本發(fā)明提供一種基于扭秤測(cè)量的渦旋光干涉的超大激光功率檢測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于光學(xué)精密測(cè)試。

背景技術(shù)：

1、隨著激光技術(shù)的發(fā)展，高能激光在科研、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。特別是其在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅在整個(gè)激光器行業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了很大的影響，同時(shí)對(duì)激光計(jì)量測(cè)試水平提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。激光功率能量是激光器的量化指標(biāo)，是激光最重要、最基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。激光器輻射功率和能量的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)激光器性能的評(píng)價(jià)及化學(xué)或固體激光武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的評(píng)估至關(guān)重要。

2、我國(guó)大功率激光測(cè)量方法主要分為積分球法和量熱法兩種。積分球法：隨著激光功率的增大，積分球體積急劇增大且溯源復(fù)雜，不宜操作；量熱法研制的激光功率能量計(jì)體積大、重量重，分項(xiàng)溯源，不確定度評(píng)定復(fù)雜。所以大功率激光器的研制、生產(chǎn)、裝備單位，對(duì)操作簡(jiǎn)單使用方便的激光功率測(cè)量設(shè)備具有迫切需求。

3、光壓法是用于測(cè)量大功率激光測(cè)量的理想方法，具有精度高、重量輕、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。而且直接溯源到力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，拓展了激光功率的溯源途徑，極大地提高了高能激光功率的測(cè)量不確定度。但在國(guó)際單位制中，力學(xué)量為導(dǎo)出量，無(wú)法直接進(jìn)行觀測(cè)，通常可將其轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)的宏觀物體運(yùn)動(dòng)或形變，或利用特殊的物理效應(yīng)將壓力轉(zhuǎn)化為其他類(lèi)型的物理信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)光壓這種微小力，不論選擇何種物體作為測(cè)量的介質(zhì)，都需要設(shè)置較為合理的放大裝置，以提高測(cè)量結(jié)果的靈敏度和可觀測(cè)性。扭秤法是光壓測(cè)量早期的代表性方法，將光直接照射在扭秤上，由于力的作用，扭秤會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)扭秤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度推算出光壓的大小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、在超大激光功率測(cè)量領(lǐng)域中，激光的功率越高，產(chǎn)生的熱量越大，對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性影響也就越大。針對(duì)目前對(duì)于超大激光功率檢測(cè)的需求及目前方法的不足，本發(fā)明提供一種基于扭秤測(cè)量的渦旋光干涉的超大激光功率檢測(cè)系統(tǒng)及方法，具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出射光束質(zhì)量、功率檢測(cè)精度高、量程大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，為大口徑光學(xué)天線(xiàn)的在線(xiàn)檢測(cè)與裝調(diào)測(cè)試提供一種新的研究思路及技術(shù)途徑。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種基于扭秤測(cè)量的渦旋光干涉的超大激光功率檢測(cè)系統(tǒng)，包括待測(cè)激光器、反射鏡a、快反鏡a、反射鏡b、反射鏡c、扭稱(chēng)和基于渦旋光自共軛干涉的微位移測(cè)量系統(tǒng)，反射鏡b安裝在扭稱(chēng)一側(cè)，反射鏡c安裝在扭稱(chēng)的另一側(cè)，反射鏡c和反射鏡b相對(duì)于扭稱(chēng)對(duì)稱(chēng)分布；

4、所述基于渦旋光自共軛干涉的微位移測(cè)量系統(tǒng)位于扭稱(chēng)下方，包括快反鏡b、測(cè)量激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、1/4波片、渦旋波片、分束器a、分束器b、道威棱鏡、反射鏡d、分束器c和光電探測(cè)器；

5、待測(cè)激光器發(fā)出光束后經(jīng)反射鏡a入射到反射鏡b上，經(jīng)過(guò)快反鏡a對(duì)光路校準(zhǔn)后出射用于后續(xù)的激光加工中，位于扭稱(chēng)兩側(cè)的反射鏡b與反射鏡c做反向等距位移；測(cè)量激光器發(fā)出光束依次經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、1/4波片、渦旋波片形成渦旋光，經(jīng)分束器a分束形成測(cè)試光和參考光，參考光經(jīng)分束器c到達(dá)光電探測(cè)器；測(cè)試光經(jīng)分束器b到達(dá)快反鏡b，再由反射鏡c及快反鏡b反射回到分束器b，依次經(jīng)過(guò)道威棱鏡、反射鏡d、分束器c到達(dá)光電探測(cè)器，參考光和攜帶扭稱(chēng)一端反射鏡c位移信息的測(cè)試光在光電探測(cè)器處形成干涉，得到花瓣?duì)罡缮鎴D。

