CN102243062B - 超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量装置及方法，该装置的结构是，包括固定在平移台上的光电传感器，光电传感器的阳极朝上；光电传感器与宽带示波器串联构成的电路与电容并联；电容与电阻、直流电源构成串联回路，利用上述装置，按照以下步骤实施：1)使超短脉冲激光垂直地入射光电传感器的阳极，光电传感器的两极之间施加直流偏置电压，将超短激光脉冲转换为超短电脉冲；2)粗调平移台，使宽带示波器上出现超短电脉冲的波形；3)先后沿x、y方向微调平移台，使超短电脉冲的幅值达到最大值；4)读取平移台显示的坐标读数，即为超短脉冲激光的光斑中心的测量数值。本发明结构简单、操作简便、测量准确。

Description

超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量装置及方法

技术领域

本发明属于光电传感器技术领域，涉及一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量装置，本发明还涉及一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量方法。

背景技术

在研究院所、高新技术企业和医疗机构中，脉宽在纳秒量级及以下的超短脉冲激光器的应用日渐普及。在很多应用场合中，需要精准地测量激光光斑的中心坐标。此外，气温变化、楼层振动以及激光器本身发热等不可避免的诸多因素都会引起激光器光斑漂移，因此需要经常性地快速测量光斑中心以调校光路。

现有的多种测量方法均可以用来定位超短脉冲激光的光斑中心坐标，下列常用几种方法的优缺点如下：

(1)热敏纸方法：当激光打在热敏纸上，光能转化为热能，在热敏纸上形成灰黑色斑点。这种方法误差较大。

(2)刀口扫描法：用一个挡板作为刀口部分地遮挡待测激光，再用光能量计测量光能(用电动平移台推进刀口横向平移，可精确调整光斑遮挡比例)。在待测激光功率不变的情况下，光能大小是刀口位置的函数。将多次测量结果代入计算机进行曲线拟合和微分计算，可得到光斑中心的横坐标。这种方法准确度较高，且能测出光強的高斯分布，但缺点是：实测数据必须经过数值微分计算，才能推出坐标值；需要用较高精度的光能量计；操作繁琐：要想测纵坐标，需要将刀口运动方向改为纵向平移后，再次重复以上系列操作。

(3)狭缝扫描法：用一块带有一条狭缝的挡板去遮挡待测激光，然后用光能量计测量光能。通过横向调节固定挡板的平移台，可调整狭缝位置，光能最大值对应光斑中心的横坐标。该方法缺点是：测量精度不如刀口扫描法；需要用较高精度的光能量计；操作繁琐：要得到纵坐标，需要将狭缝运动方向改为纵向平移后，再次重复以上系列操作。

(4)针孔法：用一块带有一个针孔间隙的挡板去遮挡待测激光，再用光能量计测量从针孔间隙透过的光能。通过调节二维平移台来移动针孔位置，光能最大值对应于光斑的中心。对于超短脉冲激光器而言，因为通常单脉冲的能量仅为几毫焦量级甚至微焦量级以下，所以该方法的缺点是：透过针孔的光能很微弱，测量误差较大；需要使用高精度的光能量计。

(5)CCD成像法：利用电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)及配套装置，将入射激光的光强分布转化为灰度数字图像，再经由微处理器或计算机计算出光斑中心的二维坐标。对于超短脉冲激光而言，该方法的缺点是：1)超短脉冲的峰值功率通常很大，为了防止CCD饱和甚至被激光损伤需要增加滤光片，这会增大测量误差；2)CCD响应速度很慢，需要多次触发超短脉冲激光器以期CCD能随机俘获到激光脉冲一次，这不利于激光器的使用寿命(为了解决这个问题，需要精准地控制超短脉冲激光器与CCD之间的触发时间差，但这会大大增加测量系统的复杂度和成本)。

发明内容

本发明的目的是提供一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量装置，克服了现有装置在测量超短脉冲激光时不精准或系统复杂、操作繁琐的缺点。

本发明的另一目的是提供一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量方法，克服了现有方法测量结果不精准或系统复杂、操作繁琐的缺点。

本发明所采用的技术方案是，一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量装置，包括固定在平移台上的光电传感器，光电传感器竖直放置，光电传感器的阳极与水平入射的超短脉冲激光垂直；光电传感器与宽带示波器串联构成的电路与电容并联；电容与电阻、直流电源依次串联构成回路，直流电源的负极接地。

