CN101603858B - 激光光束质量bq因子检测仪 - Google Patents

Abstract

一种激光光束质量BQ因子检测仪，其构成包括同光路的依次的第一反光镜、第二反光镜、聚焦透镜、可变孔径光阑、成像透镜、分光镜、衰减片和CCD，而且所述的聚焦透镜、可变孔径光阑、成像透镜、分光镜、衰减片和CCD同光轴，在所述的分光镜的反射方向设置功率计，所述的功率计的数据线和所述的CCD的数据线分别与计算机相连，所述的聚焦透镜的焦距为f₁，直径为D₁；所述的聚焦透镜和成像透镜共焦点，所述的可变孔径光阑插设在所述的聚焦透镜和成像透镜共焦点附近并具有沿光路移动的调节机构，所述的CCD具有沿光轴移动的调节机构，所述的计算机具有视频采集卡、数据采集卡和计算激光光束质量BQ因子的数据处理程序。

Description

激光光束质量BQ因子检测仪

技术领域

本发明涉及检测仪，特别是一种激光光束质量BQ因子检测仪。

背景技术

激光光束质量BQ因子——激光束远场桶内功率比，是描述激光特性的一个重要的技术指标，直接关系到激光器的应用效率，特别是对于相干组束激光阵列的组束效率来说是一个重要的指标(参见Gregory D.Goodno，CharlesP.Asman，Jesse Andereg，etc.Brighmess-Scaling Potential of ActivelyPhase-Locked Solid-State Laser Arrays，QUANTUM ELECTRONICS，IEEE，VOL.13，NO.3，2007)。BQ因子的定义为：

$\mathrm{BQ}=\sqrt{\frac{f_{\mathrm{DL}}}{f}}$

其中：f_DL是指理想近衍射极限、光束直径为D的基模光束在发散角为λ/D内的功率与出射功率比值，f为测得的实际激光光束在发散角为λ/D内的功率与出射功率比值，λ指的是待测激光波长，D指的是待检测激光束直径。目前，在高功率激光器光束质量评价中，越来越多采用BQ来作为评价标准。尤其是采用激光阵列相干组束后具有高功率的激光束，采用BQ可以更加直接、客观的评价相干组束效果。

BQ测量原理如下：首先将待测激光器的出射并经过准直的激光束(光束直径为D)经一长焦(焦距为f₁)、大数值孔径的聚焦透镜，用功率计测出过透镜后的激光功率P。计算激光功率为P，光束宽度为D，理想基模激光光束经焦距为f₁的聚焦透镜后，在透镜后焦面，即光束腰斑位置处，以光束中心为圆心，直径为λf₁/D范围内的激光功率值P₂，公式如下：

$P_2=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^{2}P}{{\mathrm{\λ}}^2{f_1}^2}\underset{0}{\overset{\frac{\mathrm{\λ}{f}_1}{2D}}{\∫}}\mathrm{rexp}(-\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^2{r}^2}{2{\mathrm{\λ}}^2{f_1}^2})\mathrm{dr}$

然后，根据出射激光束宽度D，在通过聚焦透镜后焦面处放置一小孔，小孔直径为λf₁/D，小孔中心与光轴重合，测量过该小孔的激光功率P₁，再由下式可以计算出BQ。

$\mathrm{BQ}=\sqrt{\frac{f_{\mathrm{DL}}}{f}}=\sqrt{\frac{P_2/P}{P_1/P}}=\sqrt{P_2/P_1}$

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光光束质量BQ因子检测仪，通过测量激光光束在远场光强分布，以及特定发散角内输出功率与整体功率的比值，然后计算得到用于评价激光光束质量的BQ因子值。该装置能够方便实时地对激光光束质量BQ因子进行测量，而且结构紧凑，实用性强。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光光束质量BQ因子检测仪，特点在于其构成包括同光路的依次的第一反光镜、第二反光镜、聚焦透镜、可变孔径光阑、成像透镜、分光镜、衰减片和CCD，而且所述的聚焦透镜、可变孔径光阑、成像透镜、分光镜、衰减片和CCD同光轴，在所述的分光镜的反射方向设置功率计，所述的功率计的数据线和所述的CCD的数据线分别与计算机相连，所述的聚焦透镜的焦距为f₁，直径为D₁；所述的成像透镜的焦距为f₂，直径为D₂，所述的聚焦透镜和成像透镜共焦点，所述的可变孔径光阑的小孔直径设定为λf₁/D，插设在所述的聚焦透镜和成像透镜共焦点附近并具有沿光路移动的调节机构，其中D为待测光束直径，λ为待测光束波长，所述的CCD具有沿光轴移动的调节机构，所述的计算机具有视频采集卡、数据采集卡和计算激光光束质量BQ因子的数据处理程序。

