CN1769855B - 一种基于正支共焦非稳腔腔镜失调监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

一种新颖的正支共焦非稳腔腔镜失调监测方法，特征在于：监测系统由He-Ne光源、非稳腔腔镜、分光镜、聚焦透镜、光束质心探测CCD、光束匹配望远镜、步进电机及其控制器、H-S波前传感器、图像采集卡、自准直仪和数据采集处理计算机组成，其中正支共焦非稳腔由45°反射镜组、耦合输出镜，凸面反射镜和凹面反射镜构成。采用本发明所述腔镜失调监测新方法能非常方便地判断究竟是腔内哪一类光学元件的失调，并准确计算出失调量。并且腔镜失调质心监测软件还具有实时性好、便于实施对腔内光学元件失调量进行准确探测的优点。

Description

一种基于正支共焦非稳腔腔镜失调监测系统及其监测方法

所属技术领域

本发明涉及一种激光谐振腔腔镜失调的监测系统及其监测方法，特别是一种基于正支共焦非稳腔腔内不同元件失调的快速判断及失调量准确测量系统及其测量方法。

背景技术

由于目前采用正支共焦非稳腔结构的激光器工作波长一般都在红外区域(譬如1.315μm、3.8μm)，研究发现腔镜失调后会直接带来近场光强分布不均，光束偏心，并且若腔镜失谐角较大时还会直接带来许多光学像差的增大，因此如何对腔镜的失调作实时监测并将其调回到初始标定位置，这对于判断谐振腔在出光前(脉冲激光器)是否出现失调以及究竟是哪面腔镜出现了失调等非常关键，这是保证谐振腔输出较好光束质量的重要前提之一，目前在非稳腔腔镜失调对光腔模式的影响方面有前人作过一些探索和尝试。

D.anafi等人在“Intracavity Adaptive Optics.2：Tilt CorrectionPerformance”，Applied Optics，Vol.20，No.11，June 1981，pp.1926～1932中的实验研究了1)对非稳腔引入静态倾斜，COAT自适应系统闭环；2)、增大引入的静态倾斜量，自适应系统处于连续闭环模式；3)引入动态倾斜，自适应系统闭环；研究了自适应系统对于腔内倾斜的校正效果。发现当腔内倾斜较小、采用适当闭环模式系统对倾斜像差的校正效果效果较好，但当扰动增大到一定量值时，采用爬山法原理的腔内自适应像差校正是失败的。

Robert L.Sanderson等在“Laser Resonators with Tilted Reflectors”，Applied Optics，Vol.8，No.11，November 1969，pp.2241～2248中采用数值计算方法定量研究了腔内倾斜失调对于对低阶模衍射损耗的影响。

国内的杜燕贻在“无源虚共焦非稳腔光束特性模拟”，强激光与粒子束，Vol.12，No.2，April 2000，pp.164～168中采用FFT方法研究了无源虚共焦腔的光束特性，给出了三维稳态模型。研究了腔镜倾斜效应和变反射率耦合输出镜导致的光束质量和输出功率变化等问题，讨论了在中等放大率和大Fresnel数模式下的近场光束特性和远场光束质量。

上述的研究对腔内倾斜像差对谐振腔输出模式的影响进行了有益探索，但都没有涉及一个关键问题：由于腔内元件的失调在腔外监测可能存在某些共性，简言之，凹镜失调与凸镜失调效果有某些类似性，譬如都会引起近场光强分布不均，光束偏心和倾斜像差的增大。若凹镜失调后误采用凸镜进行补偿，就将带来光路不共轴从而可能引起某些光学像差的增大，因此如何判断和监测腔内不同光学元件的失调，并将其分别调回初始标定位置是一个非常关键的问题。目前关于对非稳腔腔内不同元件的分别监测方法在国内尚未见文献报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于正支共焦非稳腔腔镜失调监测及其监测方法，可以对谐振腔腔镜失调原因快速做出判断，分析出谐振腔内出现失调的光学元件并将其调回初始标定位置，从而对光腔腔镜做到了有针对性地分别调整，达到缩短激光器出光前等待时间的目的。