本发明所采用的另一技术方案是，一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量方法，该方法依赖一种装置，其结构是，包括固定在平移台上的光电传感器，光电传感器竖直放置，光电传感器的阳极与水平入射的超短脉冲激光垂直；光电传感器与宽带示波器串联构成的电路与电容并联；电容与电阻、直流电源依次串联构成回路，直流电源的负极接地，

利用上述装置，该方法按照以下步骤实施：

第1步、首先，将光电传感器固定在平移台上，使光电传感器阳极的十字形狭缝的水平狭缝与平移台的水平移动方向的x方向重合，同时使阳极十字形狭缝的竖直狭缝与平移台的竖直移动的y方向重合，此时为检测的原点位置；然后，使待测量的超短脉冲激光垂直地入射光电传感器的阳极，透过十字形狭缝进入光电传感器的半导体晶圆内；再次，在光电传感器的两极之间加载直流偏置电压，光生电子和光生空穴在电场作用下分别向阳极和阴极漂移，产生光电流，超短激光脉冲就被转换为超短电脉冲；

第2步、分别沿x、y方向粗调平移台，并设置宽带示波器的测试档位，使宽带示波器上出现超短电脉冲的波形；

第3步、先沿x方向微调平移台，使超短电脉冲的幅值达到最大值为止；再沿y方向微调平移台，使超短电脉冲的幅值达到最大值为止；

第4步、读取最终显示的平移台的x、y方向坐标读数，即为超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量数值。

本发明的有益效果是，基于半导体的内光电效应，将超短光脉冲转换为超短电脉冲后用宽带示波器进行电脉冲的幅值测量，其最大幅值对应于光斑中心坐标。电路结构简单、操作简便、制作成本较低，而且充分利用了宽带示波器在测量超快弱电信号时的精度优势，测量准确。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置中的光电传感器的前视图；

图3是本发明装置中的光电传感器的阳极结构示意图；

图4是本发明装置中的光电传感器实施例的阴极结构示意图。

图中，1.直流电源，2.电阻，3.电容，4.光电传感器，5.宽带示波器，6.平移台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的理论依据是建立在脉冲激光器光束的光强为高斯分布的常理上。

如图1所示，本发明装置的结构示意图，包括固定在平移台6上的光电传感器4，光电传感器4竖直放置，光电传感器4的阳极与水平入射的超短脉冲激光垂直；光电传感器4与宽带示波器5串联构成的电路与电容3并联；电容3与电阻2、直流电源1依次串联构成回路，直流电源1的负极接地。

直流电源1为电容3充电，电容3作为光电传感器的储能电容，在光照时为光电传感器4提供瞬间大电流。电阻2为电容3的充电限流电阻。光电传感器4的输出信号经宽带示波器5的专用线接入，宽带示波器5的带宽应在100MHz以上。平移台6的可调方向不少于二个维度，为提高测量精度，优先选用二维电动平移台。

如图3所示，是光电传感器4水平放置时的前视图，光电传感器4的主体为一个半导体晶圆(晶圆直径1-3英寸)，在半导体晶圆的上、下表面分别设置有不透明金属电极，即阳极和阴极，与半导体形成良好的欧姆接触。其中，阳极一面的电极形状如图3所示，居中设置有一个十字形狭缝，缝隙为0.1-5mm，并要求待测光斑的高斯半径与十字形狭缝缝隙宽度的比值大于1.5倍以上。阴极一面的电极形状的技术要求是：1)尽可能地减小与阳极金属层的正对面积以减小寄生电容；2)尽可能保证均流效果。图4给出了一种阴极电极形状实施例的结构示意图。

光电传感器4所选用的半导体材料应兼顾以下三点：1)不同的半导体材料有着不同的光吸收谱，因此要根据待测激光的波长来选择半导体材料。考虑到晶圆切片工艺的标准厚度为0.6mm，原则上应选择光吸收深度小于或接近1mm的半导体材料，以提高光子吸收率。2)是本征或半绝缘的半导体材料，则暗态漏电流较小，能承受1kV/cm以上的直流偏置电场。3)光生载流子寿命应介于1皮秒量级和10纳秒量级之间，过大则宽带示波器5上所显示的光电流波形与待测激光的波形相差太远，过小则光电传感器4的灵敏度低。特别指出，如果所选材料的载流子寿命比待测激光脉冲的脉宽小一个数量级以上，则本发明装置不但能测量光斑中心坐标，还能精准地测量待测激光的波形。

