超衍射极限激光光束衍射中场的测试装置

摘要

一种超衍射极限激光光束衍射中场的测试装置，其特征在于包括一单模激光发射系统，沿光束前进方向依次是补偿位相板、衰减片、近平面反射镜、远平面反射镜、孔径光阑、光电探测器和可移动导轨，所述的近平面反射镜和远平面反射镜的反射面相对放置，带孔径光阑的光电探测器置于可移动导轨上。由于本发明只借助于平面反射镜获得衍射中场，反射镜可以做到高精度平面，因此平面反射镜附加的相位影响可以忽略，而且是利用光电探测器对中场的衍射光强进行测量，因此克服了传统光束发散度测量方法中的测量器件本身的限制，使测量不受任何光学器件的干扰，测量精度高。

说明书

技术领域：

本发明涉及光束波面特性，特别是一种超衍射极限激光光束衍射中场的测试装置。

背景技术：

超衍射极限激光光束是单一最低阶横模激光光束(高斯光束)或其准直放大光束经补偿位相板进行位相补偿校正后获得的发散角压缩的激光光束。此类光束由于其较小的发散度，在空间激光通信等激光应用领域有重要的应用，并表现出特有的优越性，如在远距离卫星激光通信中，在最大可获得的激光功率和光电探测灵敏度的限制条件下，超衍射极限激光光束能够保证光通信接收端具有足够高的接收功率，同时又可以使激光通信终端达到轻量化和小型化的要求。超衍射极限激光光束应用的前提是保证光束的质量，因此使用前需要对超衍射极限激光光束进行验证和测量。由于超衍射极限激光光束的参数已经超过了常规的光学测量系统的极限，因此必须采用合适的和可能的方法对超衍射极限激光光束的有关参数进行验证和测量，例如在卫星激光通信应用中，由于激光通信终端有较大的发射口径(如250毫米)，它要求验证检测设备必须有更大的口径才能保证不会给测量带来可观的误差，但口径非常大的光学检测设备的制备却十分困难，因此不能利用传统的测量方法来测量和验证超衍射极限激光光束，这就需要采用其他的可行的方法对超衍射极限激光光束进行测量和验证。

评价激光光束质量一般可通过光束的发散度或者光束的波面来判断，这两个参数是对应的。激光光束的发散度远场测量方法，通常采用平行光管对激光光束远场光斑的分布进行测量并分析(1.王之江主编，光学技术手册，机械工业出版社，1994)。另一种是基于近场测量的波面分析法，可以根据近场波面相位分布计算等效远场发散度。光束波面的测量有多种方法(2.Joseph M.Geary，Introduction to WavefrontSensors，Vol.TT 18，SPIE Press，1995)，主要手段是采用剪切干涉和哈德曼测量法。

超衍射极限激光光束是接近或达到衍射极限的激光光束经补偿位相板进行位相补偿校正后获得的，对于已经给定的补偿位相板，超衍射极限激光光束的近场波面和远场波面均是确定的，而且超衍射极限激光光束与相位补偿前的原激光光束的远场衍射相比具有一定的压缩比，即超衍射极限激光光束与衍射极限激光光束相比具有更小的发散度。此外正是由于超衍射极限的激光光束是衍射极限光束采用相位板进行相位补偿校正后而获得的，超衍射极限光束的波面相位有衍射极限光束的波面和相位板的相位分布两部分共同特征。因此超衍射极限的激光光束在其传播的近场的波面主要呈现出相位板的相位分布，采用剪切干涉测量，得到的基本上是相位板相位分布的剪切干涉条纹。同样采用哈德曼方法，空间取样的显示也是位相分布的梯度。上述近场测量方法不能反映激光通信中超衍射极限激光光束的真实波面，因此无法验证测量超衍射极限激光光束。用平行光管测量激光光束发散度的方法简单、有效，但是其测量精度受到平行光管透镜的点扩散函数的限制。由衍射光学理论可知，理想透镜的点扩展函数为平行光管透镜的衍射极限尺寸(即艾里斑)，其反比于透镜口径，因此平行光管仅可用于测量直径比其口径小很多的衍射极限激光光束。如果平行光管用于超衍射极限激光光束的测量，其直径需远远大于光束的直径，同时平行光管透镜的光学质量必须达到衍射极限(波差0.3λ)，这对于大口径超衍射极限激光发射光束(如直径250毫米)的测量来讲，平行光管设备庞大而且费用昂贵。因此对于超衍射极限激光光束的测量在光束衍射的近场和远场的传统的测量方法是很难完成的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种超衍射极限激光光束衍射中场的测试装置。