6、優(yōu)選的，所述反射鏡a、反射鏡b、反射鏡c和反射鏡d均鍍有高反膜。

7、優(yōu)選的，測(cè)量激光器選擇波長(zhǎng)為633nm的hene激光器。

8、一種上述的基于扭秤測(cè)量的渦旋光干涉的超大激光功率檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括：

9、待測(cè)激光器發(fā)出光束后經(jīng)反射鏡a入射到反射鏡b上，經(jīng)過(guò)快反鏡a對(duì)光路校準(zhǔn)后出射，光束入射到反射鏡b產(chǎn)生壓力，將待測(cè)激光器的功率轉(zhuǎn)化為光壓值，壓力對(duì)反射鏡b產(chǎn)生位移，位于扭稱(chēng)兩側(cè)的反射鏡b與反射鏡c做反向等距位移，扭稱(chēng)將微小位移轉(zhuǎn)換為角度的變化，將其與反射鏡b與反射鏡c相連即可將由壓力造成的位移轉(zhuǎn)變?yōu)楣馐獬痰淖兓?/p>

10、測(cè)量激光器發(fā)出光束依次經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、1/4波片、渦旋波片形成拓?fù)浜蔀閘的渦旋光，經(jīng)分束器a分束形成測(cè)試光和參考光，參考光經(jīng)分束器c到達(dá)光電探測(cè)器；測(cè)試光經(jīng)分束器b到達(dá)快反鏡b，再由反射鏡c及快反鏡b反射回到分束器b，依次經(jīng)過(guò)道威棱鏡、反射鏡d、分束器c到達(dá)光電探測(cè)器，參考光和攜帶扭稱(chēng)一端反射鏡c光束光程的變化的測(cè)試光在光電探測(cè)器處形成干涉，得到渦旋光花瓣?duì)罡缮鎴D；

11、其中，測(cè)試光束攜帶扭秤反射鏡c的位移信息，經(jīng)快反鏡b進(jìn)行傾斜校正。當(dāng)待測(cè)激光器運(yùn)行時(shí)，反射鏡c受到光壓影響進(jìn)行位移，反映為渦旋光花瓣?duì)罡缮鎴D角度的旋轉(zhuǎn)。通過(guò)提取花瓣?duì)罡缮鎴D的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)對(duì)超大功率激光功率能量的測(cè)量。

12、本發(fā)明待測(cè)激光器光束出射后，經(jīng)過(guò)功率-光壓轉(zhuǎn)換模塊后出射進(jìn)行后續(xù)應(yīng)用；同時(shí)通過(guò)光壓-位移轉(zhuǎn)換模塊與位移-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換模塊將對(duì)激光功率的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)于轉(zhuǎn)角角度的測(cè)量；轉(zhuǎn)角大小的測(cè)量經(jīng)過(guò)渦旋光干涉模塊實(shí)現(xiàn)；參考光束與探測(cè)光束在光電探測(cè)器處發(fā)生干涉；

13、功率-光壓轉(zhuǎn)換模塊是指待測(cè)激光器所發(fā)射的光照射到物體表面會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生壓力，其大小可以由麥克斯韋電磁理論或光量子模型推導(dǎo)而來(lái)；

14、光壓-位移轉(zhuǎn)換模塊由反射鏡a、反射鏡b與快反鏡a組成。待測(cè)激光激光束出射后，經(jīng)鍍有高反射率膜層的反射鏡a后，以一定入射角度入射反射鏡b，再經(jīng)快反鏡a對(duì)光路方向進(jìn)行校準(zhǔn)；

15、位移-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換模塊由扭秤實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榕こ拥男再|(zhì)，可將微小位移轉(zhuǎn)換為角度的變化，將其與兩反射鏡相連即可將由壓力造成的位移轉(zhuǎn)變?yōu)楣馐獬痰淖兓?/p>

16、渦旋光干涉模塊是由探測(cè)激光發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)后測(cè)試光束攜帶扭秤轉(zhuǎn)動(dòng)所帶來(lái)的光程變化信息并與參考光束在光電探測(cè)器處發(fā)生干涉。

17、本發(fā)明是基于渦旋光自共軛干涉測(cè)量微小位移的原理獲得待測(cè)激光的功率信息。待測(cè)激光的功率轉(zhuǎn)化為光壓值，光壓值的大小轉(zhuǎn)化為反射鏡b的微小位移，反射鏡b的位移造成扭秤的轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)反射鏡c的位移，然后在渦旋光花瓣?duì)罡缮鎴D樣中出現(xiàn)角度旋轉(zhuǎn)，倒推得到待測(cè)激光的功率大小。

