CN101782435A - 激光参数综合测试系统 - Google Patents

Abstract

一种激光参数综合测试系统，构成包括尖劈分光镜、凹球面反射镜、数字面阵CCD相机、硅光电二极管、光电探测器、能量探头、光谱仪、可调衰减器、步进电机及带有采集卡和控制卡的计算机，待测激光束入射到平面反射镜上，利用该平面反射镜的透射光测量激光束的单脉冲能量、脉冲宽度、重复频率和波长，尖劈分光镜将该平面反射镜的反射光分为两束，一束用来观察近场光斑，另一束用来测量激光束的M²因子、远场发散角、束腰直径和指向稳定性。本发明可对激光束单脉冲能量、波长、脉冲宽度、重复频率、M²因子及指向稳定性进行综合、准确、稳定的测量。

Description

激光参数综合测试系统

技术领域

本发明涉及激光参数测量，特别是一种激光参数综合测试系统，可对激光单脉冲能量、波长、脉冲宽度、重复频率、M²因子、远场发散角、束腰直径和指向稳定性进行测试。

背景技术

要对激光束的性能进行测试，常规的做法是针对不同的激光参数，使用不同的测试光路和测量器件：

(1)脉冲激光单脉冲能量(或连续激光功率)的测量使用常规的热释电型能量(或功率)计，热释电型探测器有着很宽的光谱范围和较高的探测率，适用于室温下脉冲激光单脉冲能量(或连续激光功率)的测量；

(2)激光波长用常见的光栅分光的方法进行测量，根据测量波长和分辨率选择光栅类型及刻线密度；

(3)脉冲激光的重复频率和脉宽用示波器测量，根据测量重复频率和脉宽选择示波器的带宽和采样率；

(4)激光束腰直径的测量方法有可变光阑法、移动刀口法、移动狭缝法和面阵CCD相机探测法，其中面阵CCD法因其操作简便而被广泛使用；

(5)远场发散角的测量方法，是用设计良好的透镜对待测激光束进行聚焦，其焦距为f，用(4)中提到的方法测量透镜后焦面处的光斑直径d_f，则待测激光束的远场发散角可表示为 $\mathrm{\θ}=\frac{d_f}{f};$

(6)指向稳定性的测量方法，对待测激光束进行聚焦，透镜焦距为f，用CCD在透镜后焦面处进行激光光斑探测，根据光斑图像的一阶能量分布计算得到光斑的质心，连续进行多次光斑探测即可得到激光束在X，Y方向的质心位置偏差σ_x，σ_y，则激光束在X，Y方向上的指向稳定性可表示为 ${\mathrm{\δ}}_x=\frac{{\mathrm{\σ}}_x}{f},$ ${\mathrm{\δ}}_y=\frac{{\mathrm{\σ}}_y}{f};$

(7)M²因子的测量，目前已发展有多种技术，详细介绍如下。

激光束的M²因子是描述激光特性的重要技术指标，它的定义为

M²因子同时包含了激光束的近场特性和远场特性，也具有无像差光学系统传输不变性的重要特点，使得其得以广泛推广。

关于激光束M²因子、束腰直径和远场发散角的测量，国际标准化组织规定，“可以通过测量不同传输位置z的光束宽度的二次曲线拟合后得到。这样，至少需要测量10个点，其中至少有半数应该是在光腰任一侧的一个瑞利长度内，并且至少有一半应该分布在离开光腰2个瑞利长度内”。具体测量方法的实现主要有如下几种：

一是用一个设计良好的透镜将待测激光束聚焦以保证激光束适宜于CCD相机探测，CCD相机在聚焦光束的传输方向上对束腰前后不同位置处的光斑进行采集，再经二次曲线拟合得到M²因子。这种技术操作简单，是比较成熟的测量技术，使用该技术的商品化的测量仪器有美国Spiricon公司的M²-200和美国Photon公司的ModeScan。