本发明的技术解决方案是：基于正支共焦非稳腔腔镜失调监测系统，其特征在于：它由He-Ne光源、非稳腔腔镜、光束匹配系统、H-S波前传感器、分光镜、自准直仪、图像采集和数据处理计算机、聚焦透镜、质心探测CCD、两个步进电机及其控制器组成，其中非稳腔腔镜由45°反射镜组、耦合输出镜，凸面镜、凹面镜构成，He-Ne光源在45°反射镜组之前，45°反射镜组为反射镜模块组，由两块夹角为90°的反射镜1和2构成，45°反射镜组中反射镜上开有孔(一般直径为φ1.5mm左右)，凸面镜位于凹面镜之前并靠近凹面镜(二者间距为200～300mm为宜，原因在于：其一，腔镜机械调整机构本身有一定尺寸，因此间距不能为零；其二，为避免主激光出光时由于光腔中部动态增益介质带来的扰动，应使凹、凸腔镜都尽量远离增益介质；且应使系统腔长为非稳腔设计腔长L)，谐振腔腔长为设计腔长，其中45°反射镜组、耦合输出镜，凸面镜、凹面镜共同组成非稳腔和调腔光输出光路；耦合输出镜位于凸面镜之前并尽量贴近凸面镜且与光轴夹角为45°；光束匹配系统位于耦合输出镜前方，H-S传感器位于光束匹配系统之前；分光镜位于He-Ne光源和反射镜模组之间，质心探测CCD位于聚焦透镜的焦平面上，聚焦透镜位于分光镜和质心探测CCD之间，质心探测CCD探测到的光斑由图像采集和数据处理计算机进行图像采集和分析处理，通过实时监控软件实时计算光束质心位置偏移量(x和y方向，约15帧/秒)，两个步进电机及其控制器分别对失调后的凸面镜和凹面镜的腔镜进行精确调整。

基于正支共焦非稳腔腔镜失调监测方法，其特征在于：首先观察光束质心实时计算软件(针对光束质心探测CCD)，光束x和y方向质心是否发生偏离，若出现偏离则采用步进电机调整系统(精度0.6″)调整凸面镜(二维旋转调节)至标定零点；其次观察波前重构软件中的各阶Zernike像差系数(对H-S波前传感器编写)是否偏离标定零点，若出现偏离采用步进电机及其控制器对凹面镜进行精确调整，最后利用自准直仪准确测量凹面镜失调角，这样就做到了对腔内不同光学元件失调的实时监测和调整，具体步骤如下：

(1)首先对凸面镜失调的监测，对凸面镜失调的监测由He-Ne光源、反射镜模组中的反射镜、凸面镜、分光镜、聚焦透镜和质心探测CCD共同构成，监测步骤如下：

a.调整分光镜、聚焦透镜使经凸面镜反射回的光束最终成像于质心探测CCD焦平面上；

b.由实时监控软件进行光斑质心(x和y方向)的实时读取及计算；

c.对探测到的光斑进行定标，以确定初始零点，以后凸面镜失调后算出的光斑质心偏移量都是相对于这一标定点而言，若光斑质心发生偏移，则凸面镜出现失调，用步进电机及控制器调整其至标定零点；

(2)对凹面镜失调监测，监测步骤如下：

a.光腔调整共轴后，用H-S波前传感器探测耦合输出光束(遮拦比为1∶2的环形光束，直径约50mm)，由图像采集和数据处理计算机分析光束像差，以光腔调整共轴后的输出光束作为H-S波前传感器的标定零点；

b.由于凸面镜的失调量可由上述步骤(1)所述方法实时探测并计算出，那么可首先将凸面镜调回上述步骤(1)中的标定零点(进一步地可以实时闭环控制)，由于已经纠正了凸面镜失调，那么这时H-S波前传感器反映出的波前像差即为凹面镜造成的，可用步进电机及控制器精确调整凹面镜至标定零点，因此做到了有针对性地再对失调后的凹面镜进行调整；

(3)采用精度为0.1″的自准直仪准确测量凹面镜失调角，具体步骤如下：

a.将凹面镜背面设计为抛光良好的光学面，并镀对He-Ne谱线(0.6328μm)的高反膜，调整自准直仪使凹面镜背面清晰成像于自准仪的焦面上；

b.然后用自准直仪中的十字叉丝瞄准凹面镜的像并以这一位置作为读数零位，这样凹面镜失调角度即可测出。

本发明与现有技术相比有如下有益效果：

(1)提出了一种新颖的激光谐振腔腔镜失调的监测系统及其监测方法，对正支共焦腔中的凹、凸腔镜做到了实时分别监测，并对失调后的光腔有针对性地分别重新调整共轴，缩短了激光器出光前的等待时间。原因如下：我们研究发现若凸镜出现失调，则反映在质心探测CCD上的光斑将有明显的偏移；而凹镜出现失调后，反映在质心探测CCD上的光斑偏移量则无明显变化，而输出光束中的Zernike像差(特别是低阶Z1或Z2系数)则发生明显的变化。因此采用了首先判断凸面镜的失调情况，并将其调整至最初标定零点；其次，由于反射镜模组被做成了不可调或一面镜子可微调机构，再将其完全固紧后可认为它与具有二维调整机构的凹、凸面腔镜相比较要稳定得多，其失调量可忽略。因此若再排除腔内的其它干扰(如气流)，可认为这时腔外哈特曼波前传感器及波前重构软件反映的光束像差即为凹面镜失调造成，这样就可将其调整至最初标定零点。

