哈特曼—夏克方法在激光光束波前和光束质量检测中的应用研究
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摘要
本文对哈特曼—夏克（Hartmann-Shack）波前传感器在激光束波前和光束质
量检测中的应用进行了研究。给出了波前拟合的算法和光强拟合的算法，并进行
了精度分析。
借鉴哈特曼—夏克（Hartmann-Shack）波前传感器在自适应光学中的应用，
用标准平面波作为检测的基准，对波前进行相对测量，在一定程度上消除了由于
光学元件加工误差、背景噪声等系统误差和随机误差的影响，进一步提高了检测
精度和自动化处理程度。
测量波前斜率时，用亚象素法来提高待测光波通过子孔径阵列后在CCD靶
面形成的光斑质心的定位精度。重构波前时，采用模式法中的泽尼克多项式拟合
波前，从而能够了解波前的象差类型，其拟合精度也较高。拟合光强分布时，采
用双三次B样条曲面拟合的方法，曲面片间二阶连续，拟合出的光强分布曲面
光滑自然。
本课题用哈特曼—夏克（Hartmann-Shack）波前传感器实现了激光波前检测，
同时得到了光强分布等其它激光光束质量参数，为同时检测激光波前和光束质量
提供了一种高精度，高灵敏度而且简单可行的方法。
The application of Hartmann-Shack wavefront sensor in testing of laser
wavefront and laser beam quality is presented in the theses. The algorithms of fitting
wavefront and laser power distribution are provided and the accuracy is theoretically
analyzed.
The application of Hartmann-Shack wavefront sensor in Adaptive Optics is used
for reference. By selecting a normative plane wave as a benchmark for relative test,
the influence of system error and random error such as machining error of optical
components, background noise is in some extent eliminated, therefore the accuracy
and the degree of automatic processing can be promoted.
In the measurement of wavefront slope, a sub-pixel method is used to increase
the accuracy of locating the light spot mass centers which are formed at a CCD
sensing surface when a testing light wave passes through the Hartmann-Shack sensor.
In the wavefront reconstruction, a modal wavefront estimation method (i.e. wavefront
fitting with Zernike polynomials) is used, therefore the aberration types of wavefront
can be well understood and the high accuracy can be obtained. In fitting the laser
power distribution, Double Cubic B Spline Function is used for surface fitting of the
distribution. The surface patches are naturally linked and the whole distribution
surface is smooth.
Laser wavefront testing is successfully performed by using Hartmann-Shack
wavefront sensor and laser beam quality parameters are obtained at the same time. A
simple and feasible method of wavefront and laser beam quality test with high
accuracy, high sensitivity is provided.
量检测中的应用进行了研究。给出了波前拟合的算法和光强拟合的算法，并进行
了精度分析。
借鉴哈特曼—夏克（Hartmann-Shack）波前传感器在自适应光学中的应用，
用标准平面波作为检测的基准，对波前进行相对测量，在一定程度上消除了由于
光学元件加工误差、背景噪声等系统误差和随机误差的影响，进一步提高了检测
精度和自动化处理程度。
测量波前斜率时，用亚象素法来提高待测光波通过子孔径阵列后在CCD靶
面形成的光斑质心的定位精度。重构波前时，采用模式法中的泽尼克多项式拟合
波前，从而能够了解波前的象差类型，其拟合精度也较高。拟合光强分布时，采
用双三次B样条曲面拟合的方法，曲面片间二阶连续，拟合出的光强分布曲面
光滑自然。
本课题用哈特曼—夏克（Hartmann-Shack）波前传感器实现了激光波前检测，
同时得到了光强分布等其它激光光束质量参数，为同时检测激光波前和光束质量
提供了一种高精度，高灵敏度而且简单可行的方法。
The application of Hartmann-Shack wavefront sensor in testing of laser
wavefront and laser beam quality is presented in the theses. The algorithms of fitting
wavefront and laser power distribution are provided and the accuracy is theoretically
analyzed.
The application of Hartmann-Shack wavefront sensor in Adaptive Optics is used
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and the degree of automatic processing can be promoted.