二是A.E.Siegman所用的三点法。A.E.Siegman在1992年采用一个焦距为100mm的透镜对激光束进行聚焦，用三块分光镜将光束分为强度一样的三束，并分别测量聚焦光束的束腰直径和两个焦后位置的光束直径，经计算得到激光束的M²因子。该方法的缺点是光斑采集样点太少，测量误差大。

三是使用两块正交偏心菲涅尔光栅将待测激光束同时分成9束，在接收面上得到的9个光程互不相同的光斑，即可同时实现激光束不同位置处的光斑采集。该方法的优点是可实现M²因子的实时测量，不过该偏心菲涅尔光栅设计复杂，难于操作，光栅的存在易引入较大的像差，且所接收光斑由于不是垂直光束的正面接收而存在光强分布的失真。

四是使用设计良好的透镜对待测激光束进行聚焦，再用双平行平板对聚焦光束进行分光，同时得到激光束10个光程互不相同的光斑，即可同时实现激光束不同位置处的光斑采集。该方法的优点是可实现M²因子的实时测量，并适宜于大能量激光的测量。该方法得到的各光斑的峰值功率密度差异和光程差与两平行平板的间距和激光束进入平板的入射角和有关，要保证M²因子计算的精确性，需对两平行平板的间距和激光束进入平板的入射角进行准确调节，增加了该方法使用的复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光参数综合测试系统，实现用一台仪器测量激光多个参数，包括单脉冲能量、脉冲宽度、重复频率、波长、M²因子、束腰直径、远场发散角和指向稳定性等。本发明的特点是实用，结构紧凑，操作简单。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光参数综合测试系统，特点在于其构成包括：

在待测激光束的前进方向斜置一平面反射镜，该平面反射镜将所述的待测激光束分为透射光束和反射光束：

在所述的透射光束的光路上设置能量探头，该能量探头的入射面固定有毛玻璃，该能量探头的输出端经第二数据采集卡与计算机相连；

在所述的反射光束的光路上依次设置可调衰减器和尖劈分光镜，该尖劈分光镜将所述的反射光束又分成两束激光：第一束激光由短焦距凹球面反射镜成像，由第一数字面阵CCD相机接收以观察近场光斑，该第一数字面阵CCD相机的输出端经图像采集卡接所述的计算机；第二束激光经长焦距凹球面反射镜成像后，由位于移动平台上的第二数字面阵CCD相机采集光斑，该第二数字面阵CCD相机的输出端经所述的图像采集卡接所述的计算机，该计算机的输出端经控制卡接驱动电路，该驱动电路的输出端接步进电机，该步进电机驱动所述的移动平台运动；所述的可调衰减器与所述的计算机相连；

在所述的能量探头的毛玻璃的激光漫反射空间分别设置硅光电二极管、光电探测器和光纤接收头，所述的硅光电二极管经第一数据采集卡与计算机相连，所述的光电探测器与计算机相连，所述的光纤接收头接光谱议的输入端，该光谱议的输出端接所述的计算机。

所述短焦距凹球面反射镜焦距为f₁，长焦距凹球面反射镜焦距为f₂，第一数字面阵CCD相机到短焦距凹球面反射镜的距离≤f₁；所述的第二数字面阵CCD相机到所述的长焦距凹球面反射镜的最短距离d₀满足0.8f₂＜d₀＜f₂，所述的长焦距凹球面反射镜离轴角≤3°。

所述计算机具有相应的软件，负责系统内各测量器件的控制和各测量参数的读取、数据处理、存储、显示及输出打印。

本发明的优点是：

1.在本发明中，用能量探头接收待测激光束的透射光束实现了单脉冲能量的测量，能量探头表面固定的毛玻璃为硅光电二极管、光电探测器和光谱仪提供散射光，实现了脉冲宽度、重复频率和波长的测量，尖劈分光镜待测激光束的反射光束分为两束，该两束光分别由两凹球面反射镜成像并分别由两个CCD接收，实现了近场光斑的观察和M²因子、束腰直径、远场发散角、指向稳定性的测量，设备集成度高。

