專(zhuān)利名稱(chēng)：一種在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光領(lǐng)域，特別涉及到一種精密在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的方法， 其主要適用于基于啁啾脈沖放大技術(shù)的高功率超短激光系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高功率超短激光系統(tǒng)目前均基于啁啾脈沖放大技術(shù)，輸出指標(biāo)直接決定于系統(tǒng)后端的光柵壓縮器。國(guó)內(nèi)外建設(shè)和運(yùn)行的高能拍瓦乃至艾瓦系統(tǒng)為獲取高能高功率激光脈沖，壓縮脈沖接近傅里葉轉(zhuǎn)換極限達(dá)到亞皮秒或飛秒。這對(duì)光柵壓縮器提出了很高的要求: 一，壓縮脈沖時(shí)間畸變受光柵三維角度失準(zhǔn)影響敏感，光柵架通常需要很高的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性，一般光柵調(diào)節(jié)精度為微弧度，穩(wěn)定性為亞微弧度；二，通常高能高功率超短激光系統(tǒng)壓縮器規(guī)模很大，光柵口徑為米量級(jí)，細(xì)微的角度失準(zhǔn)對(duì)于光束邊緣光程的影響很大，導(dǎo)致脈沖時(shí)間前沿傾斜，展寬聚焦脈沖；三，為避免高功率超短激光(功率密度大于1012W/cm2) 電離空氣損壞光柵，壓縮器必須運(yùn)行在真空環(huán)境，因此抽真空過(guò)程成為影響光柵三維角度姿態(tài)的一大隱患；四，高能高功率超短激光系統(tǒng)打靶周期一般為一至兩小時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間間隔對(duì)光柵三維角度姿態(tài)穩(wěn)定維持提出了更高的要求；五，高能高功率超短激光系統(tǒng)中通常采用拼接光柵來(lái)拓展光柵口徑，拼接光柵一般以其中一塊子光柵為定光柵作為拼接基準(zhǔn)，基準(zhǔn)光柵三維角度姿態(tài)直接影響拼接光柵的效果。為保證高能高功率超短激光系統(tǒng)的性能必須對(duì)壓縮器光柵三維角度擾動(dòng)開(kāi)展在線監(jiān)視和測(cè)量。
由于耗資巨大，目前世界范圍內(nèi)從事高能高功率超短激光系統(tǒng)研究的單位不多， 涉及大口徑光柵三維角度擾動(dòng)監(jiān)測(cè)的研究更少。美國(guó)勞倫斯 利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL) 國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)的高能拍瓦激光系統(tǒng)針對(duì)光柵壓縮器設(shè)計(jì)了光柵角度擾動(dòng)監(jiān)視和測(cè)量系統(tǒng)。光柵架上預(yù)裝小口徑反射鏡，利用自準(zhǔn)直原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵兩維角度擾動(dòng)(方位角和俯仰角)的在線監(jiān)測(cè)，分辨率為微弧度量級(jí)。但監(jiān)測(cè)結(jié)果缺失了光柵面內(nèi)偏轉(zhuǎn)，忽略了應(yīng)力釋放、隨機(jī)擾動(dòng)等因素造成的光柵相對(duì)調(diào)整架抖動(dòng)及小口徑反射鏡自身抖動(dòng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種精密在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光柵三維角度擾動(dòng)監(jiān)測(cè)，具有監(jiān)測(cè)參數(shù)豐富和監(jiān)測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下一種在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的方法，該方法包括如下步驟第一步，建立針對(duì)待監(jiān)測(cè)光柵的監(jiān)測(cè)光路，該監(jiān)測(cè)光路包括有監(jiān)測(cè)光源、擴(kuò)束器、第一分光鏡、第二分光鏡和角錐，監(jiān)測(cè)光源經(jīng)擴(kuò)束器入射至第一分光鏡分為第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待監(jiān)測(cè)光柵面，第一透射光入射到第二分光鏡分為第二反射光和第二透射光，第二反射光利特羅角入射到待監(jiān)測(cè)光柵面，第二透射光入射至角錐； 第二步，建立遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元，該遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元包括有聚焦透鏡、顯微物鏡和電荷耦合元件(CCD)，該顯微物鏡的物面處于聚焦透鏡的焦點(diǎn)位置，焦點(diǎn)成像在所述的電荷耦合元件 (CCD)上；第三步，采集光柵三維角度擾動(dòng)信息，入射角錐的第二透射光經(jīng)角錐反射，反射光依原路返回，經(jīng)第二分光鏡透射和第一分光鏡反射進(jìn)入至所述的遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元；垂直入射的第一反射光經(jīng)待監(jiān)測(cè)光柵反射，反射光依原路返回，經(jīng)第一分光鏡透射進(jìn)入至所述的遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元；利特羅角入射的第二反射光經(jīng)待監(jiān)測(cè)光柵衍射，衍射光依原路返回，經(jīng)第二分光鏡反射和第一分光鏡反射進(jìn)入至所述的遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元；第四步，光柵三維角度擾動(dòng)監(jiān)測(cè)，在遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元的電荷耦合元件上，入射角錐光形成為第一遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑，垂直入射光形成為第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑，利特羅角入射光形成為第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑， 