本发明的基本思想是：

事实上，在与相位板的相位分布大体上相同的近场衍射区域和接近平滑高斯分布的远场衍射区域之间，存在一个中间衍射区域，它的波面既不同于近场分布，也不同于远场分布，而是与传播距离有关的，振幅和相位分布均为较平滑的波面，特别是在中场上的衍射光强波形可以精确地通过计算进行预言，并可以由某些光强分布的特征进行标定。据此，本发明提出了利用超衍射极限激光光束的中场衍射的光强分布，并与理想的理论光强分布和无相位板时的光强分布进行对比，来验证和测定超衍射极限激光光束的方法。具体结构上采用多重反射镜将光束进行多次反射从而实现光束的中距离传播，所用光学元件均为平面反射镜，光学设计与加工可以得到高精度的平面，附加的相位影响也可以忽略，因此本发明的超衍射极限激光光束衍射中场的测量测量精度高。

为了获得超衍射极限激光光束，激光器输出的光束本身就应达到光学衍射极限，即最低阶横向模式，此时的激光光束发散度最小，该模式通常用高斯光束来描述。为了进一步缩小光束发散度，一般采用望远镜系统进行光束的光学准直放大，但理想的望远镜系统存在口径限制下的最小发散度极限，即光学衍射极限(反比于发射口径)。因此单横模激光光束或者经过放大后的光束其最小发散度由横模高斯光束的波腰和发射口径的衍射极限所决定，理想情况下，输出光束将达到或者非常接近高斯光束的衍射极限。衍射极限激光光束再通过补偿位相板后，其位相得到补偿和矫正，最终光束的发散度得到有效压缩，从而得到超衍射极限的激光光束。在光束传输的不同距离处可获得超衍射极限激光光束的衍射近场、衍射中场和衍射远场。

本发明的具体技术方案如下：

一种超衍射极限激光光束衍射中场的测试装置，其特征在于包括一单模激光发射系统，沿光束前进方向依次是补偿位相板、衰减片、近平面反射镜、远平面反射镜、孔径光阑、光电探测器和可移动导轨，所述的近平面反射镜和远平面反射镜的反射面相对放置，带孔径光阑的光电探测器置于可移动导轨上。

所述的近平面反射镜和远平面反射镜可以平行放置，也可成一定角度放置，只要经多次反射后，可获得衍射中场即可。

所述的近平面反射镜和远平面反射镜可以是两个完整的平面镜，也可以是多个分离的平面镜的组合。但应保证这些平面镜均能有效地将各级反射光束在无损耗的情况下进行反射。

利用本发明所述的超衍射极限激光光束衍射中场的测试装置进行验证的方法，其特征在于包括下列步骤：

①对已知参数的高斯光束通过给定结构的补偿位相板后的菲涅尔衍射进行数值计算，得到位相板后不同距离处的衍射光强分布；

②将已知超衍射极限激光光束的发散度与其中远场衍射光强分布相对应；

③然后利用本发明超衍射极限激光光束衍射中场的测试装置实际测量超衍射极限激光光束在中远场的衍射光强分布；

④与第①②步的理论值进行比较，从而验证发散度得到压缩的超衍射极限激光光束。

本发明的优点：

本发明通过对超衍射极限激光光束衍射中场的光强分布的测量，可以实现对超衍射极限激光光束的发散度或者波面的验证和测量。由于本发明只借助于平面反射镜以获得衍射中场，反射镜可以做到高精度平面，因此平面反射镜附加的相位影响可以忽略，而且是利用光电探测器对中场的衍射光强进行测量，因此克服了传统光束发散度测量方法中的测量器件本身的限制，使测量不受任何光学器件的干扰，测量精度高。