In the measurement of wavefront slope, a sub-pixel method is used to increase
the accuracy of locating the light spot mass centers which are formed at a CCD
sensing surface when a testing light wave passes through the Hartmann-Shack sensor.
In the wavefront reconstruction, a modal wavefront estimation method (i.e. wavefront
fitting with Zernike polynomials) is used, therefore the aberration types of wavefront
can be well understood and the high accuracy can be obtained. In fitting the laser
power distribution, Double Cubic B Spline Function is used for surface fitting of the
distribution. The surface patches are naturally linked and the whole distribution
surface is smooth.
Laser wavefront testing is successfully performed by using Hartmann-Shack
wavefront sensor and laser beam quality parameters are obtained at the same time. A
simple and feasible method of wavefront and laser beam quality test with high
accuracy, high sensitivity is provided.
引文
[1] 徐林苗等，激光束空域强度分布测试，应用激光，1995，16(6) ，4044。
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[3] 吕百达，新一代ICF固体激光驱动器和光束质量研究的进展，激光杂志，
[4] 鲜浩，姜文汉，波相差与光束质量指标的关系，中国激光，1999，26(5) 。
[5] 周仁忠，阎吉祥，赵大尊，曹根瑞，俞信编著，《自适应光学》，国防工业 出版社，1996． 4。
[6] 雷訇等，大功率激光光束光斑质量诊断仪的自适应测量，应用激光， 19(4) ，165-167。
[7] 满春阳等，激光加工中光参量的测试技术及设备，应用激光， 1999，19(5) ，323-326。
[8] 杜春雷，林大健，周明宝，衍射微透镜列阵在Shack-Hartmann 波前传感器 中的应用，光子学报，1996，25(8) ，732-735。
[9] V.V.Apollonov,S．A．Chetkin，V．V．Kijko，S．V．Muraviev,G．V．Vdovin， Real-Time Hartmann sensor for phase-conjugated adptive optical system SPIE Vol．1543 Active andadaptive optical components(1991／325-336) 。
[10] 付雷，硕士学位论文《高能激光腔镜变形技术研究》1998． 1。
[11] 魏学业等，一种基于Zemike 多项式波前探测和重构方法，光学学报， 1994，14(7) ，636-640。
[12] 陈哲等，一种重构高功率激光束波前的方法，光学学报，1999，19(3) ，326-334。
[13] 周仁忠，阎吉祥，《自适应光学理论》， 1996． 1。
[14] 沈锋，姜文汉，夏克-哈特曼波前传感器的波前相位探测误差，光学学报， 2000，20(5) ，666-671。
[15] 赵月芳主编，《微机绘图与AutoCAD》，电子工业出版社，1994． 4。
[16] 孙家广，许隆文编著，《计算机图形学》，清华大学出版社，1987，12。
[17] 成都电信工程学院，北京工业学院合编，《激光器件》，湖南科学技术出版社，1981． 4。
[18] 周炳琨，高以智，陈家骅等编著，《激光原理》
[19] 华中工业学院，天津大学，西北电讯工程学院合编，《激光技术》，湖南科 学技术出版社，1982． 2。
[20] 光束宽度测量装置和使用的标准和方法，北京光电所(资料)。
[21] 激光光束的辐射特性因子其宽度、发散角的试验方法，北京光电所(资料)。
[22] M2 参数测量，北京光电所(资料)。
[23] 母国光，战元龄，《光学》人民教育出版社，1981． 4。
[24] 牛燕雄等，激光束质量因子M2 及其测量，激光技术，1999，23(1) ，38-41。
[25] 刘晓兵，刘智，文捷，阮玉，激光光斑测量仪，激光技术，1995，19(3) ，186-189。
[2] 巩马理等，激光光束质量诊断技术的进展，激光杂志，1995，16(4) ，145-147。
[3] 吕百达，新一代ICF固体激光驱动器和光束质量研究的进展，激光杂志，
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[18] 周炳琨，高以智，陈家骅等编著，《激光原理》
[19] 华中工业学院，天津大学，西北电讯工程学院合编，《激光技术》，湖南科 学技术出版社，1982． 2。
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