2.本发明除了可对脉冲激光进行测量，也可对连续激光进行测量，只是表征参数不同：功率、波长、M²因子、束腰直径、远场发散角和指向稳定性。

3.在本发明中，各参数的测试单元相互独立又可同时运作，可单独对某个激光参数进行测量，又可实现激光各参数的同步、实时测量。

4.在本发明中，对于M²因子、束腰直径、远场发散角和指向稳定性的测量，使用长焦距凹球面反射镜作为聚光元件，而且该凹球面反射镜以小离轴角放置，因此无色差引入，所引入的球差和像散相对较小。

附图说明

图1为本发明激光参数综合测试系统的结构示意图。

图2为本发明M²因子等参数的测量流程图。

图3为本发明激光参数综合测试系统的测试流程图。

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为本发明激光参数综合测试系统的结构示意图。由图1可见，本发明激光参数综合测试系统的构成是：

在待测激光束22的前进方向斜置一平面反射镜1，该平面反射镜1将所述的待测激光束22分为透射光束23和反射光束24：

在所述的透射光束23的光路上设置能量探头15，该能量探头15的入射面固定有毛玻璃14，该能量探头15的输出端经第二数据采集卡16与计算机8相连；

在所述的反射光束24的光路上依次设置可调衰减器2和尖劈分光镜3，该尖劈分光镜3将所述的反射光束又分成两束激光：第一束激光25由短焦距凹球面反射镜4成像，由第一数字面阵CCD相机6接收以观察近场光斑，该第一数字面阵CCD相机6的输出端经图像采集卡21接所述的计算机8；第二束激光26经长焦距凹球面反射镜5成像后，由位于移动平台17上的第二数字面阵CCD相机7采集光斑，该第二数字面阵CCD相机7的输出端经所述的图像采集卡21接所述的计算机8，该计算机8的输出端经控制卡20接驱动电路19，该驱动电路19的输出端接步进电机18，该步进电机18驱动所述的移动平台17运动；所述的可调衰减器2与所述的计算机8相连；

在所述的能量探头15的毛玻璃14的激光漫反射空间分别设置硅光电二极管9、光电探测器13和光纤接收头11，所述的硅光电二极管9经第一数据采集卡10与计算机8相连，所述的光电探测器13与计算机8相连，所述的光纤接收头11接光谱议12的输入端，该光谱议12的输出端接所述的计算机8。

所述的第一数据采集卡10，第二数据采集卡16、图像采集卡21和控制卡20为所述的的计算机8所有。所述平面反射镜1不镀膜；尖劈分光镜3不镀膜；用于近场光斑观察的第一数字面阵CCD相机6位置固定；用于M²因子测量的第二数字面阵CCD相机7由步进电机18带动，该步进电机18由驱动电路19驱动并由控制卡20控制；连接硅光电二极管9的第一数据采集卡10实现光脉冲转换成的电脉冲信号的数据采集；连接能量探头15的第二数据采集卡16实现脉冲能量值转换成的电压值的采集；连接第一数字面阵CCD相机6和第二数字面阵CCD相机7的图像采集卡21实现数字光斑图像的采集；光电探测器13接计算机8；可调衰减器接计算机8。

短焦距凹球面反射镜4焦距为f₁，长焦距凹球面反射镜5焦距为f₂。用于近场光斑观察的第一数字面阵CCD相机6到短焦距凹球面反射镜4的距离≤f₁。用于M²因子测量的第二数字面阵CCD相机7到长焦距凹球面反射镜5的最短距离d₀满足0.8f₂＜d₀＜f₂，该长焦距凹球面反射镜5的离轴角≤3°。所述计算机8具有专门的操作软件，负责系统内各测量用器件的控制，和各测量参数的数据读取、处理、显示及打印。