综合考虑以上三点，经常用到的光电传感器4所采用的半导体材料根据下表1针对性选取：

表1、光电传感器4所采用的半导体材料选取材料对应表

本发明的方法，利用前述的装置，按照以下步骤实施：

第1步、首先，将光电传感器4固定在平移台6上，使光电传感器4阳极的十字形狭缝的水平狭缝与平移台6的水平移动方向重合(即与平移台6的x方向重合，如图1所示)，同时使阳极十字形狭缝的竖直狭缝与平移台6的竖直移动方向重合(即与平移台6的y方向重合，如图1所示)，此时为检测的原点位置。然后，使待测量的超短脉冲激光垂直地入射光电传感器4的阳极，透过十字形狭缝进入光电传感器4的半导体晶圆内。基于内光电效应，入射光子被半导体材料吸收后，会激发价带电子跃迁至导带，成对地产生导带电子和价带空穴(称为光生载流子)。再次，在光电传感器4的两极之间加载直流偏置电压，光生电子和光生空穴在电场作用下分别向阳极和阴极漂移，产生光电流。至此，超短激光脉冲就被转换为超短电脉冲。

第2步、分别沿水平x方向、竖直y方向粗调平移台6，并合理设置宽带示波器5的测试档位，使宽带示波器5上出现超短电脉冲的波形。

第3步、先沿x方向微调平移台6，使超短电脉冲的幅值达到最大值为止；再沿y方向微调平移台6，使超短电脉冲的幅值达到最大值为止。测量精度主要由宽带示波器5的精度决定。

第4步、读取显示的平移台6最终的x、y方向坐标读数，即为超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量数值。

实施例：

待测激光来自SGR-S/100型Q开关掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器，其脉冲半高全宽为8ns，波长为1064nm。设置激光器为“单脉冲”输出模式，并设置单脉冲光能为2mJ。

本实施例的光电传感器4是基于切片厚度为0.6mm的2英寸GaAs:EL2晶圆制作的，电子迁移率为6000cm²/V·s，暗态时电阻率为5×10⁷Ω·cm，对于1064nm波长激光的吸收深度为3mm，光生载流子寿命小于10ns。电极是用电子束蒸发工艺淀积Au/Ge/Ni合金，经退火处理与GaAs半导体形成欧姆接触。本实施例的阳极的电极形状如图3所示，金属覆盖直径为3.8cm，十字形狭缝的间隙宽度为2.5mm。本实施例的阴极的电极形状如雪花状(如图4所示)，其金属条宽度处处相等，均为2mm。

直流电源1的电压选用9V电池，限流电阻选用1kΩ电阻，储能电容选用20nF陶瓷电容，平移台6选用二维电动平移台，在垂直于光路的法平面上二维可调。宽带示波器5选用WaveMaster 8600A型(带宽6GHz)数字存储示波器，并设置示波器内阻为“50Ω”档位，信号输入线使用特性阻抗为50Ω的同轴电缆线，与示波器匹配。

要求在激光器出光口10m处精确测量光斑中心坐标的位置，操作如下：

(1)在激光器出光口10m处的二维电动的平移台6上安装好光电传感器4，使光电传感器4阳极的十字形狭缝的水平狭缝与平移台6的水平移动方向重合(即与平移台6的x方向重合，如图1所示)，同时使阳极十字形狭缝的竖直狭缝与平移台6的竖直移动方向重合(y方向，如图1所示)，此时为检测的原点位置，使待测激光能够垂直入射光电传感器4的阳极，透过十字形狭缝进入半导体晶圆内。

(2)将宽带示波器5的示波器触发方式设定成“单次”，并合理设置触发电平、扫描时间和信号电压的档位。分别沿x、y方向(如图1所示)粗调平移台6，使宽带示波器5上出现超短电脉冲的波形。

(3)沿x方向微调平移台6，使电脉冲的幅值达到最大为止，注意为了避免脉冲激光器输出光脉冲能量的随机起伏，在读取电脉冲幅值时，取5次脉冲的平均值(数字型的宽带示波器5自带取平均值运算功能，通过菜单设置，自动报告指定次数的电脉冲的平均幅值)。再沿y方向微调平移台6，使电脉冲的幅值达到最大值(为消除激光能量随机起伏带来的测量误差，在读取电脉冲幅值时，同样取5次脉冲的平均值)。最终将待测激光的光斑中心调校在光电传感器4十字形狭缝的正中心位置。

