1.本发明属于光学器件精密调节领域，具体涉及一种二次聚焦曲面镜的调节及焦面确定方法。
背景技术：2.二次聚焦曲面镜是一种反射式的光学器件，其具有两个焦点，与前焦点共焦的光束经反射后必定汇聚于后焦点中，因此可以实现二次聚焦，有效改变激光的数值孔径当后焦点按照实虚区别分别是椭球面镜和双曲面镜。在理想条件下，二次聚焦曲面镜具有数值孔径大、对比度强、成像效果好等优点，广泛应用于天文望远领域、显微技术领域、光学精密测量领域以及各类系统中，具有极高的应用前景和商业价值。同时，由于可以有效缩小焦斑尺寸，二次聚焦曲面镜也可以应用于各类高能物理实验中，显著提高了激光的聚焦功率密度。
3.然而，二次聚焦曲面镜由于离轴特性和大的收集孔径角，对调节精度要求极高，并且具有众多耦合的调节维度，轻微的失调量就会引入较大的慧差和像散，导致成像效果或者聚焦功率密度的显著下降。因此，二次聚焦曲面镜必须进行精密装调。现有的离轴器件调节方法主要利用相机对焦点进行成像观察，比如，离轴抛物镜可通过焦点前后的光斑消除像散，但该方法仅适用少维度调节的光学元件，用于二次聚焦曲面镜时，其调节难度极大，并且无法保证精度。同时，当二次聚焦曲面镜用于缩小时，更短的瑞利长度会导致焦面位置的确定难度增大。
技术实现要素：4.针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜的调节及焦面确定方法。利用不同空间位置的子光束对二次聚焦曲面镜失调的受影响程度不同，通过观察子光束的差异变化，实现二次聚焦曲面镜的高精度快速调节。同时，将多光束结合传统的切焦点方法，通过判断各个子光束的切光斑结果，同步实现理想调节下的二次聚焦曲面镜的焦面位置。
5.本发明采用以下技术方案实现：
6.一方面，本发明提供一种基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜的调节方法，其特点在于，步骤如下：
7.s1.搭建光路
8.s1.1将连续激光光源正入射至离轴抛物镜，调节离轴抛物镜实现无像差理想聚焦，并利用安装有成像镜头的相机对离轴抛物镜的焦点成像，记录初始焦斑；
9.s1.2将多孔径编码板放置于连续激光光源和离轴抛物镜之间的光路上，使空间不同位置产生多束圆形的子光束；
10.s1.3放置二次聚焦曲面镜，该二次聚焦曲面镜的前焦点与所述离轴抛物镜的焦点重合，利用相机对所述二次聚焦曲面镜的后焦点成像，并记录二次图像；
11.s2二次聚焦曲面镜的调节
12.s2.1通过观察多束子光束在相机中的图像，对二次聚焦曲面镜进行调节，使得子光束在近焦面位置成理想圆分布；
13.s2.2移开所述多孔径编码板，利用相机记录二次聚焦后的焦斑，并根据成像比例与初始焦斑计算实际放大比例；
14.s2.3改变所述二次聚焦曲面镜的水平方向角度，并重新插入所述多孔径编码板，轻微调节二次聚焦曲面镜，重复上述步骤，直至得到所需二次聚焦放大比例。
15.进一步，所述通过观察多束子光束在相机中的图像，对二次聚焦曲面镜进行调节，使得子光束在近焦面位置成理想圆分布，具体的调节过程如下：
16.s2.1.1当所有子光束在焦前和焦后位置出现反向倾斜时，调节所述二次聚焦曲面镜的高低方向消除倾斜；
17.s2.1.2当所有子光束在焦前和焦后位置出现反向变椭变扁时，调节所述二次聚焦曲面镜的前后方向，使得光束趋于变圆；同时观察上下位置子光束的情况，一旦出现相对中心子光束的倾斜情况，调节二次聚焦曲面镜的水平方向消除倾斜；
18.s2.1.3将相机缓慢移动使得光束的焦点成像，移动过程中，当子光束重新出现失调现象时，重复步骤s2.1.1-s2.1.2，耦合调节二次聚焦曲面镜的三维平移方向，直至所有子光束在焦面位置成理想圆分布。