所述的聚焦透镜的表面镀有与激光波长相符的增透介质膜，具有较小的成像误差，且焦距f₁≥500mm，该聚焦透镜具有沿轴向前后移动的机构。

所述的可变孔径光阑的直径具有精确控制机构。

所述的成像透镜的表面镀有与激光波长相应的增透介质膜。

所述的计算机具有视频采集卡和求得激光光束质量BQ的数据处理程序，该程序包括采用一阶距方法计算光斑中心程序、采用二阶距方法计算光斑直径程序、根据测得过特定小孔直径后功率的光束质量BQ计算程序和人机交互功能部分。

本发明的优点是：

1、适用于不同波长和光束质量的激光束的测量。

2、使用方便灵活，减少了实际操作的复杂性。

3、结构紧凑、体积小、构造简单、制造方便。

附图说明

图1为本发明激光光束质量BQ因子检测仪的结构示意图。

图2为本发明检测仪中数据处理程序流程简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明激光光束质量BQ检测仪的结构示意图。由图可见，本发明激光光束质量BQ检测仪的构成是：在待测激光器发出的待测激光束的前进方向同光路地依次设置第一反光镜1、第二反光镜2、聚焦透镜3(透镜焦距为f₁)、可变孔径光阑4、成像透镜5(透镜焦距为f₂)、分光镜6、功率计8、衰减片7、CCD9，功率计的输出端数据线11和CCD的输出端数据线12分别与计算机10相连。具体测量方法，包括如下步骤：

第一步：待测激光器出射经过准直的激光束，调节第一反光镜1和第二反光镜2，将激光束入射到聚焦透镜3，CCD9将采集到该光斑图形经CCD的输出端数据线12传送至计算机10，显示在计算机显示器上，沿光路前后移动CCD9，每移动一次，由软件计算出光斑中心的坐标，移动CCD9后，如果前后两次的光斑中心的坐标值相同，即可以判定入射到聚焦透镜3上的激光束的传输轴线与聚焦透镜3的光轴重合，如果光斑中心的坐标值不相同，则调整第一反光镜1和第二反光镜2，然后再重复上述操作，直至入射光束的传输轴线与聚焦透镜3的光轴重合。然后，由计算机内的软件记录由功率计8传输给计算机的功率值P，这时可变孔径光阑4还没有放入光路中；

第二步：将CCD9沿光路前后移动，由计算机10内的软件实时地计算光斑直径，然后将CCD9移动出现最小光斑直径时的位置，并由计算机记录下光斑直径D_L，再由软件计算出激光器发射光束的直径D。

第三步：将可变孔径光阑4放入聚焦透镜3后焦面处，并将可变孔径光阑4的小孔的直径设定为λf₁/D，λ为激光波长，为了提高放置的准确性，将小孔沿光路前后移动，通过功率计8观察，确保可变孔径光阑4放置在功率计8上显示为最大值时的位置，此处即为待测光束经聚焦透镜3后焦面处，即在聚焦透镜3光束的腰斑位置；

第四步：通过数据线传输线11将功率计8上的读数传送给计算机10，再由计算机10内的检测仪的软件计算得到待测激光束的光束质量的BQ值。

数据处理的流程如图2所示：

计算机10接收到CCD9采集到的光斑灰度图，利用一阶矩的子程序对包含光斑的灰度图进行一阶矩求解，其物理意义是求解光斑图中光强分布的重心，一般情况下，光斑图中光强分布重心位置就是光斑的中心。光斑中心坐标的计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\∫\∫\mathrm{xI}(x,y)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫I(x,y)\mathrm{dxdy}}$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{\∫\∫\mathrm{yI}(x,y)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫I(x,y)\mathrm{dxdy}}$

其中I(x，y)为(x，y)处的光强函数值，(x，y)即为光斑中心坐标。根据上面求出的中心坐标(x，y)，利用二阶矩求出光斑直径D_L，光斑直径的计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_x^2=\frac{\∫\∫{(x-\stackrel{\‾}{x})}^{2}I(x,y,z)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫I(x,y,z)\mathrm{dxdy}}$

${\mathrm{\σ}}_y^2=\frac{\∫\∫{(y-\stackrel{\‾}{y})}^{2}I(x,y,z)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫I(x,y,z)\mathrm{dxdy}}$