18、優(yōu)選的，光壓測(cè)量原理如下：

19、光子雖然沒(méi)有靜止質(zhì)量但是存在動(dòng)量，激光光束照射到物體表面上時(shí)產(chǎn)生壓力，利用光壓效應(yīng)，可以將激光功率溯源至作用力；

20、光子不僅具有能量，并且具有動(dòng)量，分別表示為：

21、e＝hν?(1)

22、

23、其中，c是光速，ν是頻率，h是普朗克常量，e是能量，是動(dòng)量；

24、光子與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的動(dòng)量傳遞給物體，給物體施加力的作用，光壓值f與激光出射功率p的關(guān)系為：

25、

26、其中，t是時(shí)間，p是待測(cè)激光器的出射功率；

27、當(dāng)光束以角度β入射到反射鏡b上時(shí)，垂直作用于反射鏡b上的力為：

28、f＝(2p/c)ρcosβ?(4)

29、其中，ρ＝r+(1-r)α/2，r是反射鏡b的反射率，α是反射鏡b的鏡面吸收率；

30、所以，待測(cè)激光器的出射功率與光壓值之間存在關(guān)系：

31、p＝cf/2ρcosβ?(5)。

32、優(yōu)選的，本發(fā)明采用兩片反射鏡和一片快反鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)光路無(wú)擾動(dòng)折轉(zhuǎn)，激光出射后的后續(xù)應(yīng)用不受任何干擾。通過(guò)扭秤和快反鏡將光壓值轉(zhuǎn)換為微位移，完成從功率到位移物理量的轉(zhuǎn)換。

33、系統(tǒng)使用扭秤作為位移量傳遞裝置，當(dāng)反射鏡b移動(dòng)時(shí)，不僅存在位移，反射鏡b本身也發(fā)生小角度的傾斜，通過(guò)快反鏡a可以對(duì)這種傾角進(jìn)行實(shí)時(shí)的自適應(yīng)補(bǔ)償，從而達(dá)到調(diào)整光束朝向的目的。

34、打開(kāi)待測(cè)激光器后，入射光束經(jīng)反射鏡a反射到反射鏡b中心，入射角度為θ1，出射角度為θ1，反射鏡b安裝在扭桿秤一側(cè)，承載光壓變化后發(fā)生位移，調(diào)節(jié)反射鏡a使得光線(xiàn)入射在反射鏡b的中心，入射角度和出射角度變?yōu)棣?，快反鏡a自適應(yīng)校正偏向，使得光束保持原始朝向出射；

35、扭稱(chēng)利用扭絲的扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量光壓力，根據(jù)廣義胡克定律，扭絲的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)為

36、

37、其中，m為扭絲的扭矩，為扭絲的扭轉(zhuǎn)角，由于扭絲與秤桿固連，秤桿的偏轉(zhuǎn)角秤桿將扭絲分為上下兩部分，秤桿扭轉(zhuǎn)過(guò)程中扭絲上端和下端的力矩分別為

38、m1＝mb/(a+b)?(7)

39、m2＝ma/(a+b)?(8)

40、秤桿的偏轉(zhuǎn)角γ為

41、γ＝mab/giρ(a+b)?(9)

42、其中，g為扭絲的剪切模量，iρ為扭絲的極慣性矩，a和b為由秤桿所截的兩部分扭絲的長(zhǎng)度，|m|＝|m1|+|m2|，可得扭絲的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)k為

43、

44、其中，d為扭絲的直徑；

45、扭絲上下端的總長(zhǎng)度h固定，當(dāng)a＝b＝h/2時(shí)，扭絲的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)k為

46、

47、扭矩m與扭秤的偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系為

48、

49、光壓值f的計(jì)算公式為

50、

51、其中，l表示光壓力力矩的大??；

52、微位移δ的計(jì)算公式為

53、

54、所以，當(dāng)待測(cè)激光源以β角度入射到反射鏡b上時(shí)，反射鏡c的微小位移為：

55、

56、優(yōu)選的，基于渦旋光自共軛干涉的微位移測(cè)量系統(tǒng)利用渦旋光的自共軛干涉測(cè)量反射鏡c的微小位移量，其中一路光攜帶扭秤反射鏡c的位移，兩路光的光程差反映在花瓣?duì)罡缮鎴D的轉(zhuǎn)角上，激光功率測(cè)量前后，干涉條紋具有不同的角度，作為數(shù)據(jù)處理的輸入，得到位移信息。

