[发明专利]一种准直偏转光束波前测试仪及其测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域中准直偏转光束的波前测量，特别适合于激光雷达扫描 光束的波前测量。

技术背景

在科学研究及国防领域经常需要对准直偏转光束的波前进行高精度的检测， 如测试准直光束通过偏转器件(闪耀光栅等)后的波前，测试激光雷达扫描光束 的波前等。这里波前是指光束在考察面上的相位分布。根据波前测试的结果可以 诊断出光束质量，从而判断光学系统的性能好坏。这在激光雷达系统中尤其重要， 若激光雷达的扫描光束在近区光束质量不好会对其远区(1km外)的光斑分布产 生极大的影响，可使得光斑能量分散，导致激光雷达探测或是打击目标的能力下 降，所以激光雷达扫描光束质量的精确控制成为影响其功能实现的一个重要因 素。而要实现这点，就必须获得扫描光束在激光雷达光束偏转装置后表面上的波 前分布，用以诊断光束质量及作为改善光束偏转装置参数的依据。

现有的波前测试技术主要有四类：由光束波前的斜率来反演波前，如哈特曼- 夏克(Hartmann-Shack)波前传感器；由光束波前的曲率来反演波前，如曲率波 前传感器；由光束的聚焦光斑来反演波前，如线性相位波前传感器；由光束产生 的干涉条纹来反演波前，如斐索干涉法、泰曼-格林干涉法、剪切干涉仪等。在 这些测试技术中：哈特曼-夏克波前传感器的空间分辨率不高，反演出的波前相 位只能反应大致的分布状况，对细节部分不能精确反应；曲率波前传感器同样波 前重构的精度较低；线性相位波前传感器仅在待测波前畸变较小时适用，动态范 围小；斐索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等双光束干涉仪测试精度高但需要在测试 时一直引入参考平面波，所以稳定性不高，对测试装置的防震性能提出了较高要 求；剪切干涉仪测试精度高且用被检波面本身错位后形成的两个波面发生干涉， 不需另外引入参考波，所以光路防震效果好，系统稳定。剪切干涉仪有横向和径 向两种。横向剪切干涉法是使用空间上错位的两波面产生干涉，其缺点是需要采 集多幅剪切干涉图来反演待测波前，测试非常不方便。径向剪切干涉仪采用径向 上错位的两波面产生干涉，只需一幅条纹图，即可反演出待测波前分布，测试快 捷、方便。

以上这些测试技术都不能直接对准直偏转光束的波前进行测量。需要测试准 直偏转光束波前时，必须移动测试仪器使仪器的光轴方向与偏转光束的传播方向 一致，对不同偏转角度的光束，测试仪器就要移动到不同的位置才能进行测量。 这样非常不方便，而且移动过程可能会导致光学系统中元件的位置发生微小变 化，从而影响测试精度。

发明内容

本发明的目的是解决上述已有技术测试准直偏转光束波前的困难，提供一种 方便、快捷、高精度的便于测试准直偏转光束波前的测试仪。

本发明的技术解决方案如下：

本测试仪是由光束变向装置和剪切干涉光路组成(见图1)。光束变向装置的 作用是改变入射偏转光束的传播方向，使得不同偏转方向的入射光束都能沿同一 方向射出；剪切于涉光路的作用是产生剪切干涉条纹，由干涉条纹图可以计算出 入射偏转光束的波前。

光束变向装置由一个平面反射镜1和一个计算机控制的电动组合旋转平移台 构成。该组合台由一个旋转台A固定在一个一维平移台B上构成，并与计算机C 相连。反射镜1垂直固定在旋转台A上，其竖直方向的中心线与旋转台A转轴的 中心O重合(图2(a))，且其反射镜面与平移台B的移动方向成45°角(图2(b))。

光束变向过程可参见图3，入射光由入光口进入，根据待测光束的形状入光 口可以为方形、圆形或其他对称形状的光阑，入光口中心的垂线(在图中用虚线 表示)经过反射镜1初始位置的中心。当已知偏转角度的偏转光束入射到反射镜 1上时(这里以偏转方向在入光口中心垂线右边的光束为例)，根据待测光束的 偏转角度在控制计算机C上输入组合台的旋转度和平移量，操作组合台的控制软 件使得组合台按设定的参数动作，带动反射镜1发生旋转(逆时针旋转)、平移 (向入光口方向平移)，从而改变入射光的传播方向，使光束的传播方向改变为 垂直于平移台B的平移方向，且其延长线通过反射镜1初始位置的中心。当偏转 光束的偏转方向与图中所示相反(即偏转方向在入光口中心垂线左边)时，反射 镜1的旋转、平移方向也与图中所示相反。

设d为入光口中心到反射镜1初始位置中心的距离，α为入射光束与平移台 B平移方向所成夹角，β为反射镜1的旋转角度，Δd为反射镜1的平移距离， 则反射镜1的旋转角度和平移距离可由下式算出：