(2)本发明对凹凸腔镜的失调采取了分别监测的方法，即采用一面CCD以监测质心的方式对凸面镜失调进行探测，采用H-S传感器测量耦合输出近场光束相位来探测凹面镜失调，采用高精度自准直仪准确测量凹面镜失调角，凸面镜失调角可直接由失调角与CCD探测的光斑质心偏移量的关系曲线(实验表明为线性)计算出，从而作到了有针对性地对失调光腔进行判断和调整。

附图说明

图1为本发明的系统结构原理示意框图；

图2为本发明的凸面镜倾斜失调后，失调角度(单位为秒)与CCD探测到的光斑质心偏移量(单位为像素)之间的关系；

图3为本发明的凹面镜失调角度与腔外光束波面PV(峰谷)值的关系曲线；

图4为本发明的凹面镜倾斜失调33.4″时由腔外哈特曼传感器探测，模式法波前重构得到的光束相位分布；

图5为本发明测量的凹面镜失调角与腔外倾斜Zernike系数的关系；

图6为本发明的光束质心实时探测及计算分析软件界面；

图7为本发明的光束质心实时探测及计算分析软件编程流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的腔内综合像差探测系统由He-Ne光源1、非稳腔腔镜、光束匹配系统6、H-S波前传感器7、分光镜8、自准直仪9、图像采集和数据处理计算机10、聚焦透镜11，质心探测CCD 12，步进电机及其控制器13、14组成，其中非稳腔由45°反射镜组2、耦合输出镜3，凸面镜4、凹面镜5构成，45°反射镜组2中两反射镜夹角为90°，凸面镜4位于45°反射镜组2中开耦合孔的反射镜1之前，且位置靠近凹面镜5(二者间距为200～300mm为宜，原因在于：其一，腔镜机械调整机构本身有一定尺寸，因此间距不能为零；其二，为避免主激光出光时由于光腔中部动态增益介质带来的扰动，应使凹、凸腔镜都尽量远离增益介质；且应使系统腔长为非稳腔设计腔长L)，使腔长为设计腔长，凹面镜5位于反射镜组2中反射镜2之前，耦合输出镜3位于凸面镜4之前并贴近凸面镜4(二者中心距为150～200mm，原因首先在于，理论分析表明正支共焦腔存在两个自再现波型，而位于凸镜处的平面波才是通常所需要的；其次，耦合输出镜及其机械机构受自身尺寸限制，不能紧贴凸镜放置，对腔长较长光腔而言，二者中心距在此容限度内并不对光束质量造成影响)，与光轴夹角为45°，以实现光束的侧向耦合输出。He-Ne激光1用来引入调腔光，光束匹配系统6将入射光束匹配到微透镜阵列口径大小，再成像于CCD靶面上，哈特曼波前传感器7主要由缩束系统、微透镜阵列、CCD探测器构成。

哈特曼传感器的参数为：子孔径数32×32阵列，动态范围±1.5λ/子孔径，波面测量精度PV＜1/10λ、RMS＜1/20λ，整体倾斜测量范围±50″；图像采集卡型号为OK-M10A，作用是将H-S波前传感器7的输出信号输入到图像采集和处理计算机10，它与图象采集和处理计算机10配合使用能实现波前连续采集并传输到图象采集和处理计算机10中。

如图1所示，本发明的正支共焦非稳腔腔镜失调监测方法，步骤如下：

(1)在非稳腔失调监测系统中，对凸面镜失调的监测由He-Ne光源1、反射镜模组2中的反射镜1、凸面镜4、分光镜8、聚焦透镜11和质心探测CCD 12共同构成，调整分光镜8、聚焦透镜11使经凸面镜4反射回的光束成像于质心探测CCD12焦平面上，然后由开发的实时软件进行光斑质心位置的读取及实时计算，对探测到的光斑进行定标(确定初始零点，以后凸面镜4失调后计算出的光斑质心偏移量都是相对于这一初始零点而言)。