19.另一方面，本发明还提供一种基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜的焦面确定方法，包括上述二次聚焦曲面镜的调节方法，其特点在于，还包括：利用挡光片，在所述二次聚焦曲面镜的焦点位置附近阻挡部分的光线传播，采用移入移出式的切焦点方法来确定所述二次聚焦曲面镜的焦面位置。
20.进一步，所述利用挡光片，在所述二次聚焦曲面镜的焦点位置附近阻挡部分的光线传播，采用移入移出式的切焦点方法来确定所述二次聚焦曲面镜的焦面位置，具体是：
21.将挡光片从某一特定方向切入，切入过程中分别观察在近场上与挡光片距离最近以及最远的子光束；当近子光束优先被切，表明挡光片处于焦前位置，需向后移动；当远子光束优先被切，表明挡光片处于焦前位置，需向前移动；重复上述步骤，直到各子光束同时被切。
22.优选的，所述的挡光片为侧面锐利的薄片，垂直于光束入射方向放置，并配有前后以及左右方向的二维平移装置；前后方向的平移装置用于改变挡光片的离焦位置，左右方向的平移装置用于移入移出，实现切焦点功能。
23.所述的连续激光光源垂直入射于多孔径编码板，用于在空间不同位置产生多束圆形的子光束；
24.所述的离轴抛物镜用于将光束聚焦；
25.所述的二次聚焦曲面镜用于将经离轴抛物镜聚焦后的光束二次聚焦；
26.所述的挡光片用于在焦点位置对光束进行移入移出式挡光，确定焦面位置；
27.所述的成像镜头和照相机用于对子光束在二次聚焦曲面镜后焦点位置处进行放大成像，通过观察子光束放大的成像图像判断失调方向并实时调节。
28.所述的连续激光光源需正入射通过多孔径编码板和离轴抛物镜，经离轴抛物镜聚焦后的焦点应是无像差的理想焦点。
29.所述的二次聚焦曲面镜配有三维平移以及两维俯仰调节装置，用于调节二次聚焦曲面镜的姿态。
30.所述的成像镜头定连接在所述的相机上，相机配有前后平移装置，用于改变成像位置。
31.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
32.1)利用二次聚焦曲面镜对不同空间位置光束的失调差异特性，通过观察各个子光束的光斑差异，实现二次聚焦曲面镜的高精度调节，同时结合切焦点方法可同步确定其焦面位置。该方法可有效实现二次聚焦曲面镜快速调节，操作简单，易于集成，只需要少数的光学元件即可实现二次聚焦曲面镜失调调节。
33.2)多孔径与切焦点调制均可采用移入移出方式，不会对主光路造成影响。
34.3)该方法可在调节过程中同步准确确定焦点位置，极大降低了束靶耦合中的调节误差与调节时长。
附图说明
35.图1：基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜精密调节及焦面确定方法原理示意图；
36.图2：多孔径编码板产生子光束示意图。
37.图中1.连续激光光源；2.多孔径编码板；3.离轴抛物镜；4.二次聚焦曲面镜；5.挡光片；6.成像镜头；7.相机。
具体实施方式
38.为使本发明的实施目的、技术方案和技术效果更加清楚，下面将结合实施例中的附图，对本发明实施例进行清楚、完整地描述。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“右”、“上”、“垂直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
39.本实施例提供一种基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜精密调节及焦面确定方法，选择椭球面镜作为二次聚焦曲面镜，参阅图1，如图所示，包括连续激光光源1、多孔径编码板2、离轴抛物镜3、二次聚焦曲面镜4、挡光片5、成像镜头6和相机7。所述连续激光光源1经过多孔径编码板2、然后经离轴抛物镜3反射聚焦、经二次聚焦曲面镜4二次聚焦后入射到相机7。成像镜头6固定在相机7上，挡光片5位于二次聚焦曲面镜4的二次焦点附近。