附图说明：

图1为本发明超衍射极限激光光束衍射中场的测量装置的结构示意图。

图2为本发明中高斯分布的激光光束和补偿位相板的空间分布图

图3为超衍射极限激光光束在衍射近场中的空间光强分布

图4为超衍射极限激光光束在衍射中场范围内衍射光强的空间分布。

图5为同一位置处不同压缩比的超衍射极限激光光束的中场衍射光强分布。

图6为有位相补偿和无位相补偿的激光光束在衍射中场的衍射光强分布比较。

具体实施方案：

本发明超衍射极限激光光束衍射中场的测量装置的结构示意图如图1所示，由图可见，本发明超衍射极限激光光束衍射中场的测量装置，包括一单模激光发射系统1，沿光束前进方向依次是补偿位相板2、衰减片3、近平面反射镜4、远平面反射镜5、孔径光阑6、光电探测器7和可移动导轨8，所述的近平面反射镜4和远平面反射镜5的反射面相对即可形成多次反射，带孔径光阑6的光电探测器7置于可移动导轨8上。

单模激光发射系统1发出的单一最低阶横模激光，即高斯光束经补偿位相板2进行位相补偿，在其后面得到高斯光束的超衍射极限光束。高斯光束和补偿位相板的空间分布如图2所示。经位相补偿后的激光光束通过衰减片3进行衰减后经两倾斜放置的近平面反射镜4和远平面反射镜5多次反射后，获得衍射中场。带有孔径光阑6的光电探测器7置于超衍射极限激光光束的衍射中场区域内的可移动导轨8上，对超衍射极限的激光光束的衍射光强分布进行空间扫描测量。孔径光阑6、光电探测器7以及可移动导轨8也可用两维CCD代替。为了测量的方便，两片平面反射镜通常可以平行的或成一定夹角放置，可以是两个完整的平面镜，也可以是多个分离的平面镜的组合，但应保证这些平面镜均能有效地将各级反射光束在无损耗的情况下进行反射。

4、利用权利要求1或2或3所述的超衍射极限激光光束衍射中场的测试装置进行验证的方法，其特征在于包括下列步骤：

①对已知参数的高斯光束通过给定结构的补偿位相板后的菲涅尔衍射进行数值计算，得到位相板后不同距离处的衍射光强分布；

②将已知超衍射极限激光光束的发散度与其中远场衍射光强分布相对应；

③然后利用本发明超衍射极限激光光束衍射中场的测试装置实际测量超衍射极限激光光束在中远场的衍射光强分布；

④与第①②步的理论值进行比较，从而验证发散度得到压缩的超衍射极限激光光束。

为了预测和验证超衍射极限激光光束的衍射情况，我们对超衍射极限激光光束在不同位置处的空间光强分布进行了数值计算，计算结果如图3、图4和图5所示。图3是在补偿位相板后较小的距离处(衍射近场)得到的超衍射极限激光光束的空间光强分布，可以看出，衍射光强的起伏较大，因此在近场我们无法对超衍射极限的激光光强进行测量。图4给出了在衍射中远场范围内衍射光强的分布情况，图5还给出了同一位置处，并在远场能量基本不降低的条件下不同压缩比的超衍射极限激光光束的中场衍射光强的理论分布。由图可以看出衍射中场区域衍射光强的分布随空间的变化相对缓慢，同时整个光强分布的区域基本与发射光束的空间分布区域相同，而且存在可以标定的特征峰值，如处于光强中央分布区域且与中央点有一定距离的峰值或在位相板的两位相交界附近存在次峰，这为光强分布的实际测量带来可能性。以上各图均是在高斯光束的波腰取10毫米的条件下得到的，同时补偿位相板的内外环尺寸分别为18.5毫米和25毫米。

利用衍射理论，给出具有一定压缩比的超衍射极限激光光束的中远场衍射光强的理论分布形式。对于给定的补偿位相板，超衍射极限激光光束发散度的压缩比是确定的。对已知参数的高斯光束通过给定结构的补偿位相板后的菲涅尔衍射进行数值计算，得到位相板后不同距离处的衍射光强分布。

将已知超衍射极限激光光束的发散度与其中远场衍射光强分布相对应，然后实际测量超衍射极限激光光束在中远场的衍射光强分布，并与理论值进行比较，从而验证发散度得到压缩的超衍射极限激光光束。

下面是我们的一个实施例的结果：

准直放大的高斯光束的波腰为ω₀＝10mm。量子化位相板的内外半径分别为r₁＝18.75mm和r₂＝25mm，且内外环的位相差Δ＝₂-₁＝3.14rad。高斯光束经补偿位相板进行位相补偿后得到的超衍射极限激光光束的发散度压缩了80％，而积分能量比为0.93，此时的超衍射极限激光光束在距补偿位相板为15米处的中场衍射光强分布如图6所示，光强分布存在特征次峰，为便于比较图中同时给出了衍射极限下的光强分布。