(2)在本系统中，对凹面镜5失调的监测方法如下：在光腔调整共轴后，用腔外的H-S波前传感器7探测耦合输出的环形光束，由图像采集和数据处理计算机10分析光束像差。以光腔调整共轴后的输出光束作为哈特曼波前传感器7的标定零点。由于凸面镜4的失调量可由上述步骤(1)中所述方法实时探测并计算出，就可首先将凸面镜4调回步骤(1)中的标定零点(进一步可实时闭环控制)。由于已经校正了凸面镜4失调，那么这时H-S波前传感器7反映出的光束像差即为凹面镜5造成的，因此做到了针对性地对失调后的腔镜进行调整。

(3)采用精度为0.1″的自准直仪9准确测量凹镜5失调角度，具体方法如下：将凹面镜5的背面设计为抛光良好的光学面并镀对He-Ne谱线的高反膜，调整自准直仪9使凹镜背面清晰成像于自准直仪9焦面上，然后利用自准直仪9中的十字叉丝瞄准凹面镜5的像并以这一位置作为标定零点。对于反射镜模块组2，由于研究发现它的失调不仅直接影响He-Ne调腔光耦合进入光腔，并且对光腔内的振荡模式有十分显著的影响。因此为减小影响因素，反射镜模组2一般都做成不可调或微调机构，且在光腔初次调整完毕后，尽可能将反射镜模块组2固紧。

图2所示，为凸面镜4倾斜失调后，失调角度(单位为秒)与质心CCD12探测到的光斑质心偏移量(单位为像素)之间的关系。可见二者间的线性关系较好，这对下一步作光腔自动调整机构时控制算法的选取提供了参考。对数据作了最小二乘拟合，关系为：y＝-0.385+0.638x-0.002x²。

图3为本发明的凹面镜5失调角度与腔外光束波面PV(峰谷)值的关系曲线，这里定量研究了腔镜失调量与腔外光束像差之间的关系，其中凹镜倾斜失调角由自准直仪测定，腔外光束采用哈特曼传感器探测，用模式法进行波前重构后再求出波面PV值。结果表明，输出光束相位PV值与凹镜倾斜扰动量呈现二次曲线分布(最小二乘拟合曲线y₁＝ax₁ ²+bx₁+c；a，b，c分别为0.0002，0.0069，0.3415)。在已校正凸镜失调的情况下，腔外哈特曼传感器测量的光束PV像差从另一方面反映了腔内凹镜的失调程度。

图4所示为凹面镜5倾斜失调角为33.4″时(由自准直仪9测得)，波面PV和RMS(峰谷和均方根)值分别为0.8λ和0.11λ(去除第1、2阶倾斜像差)。

图5为由Zernike系数进一步计算得到的远场光斑分布。

图6所示，为光束质心实时探测及计算分析软件界面，可实时计算、显示光束质心在x和y方向的位置偏移量(约15帧/秒)，可以对数据进行连续采集和保存，并可对失调凸镜进行调整，使其回复至最初共轴或标定状态。

如图7所示，本发明实时软件编程流程图如下：

1.在光腔调整共轴时(腔镜未失调)，凹镜4反射的光束再经分光镜8，聚焦透镜11，成像于CCD12焦面上，这一聚焦光束首先经图像采集卡探测，探测软件再对采集卡探测图像进行读取。

2.首先选择图像阈值，根据探测到的图像情况进行阈值选择，基本原则是加上阈值后，图像既不能饱和又不至于太暗(灰度最大值在200左右即可)。其次选择质心计算区域(程序采用一个大小可变方形区域，可以鼠标拖动)，使光斑位于计算区域中心并调整计算区域框为适当大小。为有效减少光斑质心计算量、计算误差和背景噪声带来的干扰，计算区域框不应选择过大。

3.按(I)式计算光斑质心坐标(x_c，y_c)：

$x_c=\frac{\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{x}_i{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}}$ $y_c=\frac{\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{y}_i{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}}---\left(I\right)$

上式中，x_i，y_i为CCD靶面上第(i，j)个像素的坐标；I_ij为CCD靶面上第(i，j)个像素接收到的光强信号。

4.对参考光束光斑定标，即确定标定光束(x₀，y₀)位置，以后凸面镜失调后算出的光斑质心偏移量都是相对于这一初始零点而言。

5.计算出待测光束质心(x₁，y₁)的位置，那么光斑质心偏离(x_p，y_p)为

x_p＝x₁-x₀ y_p＝y₁-y₀    (II)

