【摘 要】
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随着激光在精密加工、精密测量、生物医学等领域的广泛应用,对激光的各种要求也随之而来,尤其是对连续近高斯激光的强度和相位提出了更高的要求,从而,连续近高斯激光复振幅的高精度测量成为了一种新的需求。激光复振幅由振幅和相位两部分组成,基于单数字相机的传统复振幅测量方法存在:结构复杂、受环境影响大、高阶连续波前像差测量难等局限性。本文基于单数字相机的相位反演技术,提出一种针对测量孔径分解的激光复振幅反演方
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随着激光在精密加工、精密测量、生物医学等领域的广泛应用,对激光的各种要求也随之而来,尤其是对连续近高斯激光的强度和相位提出了更高的要求,从而,连续近高斯激光复振幅的高精度测量成为了一种新的需求。激光复振幅由振幅和相位两部分组成,基于单数字相机的传统复振幅测量方法存在:结构复杂、受环境影响大、高阶连续波前像差测量难等局限性。本文基于单数字相机的相位反演技术,提出一种针对测量孔径分解的激光复振幅反演方法,具体研究内容如下:（1）对测量孔径进行有效分解,采用光场传播理论,构建激光复振幅线性变换模型,结合沿激光传播方向采样到的不同子孔径的聚焦、离焦平面的光强分布,建立基于孔径分解的多测量平面复振幅反演目标函数;（2）结合复数域的梯度传播理论以及复振幅的Zernike多项式表征方法,对目标函数相对振幅和相位Zernike系数的梯度表达式进行梯度模块化推导,设计基于梯度模块化的复振幅反演非线性优化算法;（3）通过改进的粒子群优化算法对非线性优化算法的迭代初值进行全局估计,设计一套基于全局初值估计的非线性优化算法,对振幅和相位Zernike系数同时进行优化求解,实现激光复振幅的重构。通过激光复振幅的仿真和实际测量实验,验证了提出方法的有效性和精确性。其中,仿真结果表明:激光复振幅测量精度跟孔径分解方式、透镜焦距、离焦距离、相机信噪比具有明显的约束关系;在较为理想的条件下,重构振幅与振幅真值、重构相位与相位真值的相对均方根误差最小可分别达到0.00037和0.00016。而实际实验结果表明:选择合适的离焦距离和孔径分解方式,激光重构振幅与振幅测量值、激光重构相位与相位测量值的相对均方根误差可分别小于0.0045和0.0033。提出方法对于近高斯激光光束质量的测量与评估具有重要意义。
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