图3为本发明激光参数综合测试系统的测试流程图。本发明装置详细的工作情况如下：

待测入射激光束22入射到不镀膜的第一平面反射镜1上，透射光束23入射到表面固定有毛玻璃14的能量探头15上，该能量探头15接收透过毛玻璃14的透射光得到脉冲能量转换成的电压值，再经第二数据采集卡16采集将单脉冲能量测量信号提供给计算机8；硅光电二极管9接收毛玻璃14的散射光得到光脉冲信号转换成的电脉冲信号，经第一数据采集卡10采集将该电脉冲信号提供给计算机8；光电探测器13接收散射光并将测量得到的脉冲重复频率值提供给计算机8；光谱仪12的光纤接头11接收散射光并将之传输给该光谱仪12，该光谱仪12将测得的光波长信号提供给计算机8。

待测入射光束22经平面反射镜1和可调衰减器2后到达尖劈分光镜3，激光束24被分为两束：第一激光束25经短焦距凹球面反射镜4成像被第一数字面阵CCD相机6接收以观察待测激光束22的近场光斑。第二激光束26经长焦距凹球面反射镜5成像由第二数字面阵CCD相机7接收，该第二数字面阵CCD相机7在步进电机17带动的移动平台17的带动下在激光束27的束腰两侧不同位置处进行光斑采集，得到不同位置处的光斑直径，再经二次曲线拟合和相关数学计算得到待测激光束22的M²因子、束腰直径和远场发散角。所述步进电机18由驱动电路19驱动并经控制卡20从计算机8接收控制指令或向其返回相关数据。所述第一数字面阵CCD相机6和第二数字面阵CCD相机7经图像采集卡21从计算机8接收图像帧读取指令，并向该计算机8传输数字光斑图像。

M²因子等参数的测量过程如图2所示。对光斑直径的求取使用的是国际标准化组织规定的二阶矩算法。设光束沿直角坐标系中的z轴传播，光束横截面位于x-y平面内，对一个位置为z的光斑，光斑上某点的光强值I(x，y，z)由光斑图像上该点处的像素值表示，光斑在x，y两个方向上的归一化光强分布函数的一阶矩为：

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I(x,y,z)\mathrm{xdxdy}}{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I(x,y,z)\mathrm{dxdy}},$ $\stackrel{\‾}{y}=\frac{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I(x,y,z)\mathrm{ydxdy}}{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I(x,y,z)\mathrm{dxdy}},---\left(1\right)$

其中x，y分别是光斑在x，y两个方向上的归一化光强分布函数一阶矩，二者的物理意义是光斑在x，y两个方向上的光强分布重心。进而还可以求出光斑光强分布的二阶矩，即

${\mathrm{\σ}}_x^2\left(z\right)=\⟨x^2\⟩=\frac{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I(x,y,z){(x-\stackrel{\‾}{x})}^2\mathrm{dxdy}}{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I(x,y,z)\mathrm{dxdy}},$ ${\mathrm{\σ}}_y^2\left(z\right)=\⟨y^2\⟩=\frac{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I(x,y,z){(y-\stackrel{\‾}{y})}^2\mathrm{dxdy}}{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}I(x,y,z)\mathrm{dxdy}}---\left(2\right)$

其中σ_x ²(z)，σ_y ²(z)分别为光斑在x，y两个方向上的归一化光强分布函数二阶矩，光斑基于二阶矩的直径可以表示为

D_x(z)＝4σ_x(z)，D_y(z)＝4σ_y(z)，        (3)

其中：D_x(z)，D_y(z)分别为光斑x，y两个方向的直径。因此只要将光斑图像上的各点像素值按(1)、(2)、(3)式进行计算，即可得到该光斑的直径。

激光束在各个位置处的光斑直径随着光束沿z轴传输而成双曲线的规律发展，要知道激光束27的具体传输规律，需对不同位置处采集光斑的直径进行二次曲线拟合，即

$D_x^2=a_x+b_{x}z+c_x{z}^2,$ $D_y^2=a_y+b_{y}z+c_y{z}^2,---\left(4\right)$

用得到的拟合系数a_x，b_x，c_x，a_y，b_y，c_y就可得到激光束27的M²因子、束腰位置、束腰直径、远场发散角和瑞利长度，计算公式为：

$M_{x,2}^2=\frac{\mathrm{\π}}{8\mathrm{\λ}}\sqrt{4a_x{c}_x-b_x^2},$ $M_{y,2}^2=\frac{\mathrm{\π}}{8\mathrm{\λ}}\sqrt{4a_y{c}_y-b_y^2}$

