用剪切干涉法测气动窗口流场对光束质量的影响

　　用剪切干涉法测气动窗口流场对光束质量的影响陈汁幸，刘天芈，姜宗福，李文煜国防科学技术大学理学院定向能技术研宄所，湖南长沙410073流场对光束质量的影响；给出测量原理，解决了干涉条纹难以判读的难点。并对稳定工作状态下自由旋润气动窗口流场对光束质量的影响进行实验研充以斯特列尔比为评价标准，测量给出自由旋涡气动窗口在稳定工作状态下对光束质量的影响程度。结果明，当自由旋涡气动窗口工作在理论设计条件下时，对光束质量的影响比较小，能较好满足任务需要。

　　随着大功率激光器的发展，气动窗口的研宄显得越来越重要，气动窗口流场对光束质量影响的研宄是其中个重要方面4对它的测量，通常采用纹影法全息法等但这些方法都有个共同的缺点对测童的环境和装丑耍求不利千实验的进；远场光斑法测量存作有结汜不4分祈难以达到较高精度的缺点本文采用横向剪切干涉仪作同测量，降低了实验要求，简化了实验装置，使实验更容易进行，并能达到相当高的测量精度5！但这方法存在干涉条纹难以判读的缺点，本文妥善地处理了这问，并给出了自由旋涡气动窗口1流场对光波前影响的测量结果1测量原理光旭过透明无色流，其折射率的+均3能改变光波前的相位或传播方向，不会使振幅发生变化用干涉法可以将相位的改变转化为光强分布的变化，得到干涉条统通过对干涉条纹的分析，得到波前相位的畸变情况在实际测量条件下，的值般很小，所以，以下讨论中忽略光束在流场中的偏折，考虑光波前相位的变化！

　　1.1横向剪切干涉横向剪切干涉是将被测波面剪切为两个，这两个波面错开定距离后重叠发生干涉与普通的干涉仪不同，横向剪切干涉不需要参考波面，两个波面经过同路径，发生比较干涉这就决定了横向剪切干涉对振动温度扰动不敏感河测量环境要求不同时，比较千涉的特性也决定了横向剪切干涉条纹反映的是波面的变化梯度而不是直接反映波面的形状，这是使用这种方法的困难所在41设待测的波前为，方化切，剪切晴为。则被的切波前为1令+51.的光场为则剪1刃涉条纹为为场范1内很难1到多级丁1涉条纹。使1续的波前恢复无法进厅同时为解决下涉糸纹难以判读的肖当没有剪切量时，得到等厚干涉条纹山厂加入等厚千涉的调制。在丁1涉形上，丁1涉条纹的级次按顺序依次变化，1以得到相对。干涉级次沿削刃力选，爹考点。，该77为参考点数，参考点间距等尸剪仅有等厚丁1涉时。由5式知道，参考点。1.，处的干涉级次为d处的干涉级次6系式为厂有气流通过时关系式为次的变化由7，8式可得山以的推导以打出，七，伪汽流时在点4处波前，七为无处的波前为有气流和无气流时波前在点，处的变化，为。，良其河由迪气前后两个状态下测以的同参考点1付涉级次的羌求得，同样，在方向剪切时，也可得到波前变化和其差分值的关系式通过对横向剪切干涉条纹的分析，可以求出所有参考点处波前变化在剪切方向上的差分值。在波前变化冰是个用多项式小的缓变函数的假设，由12式可以免出似优的项式系数，求出波前变化用这种方法，求出的是流场对波前的影响，能够消除实验中其他因素造成的波前畸变，如反射镜变形的影响等1.2干涉的处理对于实验测得的丁1涉条纹。采用人1确定条纹中心测量条纹中心的偏移，工作很火而误差也比较大本文采；露机对干涉条纹进行自动处理，提高了效率和精度实验得到的干涉条纹信噪比般比较低，首先需要进行降噪处理，实验中采用维纳滤波对形进行处理。消除高频噪汽由于实验采1载波技术，干涉条纹可以调为甲直条纹叠加反映〉变信息的特征条纹；沿垂直于条纹方向，找出行上像素值的所有局部极小值和极大值，即得到这行上所有明暗条纹的中心位置；扫描垂直于条纹所有行，就可以确定明暗条纹的中心位置，进而得到每条干涉条纹的相对干涉级次对于参考点处的相对千涉级次可以采用线性插值的方法由干涉条纹的相对千涉级次求得这样就可以确定波前恢复所需每个参考点处的相对干涉级次4！

　　阁141为以流，得到的横向剪切十涉条纹阁，1为13滤波处理的结为维情况下得到的干涉条纹中心位置。从10可以看出来，干涉条纹中心定位比较准确，没有出现伪条纹和条纹数减少，得到了满意的结果1.3光束质量评价有相位误差为的光波及，山在远场的夫琅和费衍射为在光轴上的强度为如果波前尤误羞则这就是受限于衍射极限的情况斯特列尔比定义为由16式19式可得实际峰俏功，衍射极限峰值功率由20式，土可以写成57=161山5在小像差近似条件下将项找，〉展开并且只取前两项得l式农明，仅取决于波前误差。而且对波前误很敏感。因此。可用于m束j贡。本张，取t uUK以算得激光束经过气动窗l流场后波前的畸变。3f.经计算得斯特列尔比为0.9594 2实验及结果叮平面，激光沿2方向传输，气流方向为正方向。

　　根据自由旋气动窗口的特性，知道气流密度的不均匀性主要发生在沿气流方向16正方向；方向的密度可以认为是均匀的，对波前影响不大实验中，只对沿气流方向的波前变化进行了测量，剪切方向沿气流方向，期切量为5=1.5如阳设第组的测结果，此，动掎口入1供气总压为0.9其密封压比为为1阁3是第机测量结果，此时气动窗口入供气总压为51刖，其密封压比为2.841.为兑得的迎气前后的波前畸变，算得的斯特列尔比为，22，从中可以看出，此时气流对波前的影响比较大，波前高阶畸变明昆付比这两组实验结果，可以知道，气动商七大气压力为1.。气动窗口的卡比比较高。此时气动窗口工作在设计工作状态附近1计算得到的斯特列尔比为，959，说明实际峰值光强和衍射极限峰值光强很接近，气动窗口流场对光束质量影响比较小；当主大气压力为，51河，时，斯特列尔比为，1622，说明在此工作条件下，气动窗口对光束质量的影响比较大整个测量结果和气动窗口的理论设计结果比较吻合！

　　3结论文中提出采用横向剪切干涉仪测量气动窗口对光束质量的影响，降低了对实验环境的要求，提高了在恶劣环境下的测量精度实验测量了不同工作状态下自由旋涡气动窗口流场对光束质量的影响，给出了测量结果，并进行了初步分析。从实验结果可以看出来，横向剪切干涉法能很好地满足气动窗口流场又寸光束质量影响的测量要求，在气动窗口光学性能研宄中具有良好的应用前景1刘天华，姜宗福，韦成华，等。自由旋气动窗口设计原理及其工作性能的初步实验研宄1儿中国激光，2000，712327.

　　I7I孙即祥。数字象处理肘。石家庄河北工业出版社，1983.。0名士名6100，1格。，3如2仙1格16他1431Press519838周仁忠。自适应光学。北兄国防工业出版社，1996.处0.心10，8.制爸，1加160，1他土1688，9刘天华，李文煜，姜宗福，等。用远场法研，自由旋气动窗口的光学特性儿强激光与粒子束，200131914.灶1