6.按照：读取采集卡的光斑图像计算光斑质心偏离量在程序界面中显示读取下一帧光斑图像，如此循环即实现了程序实时性。经估算，本程序对光束质心位置偏移量x_p和y_p计算速度约15帧/秒，基本做到了实时性。程序主要又三个模块构成即：光斑质心标定模块，质心偏移量实时计算和显示模块，质心变化序列采集和保存模块。在程序界面中，可以实时显示：光束质心位置偏移量x_p和y_p(从而实时监测腔内凸镜失调程度并将其重新调整共轴)；探测到的光斑图像；偏移量x_p和y_p随时间变化曲线等。

Claims (3)

1.基于正支共焦非稳腔腔镜失调监测系统，其特征在于：它由He-Ne光源(1)、非稳腔腔镜(2、3、4、5)、光束匹配系统(6)、H-S波前传感器(7)、分光镜(8)、自准直仪(9)、图像采集和数据处理计算机(10)、聚焦透镜(11)、质心探测CCD(12)、调整凸面镜(4)的步进电机及其控制器(13)和调整凹面镜(5)的步进电机及其控制器(14)组成，其中非稳腔腔镜由45°反射镜组(2)、耦合输出镜(3)、凸面镜(4)、凹面镜(5)构成，He-Ne光源(1)在45°反射镜组(2)之前，45°反射镜组(2)为反射镜模块组，由两块夹角为90°的反射镜1和2构成，45°反射镜组(2)中反射镜1上开有孔，凸面镜(4)位于凹面镜(5)之前并靠近凹面镜(5)，谐振腔腔长为设计腔长，耦合输出镜(3)位于凸面镜(4)之前并尽量贴近凸面镜(4)，与光轴夹角为45°；光束匹配系统(6)位于耦合输出镜(3)前方，H-S波前传感器(7)位于光束匹配系统(6)之前；分光镜(8)位于He-Ne光源(1)和反射镜模组(2)之间，质心探测CCD(12)位于聚焦透镜(11)的焦平面上，聚焦透镜(11)位于分光镜(8)和质心探测CCD(12)之间，质心探测CCD(12)探测到的光斑由图像采集和数据处理计算机(10)进行图像采集和分析处理，调整凸面镜(4)的步进电机及其控制器(13)对失调后的凸面镜(4)的腔镜进行精确调整，调整凹面镜(5)的步进电机及其控制器(14)对失调后的凹面镜(5)的腔镜进行精确调整。

2.根据权利要求1所述的基于正支共焦非稳腔腔镜失调监测系统，其特征在于：所述的45°反射镜组(2)中反射镜1上开孔的直径为Φ1.5mm。

3.基于正支共焦非稳腔腔镜失调监测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)首先对凸面镜(4)失调的监测，对凸面镜(4)失调的监测由He-Ne光源(1)、反射镜模组(2)中的反射镜1、凸面镜(4)、分光镜(8)、聚焦透镜(11)和质心探测CCD(12)共同构成，监测步骤如下：

a.调整分光镜(8)、聚焦透镜(11)使经凸面镜(4)反射回的光束最终成像于质心探测CCD(12)焦平面上；

b.由实时监控软件进行光斑质心的实时读取及计算；

c.对探测到的光斑进行定标，以确定标定零点，以后凸面镜(4)失调后算出的光斑质心偏移量都是相对于这一标定零点而言，若光斑质心发生偏移，则凸面镜(4)出现失调，用步进电机及控制器(13)调整其至标定零点；

(2)对凹面镜(5)失调监测，监测步骤如下：

a.光腔调整共轴后，用H-S波前传感器(7)探测耦合输出光束，由图像采集和数据处理计算机(10)分析光束像差，以光腔调整共轴后的输出光束作为H-S传感器(7)的标定零点；

b.由于凸面镜(4)的失调量由上述步骤(1)所述方法实时探测并计算出，那么首先将凸面镜(4)调回上述步骤(1)中的标定零点，由于已经纠正了凸面镜(4)失调，这时H-S波前传感器(7)反映出的波前像差即为凹面镜(5)造成的，用步进电机及控制器(14)精确调整凹面镜(5)，使H-S波前传感器(7)回到其标定零点，因此做到了有针对性地再对失调后的凹面镜(5)进行调整；

(3)采用精度为0.1″的自准直仪(9)准确测量凹面镜(5)失调角，具体步骤如下：

a.将凹面镜(5)背面设计为抛光良好的光学面，并镀对He-Ne谱线的高反膜，调整自准直仪(9)使凹面镜(5)背面清晰成像于自准直仪(9)的焦面上；

b.然后用自准直仪(9)中的十字叉丝瞄准凹面镜(5)的像并以这一位置作为读数零位，这样凹面镜(5)失调角度即可测出。

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