$z_{0x,2}=-\frac{b_x}{2c_x},$ $z_{0y,2}=-\frac{b_y}{2c_y}$

$d_{0x,2}=\frac{1}{2\sqrt{c_x}}\sqrt{4a_x{c}_x-b_x^2},$ $d_{0y,2}=\frac{1}{2\sqrt{c_y}}\sqrt{4a_y{c}_y-b_y^2},---\left(5\right)$

${\mathrm{\θ}}_{x,2}=\sqrt{c_x},$ ${\mathrm{\θ}}_{y,2}=\sqrt{c_y}$

$Z_{\mathrm{Rx},2}=\frac{1}{2c_x}\sqrt{4a_x{c}_x-b_x^2},$ $Z_{\mathrm{Ry},2}=\frac{1}{2c_y}\sqrt{4a_y{c}_y-b_y^2}$

其中M_x，2 ²，M_y，2 ²分别是x，y方向的M²因子，z_0x，2，z_0y，2分别是x，y方向的束腰位置，d_0x，2，d_0y，2分别是x，y方向的束腰直径，θ_x，2，θ_y，2分别是x，y方向的发散角，Z_Rx，2，Z_Ry，2分别是x，y方向的瑞利长度。(5)式求的是激光束27的M²因子、束腰位置、束腰直径、远场发散角和瑞利长度，而待测激光束22只有M²因子与激光束27相同，要得到待测激光束22的束腰位置、束腰直径、远场发散角和瑞利长度，可根据国际标准化组织提供的如下公式进行计算：

f_x＝f₂cos(α)，   f_y＝f₂/cos(α)

$V_x=\frac{f_x}{\sqrt{Z_{\mathrm{Rx},2}^2+{(z_{0x,2}-f_x)}^2}},$ $V_y=\frac{f_y}{\sqrt{Z_{\mathrm{Ry},2}^2+{(z_{0y,2}-f_y)}^2}}$

$z_{0x,1}=V_x^2(z_{0x,2}-f_x)+f_x,$ $z_{0y,1}=V_y^2(z_{0y,2}-f_y)+f_y,---\left(6\right)$

d_0x，1＝V_xd_0x，2，  d_0y，1＝V_yd_0y，2

${\mathrm{\θ}}_{x,1}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{x,2}}{V_x},$ ${\mathrm{\θ}}_{y,1}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{y,2}}{V_y}$

$Z_{\mathrm{Rx},1}=V_x^2{Z}_{\mathrm{Rx},2},$ $Z_{\mathrm{Ry},1}=V_y^2{Z}_{\mathrm{Ry},2}$

其中：α是长焦距凹球面反射镜5离轴角，f₂是长焦距凹球面反射镜5的焦距，f_x和f_y分别是长焦距凹球面反射镜5在子午面和弧矢面上的实际焦距。

激光束指向稳定性的测量，是用第二数字面阵CCD相机7在长焦距凹球面反射镜5的后焦点处(也是步进电机18扫描行程上的某一处)进行多幅光斑图像采集，用(1)式计算出每幅图像的光斑质心位置，再经数据处理得到多幅光斑图像的质心位置平均值和标准偏差(σ_0x，σ_0y)，光束的指向稳定性(δ_0x，δ_0y)可表示为

