標(biāo)，以確定初始零點(diǎn)，以后凸面鏡(4)失調(diào)后算出的光斑質(zhì)心偏移量都是相對(duì)于這一標(biāo)定點(diǎn)而言，若光斑質(zhì)心發(fā)生偏移，則凸面鏡(4)出現(xiàn)失調(diào)，用步進(jìn)電機(jī)及控制器(13)調(diào)整其至標(biāo)定零點(diǎn)；(2)對(duì)凹面鏡(5)失調(diào)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)步驟如下a.光腔調(diào)整共軸后，用H-S波前傳感器(7)探測(cè)耦合輸出光束(遮攔比為1∶2的環(huán)形光束，直徑約50mm)，由圖像采集和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(10)分析光束像差，以光腔調(diào)整共軸后的輸出光束作為H-S傳感器(7)的標(biāo)定零點(diǎn)；b.由于凸面鏡(4)的失調(diào)量可由上述步驟(1)所述方法實(shí)時(shí)探測(cè)并計(jì)算出，那么可首先將凸面鏡(4)調(diào)回上述步驟(1)中的標(biāo)定零點(diǎn)(進(jìn)一步地可以實(shí)時(shí)閉環(huán)控制)，由于已經(jīng)糾正了凸面鏡(4)失調(diào)，那么這時(shí)H-S(7)反映出的波前像差即為凹面鏡(5)造成的，可用步進(jìn)電機(jī)及控制器(14)精確調(diào)整凹面鏡(5)至標(biāo)定零點(diǎn)，因此做到了有針對(duì)性地再對(duì)失調(diào)后的凹面鏡(5)進(jìn)行調(diào)整；(3)采用精度為0.1″的自準(zhǔn)直儀(9)準(zhǔn)確測(cè)量凹面鏡(5)失調(diào)角，具體步驟如下a.將凹面鏡(5)背面設(shè)計(jì)為拋光良好的光學(xué)面，并鍍對(duì)He-Ne譜線(0.6328μm)的高反膜，調(diào)整自準(zhǔn)直儀(9)使凹面鏡(5)背面清晰成像于自準(zhǔn)儀(9)的焦面上；b.然后用自準(zhǔn)直儀(9)中的十字叉絲瞄準(zhǔn)凹面鏡(5)的像并以這一位置作為讀數(shù)零位，這樣凹面鏡(5)失調(diào)角度即可測(cè)出。
全文摘要
一種新穎的正支共焦非穩(wěn)腔腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)方法，特征在于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由He－Ne光源、非穩(wěn)腔腔鏡、分光鏡、聚焦透鏡、光束質(zhì)心探測(cè)CCD、光束匹配望遠(yuǎn)鏡、步進(jìn)電機(jī)及其控制器、H－S波前傳感器、圖像采集卡、自準(zhǔn)直儀和數(shù)據(jù)采集處理計(jì)算機(jī)組成，其中正支共焦非穩(wěn)腔由45°反射鏡組、耦合輸出鏡，凸面反射鏡和凹面反射鏡構(gòu)成。采用本發(fā)明所述腔鏡失調(diào)監(jiān)測(cè)新方法能非常方便地判斷究竟是腔內(nèi)哪一類光學(xué)元件的失調(diào)，并準(zhǔn)確計(jì)算出失調(diào)量。并且腔鏡失調(diào)質(zhì)心監(jiān)測(cè)軟件還具有實(shí)時(shí)性好、便于實(shí)施對(duì)腔內(nèi)光學(xué)元件失調(diào)量進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M11/00GK1769855SQ20051008632
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者張翔, 許冰, 戴云, 楊偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所