$D_L=2({\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_y^2)$

其中I(x，y)为(x，y)处的光强函数值，根据聚焦透镜3的焦距f₁，成像透镜5的焦距f₂和D_L，可以由下面公式计算出激光器发射的激光光束直径：

$D=D_L\frac{f_1}{f_2}\sqrt{1+{\left(\frac{2\mathrm{\λ}{f}_2}{\mathrm{\π}{D}_L}\right)}^2}\≈D_L\frac{f_1}{f_2}$

根据激光器出射激光功率P，然后利用下面的公式计算激光功率为P，光束宽度为D，出射功率为P的理想的基模光束在发散角为λ/D内的功率值P₂：

$P_2=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^{2}P}{{\mathrm{\λ}}^2{f_1}^2}\underset{0}{\overset{\frac{\mathrm{\λ}{f}_1}{2D}}{\∫}}\mathrm{rexp}(-\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^2{r}^2}{2{\mathrm{\λ}}^2{f_1}^2})\mathrm{dr}$

然后根据测量得到的P₁值，由下面BQ的计算公式计算得出激光器出射激光光束的BQ值。

$\mathrm{BQ}=\sqrt{P_2/P_1}$

下面举一个具体实施例子介绍如下：

如图1所示，待测激光器，输出激光波长为λ＝1080nm。光束经过第一反射镜1和第二反射镜2后，经高质量聚焦透镜3聚焦，该聚焦透镜3为双凸透镜，焦距f₁＝500mm，透镜直径D₁＝50mm，激光束经过聚焦透镜3后，通过成像透镜5(成像透镜焦距f₂＝50mm，透镜直径D₂＝30mm，成像透镜的前焦点与聚焦透镜3的后焦点重合，同光轴)后，经由功率计8测得功率P＝10.6W，以及CCD9采集到光斑图形，然后经过计算机视频采集卡，在计算机10的显示器上显示光斑形状。首先沿光轴前后移动CCD9，观察显示器上光斑的中心位置变化，调整第一反射镜1和第二反射镜2，直至CCD9上的光斑的中心位置不发生改变，再将CCD9移动至计算机10上显示光斑直径为最小，测得光斑直径为D_L，计算出激光器出射激光光束宽度D，这个过程中可变孔径光阑4不放入光路中。其次，测量没有加可变孔径光阑4时的功率计8上的数值P，并将结果传递给计算机10。然后将可变孔径光阑4放置于聚焦透镜3后焦面处，并将可变孔径光阑4的小孔直径设定为λf₁/D＝0.27mm，然后通过观察过可变孔径光阑4后在计算机10上显示的光斑形状，确定小孔中心是否与光斑中心重合，并沿光轴方向前后移动可变孔径光阑4，直至功率计上显示过可变孔径光阑4小孔的功率为最大值时，读取功率计8上的数据P₁并传递给计算机10。最后计算机10根据采集到的光斑宽度D_L、功率P、P₁和距离L，由激光光束质量BQ计算程序计算得到BQ值为1.73。

Claims (4)

1.一种激光光束质量BQ因子检测仪，特征在于其构成包括依次的同光路的第一反光镜(1)、第二反光镜(2)、聚焦透镜(3)、可变孔径光阑(4)、成像透镜(5)、分光镜(6)、衰减片(7)和CCD(9)，而且所述的聚焦透镜(3)、可变孔径光阑(4)、成像透镜(5)、分光镜(6)、衰减片(7)和CCD(9)同光轴，在所述的分光镜(6)的反射方向设置功率计(8)，所述的功率计的数据线(11)和所述的CCD的数据线(12)分别与计算机(10)相连，所述的聚焦透镜(3)的焦距为f₁，直径为D₁，所述的成像透镜(5)的焦距为f₂，直径为D₂，所述的聚焦透镜(3)和成像透镜(5)共焦点，所述的可变孔径光阑(4)的小孔直径设定为λf₁/D，插设在所述的聚焦透镜(3)和成像透镜(5)共焦点附近并具有沿光路移动的调节机构，其中D为待测光束直径，λ为待测光束波长，所述的CCD(9)具有沿光轴移动的调节机构，所述的计算机(10)具有视频采集卡、数据采集卡和计算激光光束质量BQ因子的数据处理程序。

2.根据权利要求1所述的激光光束质量BQ因子检测仪，其特征在于所述的聚焦透镜(3)的表面镀有与激光波长相符的增透介质膜，具有较小的成像误差，且焦距f₁≥500mm，该聚焦透镜(3)具有沿光轴前后移动的机构。

3.根据权利要求1所述的激光光束质量BQ因子检测仪，其特征在于所述的可变孔径光阑(4)的直径具有精确控制机构。

4.根据权利要求1所述的激光光束质量BQ因子检测仪，其特征在于所述的成像透镜(5)的表面镀有与激光波长相应的增透介质膜。

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