${\mathrm{\δ}}_{0x}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{0x}}{f_x},$ ${\mathrm{\δ}}_{0y}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{0y}}{f_y},---\left(7\right)$

f_x和f_y表达式见(6)式。

具体实施例：

平面反射镜1带5°楔角以防止平面反射镜1的后表面反射光进入测试光路，且由于用到透射光，该镜片不镀膜。尖劈分光镜3的楔角为3°，不镀膜。短焦距凹球面反射镜4和长焦距凹球面反射镜5镀99.9％高反膜。短焦距凹球面反射镜4的焦距选为250mm(曲率半径500mm)，长焦距凹球面反射镜5的焦距选为1000mm(曲率半径2000mm)，长焦距凹球面反射镜(5)的离轴角为2°，第二数字面阵CCD相机7到长焦距凹球面反射镜5的最短距离为850mm。步进电机18带动第二数字面阵CCD相机7进行光斑图像采集前，通过计算机8的相应软件设定第二数字面阵CCD相机7的初始位置为850mm，第二数字面阵CCD相机7的移动间隔为20mm，调节可调衰减器2的衰减量以保证激光束27以合适的光强被第二数字面阵CCD相机7接收。经计算机8按上述公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)对采集的光斑进行数据处理，得到待测激光束23的M²因子、束腰位置、束腰直径、远场发散角和瑞利长度。通过步进电机18的带动，将第二数字面阵CCD相机7固定在距离长焦距凹球面反射镜51000mm处，调节可调衰减器2的衰减量，对激光束27进行连续多幅光斑图像采集，经计算机8按上述(1)、(7)式进行数据处理，得到待测激光束22的指向稳定性。待测激光束22的单脉冲能量、脉冲宽度、重复频率和波长可通过计算机8相应软件进行数据读取和数据处理得到。

Claims (3)

1.一种激光参数综合测试系统，特征在于其构成是：

在待测激光束(22)的前进方向斜置一平面反射镜(1)，该平面反射镜(1)将所述的待测激光束(22)分为透射光束(23)和反射光束(24)：

在所述的透射光束(23)的光路上设置能量探头(15)，该能量探头(15)的入射面固定有毛玻璃(14)，该能量探头(15)的输出端经第二数据采集卡(16)与计算机(8)相连；

在所述的反射光束(24)的光路上依次设置可调衰减器(2)和尖劈分光镜(3)，该尖劈分光镜(3)将所述的反射光束又分成两束激光：第一束激光(25)由短焦距凹球面反射镜(4)成像，由第一数字面阵CCD相机(6)接收以观察近场光斑，该第一数字面阵CCD相机(6)的输出端经图像采集卡(21)接所述的计算机(8)；第二束激光(26)经长焦距凹球面反射镜(5)成像后，由位于移动平台(17)上的第二数字面阵CCD相机(7)采集光斑，该第二数字面阵CCD相机(7)的输出端经所述的图像采集卡(21)接所述的计算机(8)，该计算机(8)的输出端经控制卡(20)接驱动电路(19)，该驱动电路(19)的输出端接步进电机(18)，该步进电机(18)驱动所述的移动平台(17)运动；所述的可调衰减器(2)与所述的计算机(8)相连；

在所述的能量探头(15)的毛玻璃(14)的激光漫反射空间分别设置硅光电二极管(9)、光电探测器(13)和光纤接收头(11)，所述的硅光电二极管(9)经第一数据采集卡(10)与计算机(8)相连，所述的光电探测器(13)与计算机(8)相连，所述的光纤接收头(11)接光谱议(12)的输入端，该光谱议(12)的输出端接所述的计算机(8)。

2.根据权利要求1所述的激光参数综合测试系统，其特征在于所述的短焦距凹球面反射镜(4)焦距为f₁，长焦距凹球面反射镜(5)焦距为f₂，第一数字面阵CCD相机(6)到短焦距凹球面反射镜(4)的距离≤f₁；所述的第二数字面阵CCD相机(7)到所述的长焦距凹球面反射镜(5)的最短距离d₀满足0.8f₂＜d₀＜f₂，所述的长焦距凹球面反射镜(5)离轴角≤3°。

3.根据权利要求1所述的激光参数综合测试系统，其特征在于所述计算机(8)具有相应的软件，负责系统内各测量器件的控制和各测量参数的读取、数据处理、存储、显示及输出打印。

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