57、在渦旋光自共軛干涉中，渦旋光束最顯著的特征為其螺旋形的方位相位結(jié)構(gòu)，為了便于后續(xù)位移測(cè)量方法的分析，參考光在極坐標(biāo)(r,θ)下的電場(chǎng)分布表示為：

58、eref(r,θ)＝a·exp[i(lθ+kz1)]?(16)

59、式中，a為振幅、l為拓?fù)潆姾蓴?shù)、θ為方位角、k＝2π/λ為波數(shù)，其中λ為波長(zhǎng)、z1為參考臂初始臂長(zhǎng)，測(cè)試光與參考光共軛，共軛渦旋光束的電場(chǎng)分布可以表示為：

60、econjugate(r,θ)＝a·exp[-i(lθ-kz2)]?(17)

61、式中z2為測(cè)試臂初始臂長(zhǎng)；

62、渦旋光自共軛干涉光場(chǎng)的強(qiáng)度分布可以表示為：

63、i＝|eref+econjugate|2＝c0+c0·cos[2lθ+k(z1-z2)]?(18)

64、式中：c0＝2a2為常數(shù)，渦旋光自共軛干涉將形成對(duì)稱(chēng)的花瓣?duì)罡缮婀鈴?qiáng)分布，且花瓣數(shù)量為拓?fù)浜蓴?shù)絕對(duì)值的兩倍；

65、將待測(cè)物體(即反射鏡c)安置在測(cè)試光路中，當(dāng)待測(cè)物體產(chǎn)生位移d時(shí)，干涉光路中測(cè)試臂的光程發(fā)生了2d的變化，此時(shí)，測(cè)試光的電場(chǎng)強(qiáng)度eend隨之發(fā)生變化，可以表示為：

66、eend(r,θ)＝a·exp[-i(lθ-kz2)]·exp(ik·2d)?(19)

67、此時(shí)渦旋光共軛干涉光強(qiáng)分布可以表示為：

68、iend＝|eref+eend|2＝c0+c0·cos[2lθ+k(z1-z2)-2kd]?(20)

69、由式(10)可知，在待測(cè)物體產(chǎn)生位移變化的過(guò)程中，形成的干涉圖會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)角弧度設(shè)為δθ，則位移過(guò)程中存在等量關(guān)系：

70、2lδθ＝2kd?(21)

71、位移d可以表示為：

72、d＝lδθ/k＝λlδθ/2π?(22)

73、其中λ、l均為已知量，故對(duì)位移d的測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)δθ的精確提取。

74、本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于渦旋光自共軛干涉的微位移測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由測(cè)量激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、1/4波片(qwp)、渦旋波片(vr)、分束器a、分束器b、分束器c、反射鏡d、快反鏡b、道威棱鏡和光電探測(cè)器組成。光源選擇波長(zhǎng)為633nm的hene激光器，測(cè)量激光器輸出的穩(wěn)定線(xiàn)偏振平面波通過(guò)擴(kuò)束和準(zhǔn)直后，被1/4波片調(diào)制后變?yōu)閳A偏振光，該光束通過(guò)渦旋波片后可得到穩(wěn)定的渦旋光。該光束經(jīng)過(guò)分束器a后被分為兩路：測(cè)試光束透過(guò)分束器a、分束器b、快反鏡b后打在待測(cè)反射鏡c上發(fā)生反射后沿原方向返回，并透過(guò)分束器b經(jīng)過(guò)道威棱鏡和反射鏡d和分束器c進(jìn)入光電探測(cè)器；參考光束經(jīng)過(guò)分束器a和分束器c后，與測(cè)試光束一同照射到光電探測(cè)器中產(chǎn)生干涉。由于反射次數(shù)奇偶不同，故兩光束共軛，記錄下渦旋光共軛干涉圖樣的變化情況。利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得旋轉(zhuǎn)角弧度δθ，進(jìn)而得到精密位移數(shù)據(jù)。

75、本發(fā)明未詳盡之處，均可參見(jiàn)現(xiàn)有技術(shù)。

76、本發(fā)明的有益效果為：

77、1、本發(fā)明思路新穎，將激光功率測(cè)量與渦旋光干涉測(cè)量微小位移相結(jié)合，為萬(wàn)瓦級(jí)超大激光功率能量毫瓦級(jí)分辨率測(cè)量提供了一種新思路，備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出射光束質(zhì)量、功率檢測(cè)精度高、量程大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

78、2、本發(fā)明應(yīng)用快反鏡自適應(yīng)校正偏向，可以實(shí)現(xiàn)出射光束的實(shí)時(shí)測(cè)量。

79、3、本發(fā)明采用快反鏡自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)乃枷耄鉀Q干涉圖的畸變問(wèn)題。