40.选择具有五个子孔径的多孔径编码板，参考图2包含连续激光光源1和多孔径编码板2。所述连续激光光源1经过多孔径编码板2产生五束子光束，其中光束ⅲ是中心光束，光束ⅱ和光束ⅳ分别位于光束ⅲ左右位置，光束ⅰ和光束
ⅴ
分别位于光束ⅲ上下位置。
41.其具体的操作步骤如下：
42.第一阶段：光路搭建
43.1.连续激光光源1正入射离轴抛物镜3，使用相机7对离轴抛物镜3的焦点成像，完成离轴抛物镜3的理想调节，并记录初始焦斑。
44.2.放置具有五个子孔径的多孔径编码板2于连续激光光源1和离轴抛物镜3之间，产生五束子光束。
45.3.放置二次聚焦曲面镜4，使其前焦点与离轴抛物镜3焦点重合，相机7对二次聚焦曲面镜4后焦点成像，记录二次图像。
46.第二阶段：二次聚焦曲面镜调节
47.1.通过观察子光束i
‑ⅴ
图像，根据子光束图像对二次聚焦曲面镜进行调节，使得子光束i
‑ⅴ
在近焦面位置成理想圆分布；
48.2.移开多孔径编码板，相机记录二次聚焦后的焦斑，并根据成像比例与初始焦斑计算实际放大比例。
49.3.根据实际放大比例需求，改变二次聚焦曲面镜的水平方向角度，并重新加入多孔径编码板，轻微调节二次聚焦曲面镜。重复按照上述步骤，得到所需的二次聚焦放大比例。
50.第三阶段：确定二次曲面镜焦面位置
51.1.二次聚焦曲面镜后焦面位置加入挡光片，挡光片面与光束入射方向垂直。
52.2.根据技术方案中的二次聚焦曲面镜焦面确定操作方法，利用挡光片移入移出切焦点方式，找到二次曲面镜的焦面位置。
53.经试验表明，该发明将连续激光光源作为探针光，经过多孔径编码板产生不同空间位置的多束子光束，利用不同子光束受失调影响的差异性，通过观察各个子光束的光斑差异，实现二次聚焦曲面镜的高效调节，同时结合切焦点方法，可同步确定理想调节下的二次聚焦曲面镜焦面位置。该发明解决了传统二次聚焦曲面镜的调节及确定焦面的精度难题，对使用二次聚焦曲面镜器件的各类光学系统的搭建有重要的应用前景。本发明创新性地提出多孔径和切焦点法相结合，实现高精度调节二次聚焦曲面镜并确定其焦面位置。
54.本发明主要用以解决二次聚焦曲面镜的调节与焦面确定问题，降低了传统调节方式的调节难度与繁琐程度。按照本发明所述技术，可以实现高精度二次聚焦曲面镜调节和其焦面位置的确定，为二次聚焦曲面镜高精度调节提供了一种新的调节方案。虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅是作为示例提出的，并不旨在限制保护的范围。尽管参照前述实例对发明进行了详细说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前所述实例记载的方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
技术特征：1.基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜的调节方法，其特征在于，步骤如下：s1.