監(jiān)測(cè)光路搭建完成，第一遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑、第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑和第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的初始位置重疊，以第一遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的位置為基準(zhǔn)零位，若第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑和第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑偏離基準(zhǔn)零位，則第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑和第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的橫向偏離量(SI)反映待監(jiān)測(cè)光柵方位角擾動(dòng)，第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的縱向偏移量(S2)反映待監(jiān)測(cè)光柵俯仰角擾動(dòng)，第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的縱向偏移量(S3)反映待監(jiān)測(cè)光柵俯仰角和面內(nèi)角擾動(dòng)；第五步，光柵三維角度擾動(dòng)計(jì)算，基于第四步中的三個(gè)偏移量(SI、S2、S3)通過(guò)如下公式來(lái)獲得待監(jiān)測(cè)光柵三維角度的擾動(dòng)情況，即方位角〃tilt，俯仰角〃_和面內(nèi)角^ot ··
權(quán)利要求
1.一種在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟第一步，建立針對(duì)待監(jiān)測(cè)光柵的監(jiān)測(cè)光路，該監(jiān)測(cè)光路包括有監(jiān)測(cè)光源、擴(kuò)束器、第一分光鏡、第二分光鏡和角錐，監(jiān)測(cè)光源經(jīng)擴(kuò)束器入射至第一分光鏡分為第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待監(jiān)測(cè)光柵面，第一透射光入射到第二分光鏡分為第二反射光和第二透射光，第二反射光利特羅角入射到待監(jiān)測(cè)光柵面，第二透射光入射至角錐； 第二步，建立遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元，該遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元包括有聚焦透鏡、顯微物鏡和電荷耦合元件(CCD)，該顯微物鏡的物面處于聚焦透鏡的焦點(diǎn)位置，焦點(diǎn)成像在所述的電荷耦合元件 (CCD)上；第三步，采集光柵三維角度擾動(dòng)信息，入射角錐的第二透射光經(jīng)角錐反射，反射光依原路返回，經(jīng)第二分光鏡透射和第一分光鏡反射進(jìn)入至所述的遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元；垂直入射的第一反射光經(jīng)待監(jiān)測(cè)光柵反射，反射光依原路返回，經(jīng)第一分光鏡透射進(jìn)入至所述的遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元；利特羅角入射的第二反射光經(jīng)待監(jiān)測(cè)光柵衍射，衍射光依原路返回，經(jīng)第二分光鏡反射和第一分光鏡反射進(jìn)入至所述的遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元；第四步，光柵三維角度擾動(dòng)監(jiān)測(cè)，在遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元的電荷耦合元件上，入射角錐光形成為第一遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑，垂直入射光形成為第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑，利特羅角入射光形成為第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑， 監(jiān)測(cè)光路搭建完成，第一遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑、第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑和第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的初始位置重疊，以第一遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的位置為基準(zhǔn)零位，若第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑和第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑偏離基準(zhǔn)零位，則第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑和第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的橫向偏離量(SI)反映待監(jiān)測(cè)光柵方位角擾動(dòng)，第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的縱向偏移量(S2)反映待監(jiān)測(cè)光柵俯仰角擾動(dòng)，第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的縱向偏移量(S3)反映待監(jiān)測(cè)光柵俯仰角和面內(nèi)角擾動(dòng)；第五步，光柵三維角度擾動(dòng)計(jì)算，基于第四步中的三個(gè)偏移量(SI、S2、S3)通過(guò)如下公式來(lái)獲得待監(jiān)測(cè)光柵三維角度的擾動(dòng)情況，即方位角〃tilt，俯仰角〃_和面內(nèi)角^ot ··其中，M為顯微物鏡的倍率，f為聚焦透鏡的焦距，為俯仰角在利特羅角入射下對(duì)縱向偏移的影響系數(shù)，左為面內(nèi)角在利特羅角入射下對(duì)縱向偏移的影響系數(shù)，若待監(jiān)測(cè)光柵的光柵常數(shù)為1740g/mm，監(jiān)測(cè)光源波長(zhǎng)為632. 8nm，則影響系數(shù)^^和分別為1.6696 和 I. 1011。