(4)读取最终显示的平移台6坐标读数，即为待测的超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量数值。

本发明公开了一种脉冲激光器的测量装置和一种光斑中心坐标的测量方法。装置包括光电传感器、宽带示波器、平移台、直流电源、储能电容和限流电阻组成，其中光电传感器具有独特的设计结构，使光斑中心坐标对应于光生电脉冲的最大幅值。本发明主要解决超短激光脉冲(脉宽为纳秒量级及以下)的光斑中心坐标不易精准测量的问题，本发明测量装置的优点是电路结构简单、操作简便、测量准确。

Claims (4)

1.一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量装置，其特征在于：包括固定在平移台（6）上的光电传感器（4），光电传感器（4）竖直放置，光电传感器（4）的阳极与水平入射的超短脉冲激光垂直；光电传感器（4）与宽带示波器（5）串联构成的电路与电容（3）并联；电容（3）与电阻（2）、直流电源（1）依次串联构成回路，直流电源（1）的负极接地；

所述的光电传感器（4）选用半导体晶圆，晶圆直径1-3英寸，晶圆的上、下表面分别设置有不透明金属电极，上表面为阳极，下表面为阴极，并与半导体形成良好的欧姆接触，

其中，阳极一面的金属覆盖面居中设置有一个十字形狭缝，十字形狭缝的缝隙为0.1-5mm，并要求待测光斑的高斯半径与十字形狭缝缝隙宽度的比值不小于1.5倍；

阴极一面的电极形状的技术要求是：1）减小与阳极金属层的正对面积以减小寄生电容；2）保证均流效果。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述的光电传感器（4）选用的半导体材料要求是：光吸收深度小于等于1mm的半导体材料；是本征或半绝缘的半导体材料，能承受1kV/cm的直流偏置电场；光生载流子寿命应介于1皮秒量级和10纳秒量级之间。

3.一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量方法，其特征在于，

该方法依赖一种装置，其结构是，包括固定在平移台（6）上的光电传感器（4），光电传感器（4）竖直放置，光电传感器（4）的阳极与水平入射的超短脉冲激光垂直；光电传感器（4）与宽带示波器（5）串联构成的电路与电容（3）并联；电容（3）与电阻（2）、直流电源（1）依次串联构成回路，直流电源（1）的负极接地，

所述的光电传感器（4）选用半导体晶圆，晶圆直径1-3英寸，晶圆的上、下表面分别设置有不透明金属电极，并与半导体形成良好的欧姆接触，

其中，阳极一面的金属覆盖面居中设置有一个十字形狭缝，十字形狭缝的缝隙为0.1-5mm，并要求待测光斑的高斯半径与十字形狭缝缝隙宽度的比值不小于1.5倍；

阴极一面的电极形状的技术要求是：1）必须减小与阳极金属层的正对面积以减小寄生电容；2）必须保证均流效果。

利用上述装置，该方法按照以下步骤实施：

第1步、首先，将光电传感器（4）固定在平移台（6）上，使光电传感器（4）阳极的十字形狭缝的水平狭缝与平移台（6）的水平移动方向的x方向重合，同时使阳极十字形狭缝的竖直狭缝与平移台（6）的竖直移动的y方向重合，此时为检测的原点位置；然后，使待测量的超短脉冲激光垂直地入射光电传感器（4）的阳极，透过十字形狭缝进入光电传感器（4）的半导体晶圆内；再次，在光电传感器（4）的两极之间加载直流偏置电压，光生电子和光生空穴在电场作用下分别向阳极和阴极漂移，产生光电流，超短激光脉冲就被转换为超短电脉冲；

第2步、分别沿x、y方向粗调平移台（6），并设置宽带示波器（5）的测试档位，使宽带示波器（5）上出现超短电脉冲的波形；

第3步、先沿x方向微调平移台（6），使超短电脉冲的幅值达到最大值为止；再沿y方向微调平移台（6），使超短电脉冲的幅值达到最大值为止；

第4步、读取最终显示的平移台（6）的x、y方向坐标读数，即为超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量数值。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：所述的光电传感器（4）选用的半导体材料要求是：光吸收深度小于等于1mm的半导体材料；是本征或半绝缘的半导体材料，能承受1kV/cm的直流偏置电场；光生载流子寿命应介于1皮秒量级和10纳秒量级之间。

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