搭建光路s1.1将连续激光光源正入射至离轴抛物镜，调节离轴抛物镜实现无像差理想聚焦，并利用安装有成像镜头的相机对离轴抛物镜的焦点成像，记录初始焦斑；s1.2将多孔径编码板放置于连续激光光源和离轴抛物镜之间的光路上，使空间不同位置产生多束圆形的子光束；s1.3放置二次聚焦曲面镜，该二次聚焦曲面镜的前焦点与所述离轴抛物镜的焦点重合，利用相机对所述二次聚焦曲面镜的后焦点成像，并记录二次图像；s2二次聚焦曲面镜的调节s2.1通过观察多束子光束在相机中的图像，对二次聚焦曲面镜进行调节，使得子光束在近焦面位置成理想圆分布；s2.2移开所述多孔径编码板，利用相机记录二次聚焦后的焦斑，并根据成像比例与初始焦斑计算实际放大比例；s2.3改变所述二次聚焦曲面镜的水平方向角度，并重新插入所述多孔径编码板，轻微调节二次聚焦曲面镜，重复上述步骤，直至得到所需二次聚焦放大比例。2.根据权利要求1所述的基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜的调节方法，其特征在于，所述通过观察多束子光束在相机中的图像，对二次聚焦曲面镜进行调节，使得子光束在近焦面位置成理想圆分布，具体的调节过程如下：s2.1.1当所有子光束在焦前和焦后位置出现反向倾斜时，调节所述二次聚焦曲面镜的高低方向消除倾斜；s2.1.2当所有子光束在焦前和焦后位置出现反向变椭变扁时，调节所述二次聚焦曲面镜的前后方向，使得光束趋于变圆；同时观察上下位置子光束的情况，一旦出现相对中心子光束的倾斜情况，调节二次聚焦曲面镜的水平方向消除倾斜；s2.1.3将相机缓慢移动使得光束的焦点成像，移动过程中，当子光束重新出现失调现象时，重复步骤s2.1.1-s2.1.2，耦合调节二次聚焦曲面镜的三维平移方向，直至所有子光束在焦面位置成理想圆分布。3.基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜的焦面确定方法，包括权利要求1或2所述的二次聚焦曲面镜的调节方法，其特征在于，还包括：利用挡光片，在所述二次聚焦曲面镜的焦点位置附近阻挡部分的光线传播，采用移入移出式的切焦点方法来确定所述二次聚焦曲面镜的焦面位置。4.根据权利要求3所述的基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜的焦面确定方法，其特征在于，所述利用挡光片，在所述二次聚焦曲面镜的焦点位置附近阻挡部分的光线传播，采用移入移出式的切焦点方法来确定所述二次聚焦曲面镜的焦面位置，具体是：将挡光片从某一特定方向切入，切入过程中分别观察在近场上与挡光片距离最近以及最远的子光束；当近子光束优先被切，表明挡光片处于焦前位置，需向后移动；当远子光束优先被切，表明挡光片处于焦前位置，需向前移动；重复上述步骤，直到各子光束同时被切。5.根据权利要求3所述的基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜的焦面确定方法，其特征在于，所述的挡光片为侧面锐利的薄片，垂直于光束入射方向放置，并配有前后以及左右方向的二维平移装置；前后方向的平移装置用于改变挡光片的离焦位置，左右方向的平移装
置用于移入移出，实现切焦点功能。
技术总结本发明公开了一种基于多孔径编码的二次聚焦曲面镜精密调节及焦面确定方法，将连续激光光源作为探针光，经过多孔径编码板产生不同空间位置的多束子光束，利用不同子光束受失调影响的差异性，通过观察各个子光束的光斑差异，实现二次聚焦曲面镜的高效调节，同时结合切焦点方法，可同步确定理想调节下的二次聚焦曲面镜焦面位置。该发明解决了传统二次聚焦曲面镜的调节及确定焦面的精度难题，对使用二次聚焦曲面镜器件的各类光学系统的搭建有重要的应用前景。本发明创新性地提出多孔径和切焦点法相结合，实现高精度调节二次聚焦曲面镜并确定其焦面位置。确定其焦面位置。确定其焦面位置。
技术研发人员：张栋俊 张然 朱坪 谢兴龙 朱健强
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2022.07.06
技术公布日：2022/11/1