2.一種用于在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括有監(jiān)測(cè)光源、擴(kuò)束器、第一分光鏡、第二分光鏡、角錐、聚焦透鏡、顯微物鏡，電荷稱(chēng)合兀件(CCD)和計(jì)算模塊；所述的監(jiān)測(cè)光源、擴(kuò)束器、第一分光鏡、第二分光鏡和角錐組成對(duì)于待監(jiān)測(cè)光柵的監(jiān)測(cè)光路，該監(jiān)測(cè)光路中的監(jiān)測(cè)光源經(jīng)擴(kuò)束器入射至第一分光鏡分為第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待監(jiān)測(cè)光柵面，第一透射光入射到第二分光鏡分為第二反射光和第二透射光，第二反射光利特羅角入射到待監(jiān)測(cè)光柵面，第二透射光入射至角錐；所述的聚焦透鏡、顯微物鏡和電荷耦合元件(CCD)組成遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元，所述顯微物鏡的物面處于聚焦透鏡的焦點(diǎn)位置，焦點(diǎn)成像在所述的電荷稱(chēng)合元件(CCD)上；在所述的電荷稱(chēng)合元件(CXD)上，入射角錐光形成第一遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑，垂直入射光形成第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑，利特羅角入射光形成第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑，所述計(jì)算模塊對(duì)采集的三個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的相對(duì)偏移量計(jì)算以得出待監(jiān)測(cè)光柵的三維角度擾動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑，第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑和第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的初始位置重疊，以第一遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的位置為基準(zhǔn)零位，若第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑和第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑偏離基準(zhǔn)零位，則第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑和第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的橫向偏離量(SI)反映待監(jiān)測(cè)光柵方位角擾動(dòng)，第二遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的縱向偏移量(S2)反映待監(jiān)測(cè)光柵俯仰角擾動(dòng)，第三遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑的縱向偏移量(S3)反映待監(jiān)測(cè)光柵俯仰角和面內(nèi)角擾動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，三個(gè)偏移量(SI、S2、S3)通過(guò)如下公式來(lái)獲得待監(jiān)測(cè)光柵三維角度的擾動(dòng)情況，即方位角'ilt，俯仰角^ip和面內(nèi)角Θ rot :其中，M為顯微物鏡的倍率，f為聚焦透鏡的焦距，為俯仰角在利特羅角入射下對(duì)縱向偏移的影響系數(shù)，左為面內(nèi)角在利特羅角入射下對(duì)縱向偏移的影響系數(shù)，若待監(jiān)測(cè)光柵的光柵常數(shù)為1740g/mm，監(jiān)測(cè)光源波長(zhǎng)為632. 8nm，則影響系數(shù)^^和分別為1.6696 和 I. 1011。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，用于對(duì)焦斑進(jìn)行邊緣識(shí)別的電荷耦合元件(CXD)的像元為ΙΟμπι，識(shí)別精度為一個(gè)像元，則光柵三維角度擾動(dòng)方位角、俯仰角和面內(nèi)角的監(jiān)測(cè)精度為亞微弧度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的方法，該方法包括如下步驟第一步，建立針對(duì)待監(jiān)測(cè)光柵的監(jiān)測(cè)光路；第二步，建立遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)單元；第三步，采集光柵三維角度擾動(dòng)信息；第四步，光柵三維角度擾動(dòng)監(jiān)測(cè)；第五步，光柵三維角度擾動(dòng)計(jì)算。本發(fā)明在線監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)的方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光柵三維角度擾動(dòng)方位角、俯仰角和面內(nèi)角，并且監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到亞微弧度水平。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102937513SQ20121043535
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者李朝陽(yáng), 戴亞平, 王韜, 馬偉新, 朱儉, 徐光 申請(qǐng)人:上海激光等離子體研究所