CN103256902A - 测量两激光光束夹角的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量两激光光束夹角的方法，先利用固定在电动平移台上的CCD精确测量出两激光光束的交点位置，平移CCD后再精确测量两激光光束在CCD上的位置，计算出此时两激光光束在CCD上的距离以及两激光光束在CCD上相对于交点位置移动的距离，最后根据勾股定理、余弦定理计算出两激光光束的夹角。本发明巧妙地利用了CCD对激光光束高精度的分辨率以及计算光斑中心的软件对光斑中心的精确定位，可以实现精确测量两激光光束夹角的目的。本发明具有调节方便、简单高效、精确度高，实用性强的特点。

Description

测量两激光光束夹角的方法

技术领域

本发明涉及大能量OPCPA激光系统，特别是一种测量两激光光束夹角的方法。

背景技术

传统测量两激光光束夹角的方法：在将两束激光调平之后，沿着光路前进的方向一定距离放置竖直挡光板，测量两光束在挡光板上两光斑的距离Δx，再测量挡光板到两光束汇聚点的距离Δy，利用公式

α=arctan（Δx/Δy）计算出两激光光束夹角α。此传统测量方法的缺点在于，首先，在测量两光束在挡光板上两光斑的距离Δx时，只能用肉眼确定两光斑的中心，带有很大的误差；其次，在测量挡光板到两光束汇聚点的距离Δy时，也只能靠肉眼确定两光斑在重合处的中心位置，但是，由于两激光光束有一定的夹角，所以重合处的中心位置是很难确定的，尤其是直接用肉眼观察，更会带来很大的误差。这样就会致使测量出的两激光光束夹角α存在相当大的误差。另外，所述的传统方法只适用于测量在同一水平面内的两激光光束的夹角，对不在同一水平面内的两激光光束夹角的测量，所述的传统方法达不到测量目的。并且，涉及到激光光学实验，往往对激光光束角度有着很高的要求，例如，大能量非共线非简并OPCPA系统，对相位匹配角以及非共线角的要求精度达到0.0001度的水平，所述的传统测量方法的测量精度根本达不到要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有测量两激光光束夹角方法的缺点；提供一种测量两激光光束夹角的方法，该发明不仅操作简单、科学、有效、精确度高，而且实用性强。

本发明的技术解决方案如下：

一种测量两激光光束夹角的方法，特点在于该方法包括下列步骤：

①在第一光源发出的第一激光光束和第二光源发出的第二激光光束的交点位置附近放置平移台，将CCD竖直且垂直于平移台的平移方向固定在所述的平移台上，并将所述的CCD连接至电脑上，利用所述的CCD采集光斑图像信息，

在所述的电脑上运行光斑中心计算软件，获得该光斑图像的中心位置，通过所述的平移台移动所述的CCD，所述的CCD第二次采集光斑图像信息，所述的电脑上运行光斑中心计算软件，获得第二个光斑图像的中心位置，当该第N个光斑图像的中心位置与第N-1的光斑图像的中心位置相同，则第N个光斑图像的中心位置即为所述的两激光光束的交点在所述的CCD的中心坐标X₀，Y₀；

所述的光斑中心计算软件的具体实现方法为：首先运用设定阈值的方法将所述的光斑图像进行降噪处理，以此得到清晰的光斑图像，然后运用椭圆拟合算法对所述的光斑图像进行边缘拟合，参考文献【AHNSG,RAUHW,Patter Recognition Letter，1996，17：309-316】，以此得到所述的光斑图像的轮廓信息，最后利用得到的所述的光斑图像轮廓信息计算出所述的光斑图像的中心坐标，使所述的光斑中心计算软件计算出的所述的两激光光束的中心位置重合，记录此时所述的平移台的平移刻度L₀；

②平移所述的平移台，记录平移后的所述的平移台刻度L₁、所述的两激光光束分别在所述的CCD上的光斑中心位置坐标X₁,Y₁和X₂，Y₂。计算出所述的平移台的平移量ΔL=L₁-L₀、此时所述的第一激光光束和第二激光光束在所述的CCD上的距离为：

$Z_3=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2}.$

③所述的CCD平移前后，所述的第一激光光束在所述的CCD上的位移量为：

所述的第二激光光束在所述的CCD上的位移量为：

因为所述的CCD竖直且垂直于平移方向固定在所述的平移台上，所以所述的平移台的平移量ΔL垂直于所述的位移量m₁，m₂，如图1所示，由勾股定理可得，所述的第一激光光束在所述的CCD平移前后的光程为

所述的第二激光光束在所述的CCD平移前后的光程为

由余弦定理可得

因此所述的两激光光束的夹角为： $\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{Z_1}^2+{Z_2}^2-{Z_3}^2}{2Z_1{Z}_2}\right).$

与传统方法相比，本发明具有以下显著的特点：

1.利用高分辨率的CCD对光斑进行采集，避免肉眼分辨造成的误差；

2.利用光斑中心计算软件对CCD采集到的光斑进行光斑中心测量，精确度高，可以精确到0.001mm；

3.利用本发明提供的方法测量两激光光束的夹角精确度高，能达到0.0001度的水平。

4.本发明提供的方法可以测量不在同一水平面内的两激光光束的夹角，而且操作简单方便。

附图说明

图1测量两激光光束夹角的简易光路图

具体实施方式

先请参阅图1，图1测量两激光光束夹角的简易光路图，本发明测量两激光光束夹角的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①在第一光源1发出的第一激光光束2和第二光源3发出的第二激光光束4的交点位置附近放置平移台5，将CCD6竖直且垂直于平移台5的平移方向固定在所述的平移台5上，并将所述的CCD6的输出端与电脑7的输入端相连，利用所述的CCD6采集光斑图像信息射入所述的电脑7，

在所述的电脑7上运行光斑中心计算软件，获得该光斑图像的中心位置，通过所述的平移台5移动所述的CCD6，所述的CCD6第二次采集光斑图像信息，所述的电脑7上运行光斑中心计算软件，获得第二个光斑图像的中心位置，如次重复，当该第N个光斑图像的中心位置与第N-1的光斑图像的中心位置相同，则第N个光斑图像的中心位置即为所述的两激光光束的交点在所述的CCD6的中心坐标X₀，Y₀，并记录此时所述的平移台5的平移刻度L₀；

②平移所述的平移台5，记录平移后的所述的平移台刻度L₁、所述的第一激光光束2和第二激光光束4分别在所述的CCD6上的光斑中心位置坐标为X₁,Y₁和X₂，Y₂，计算出所述的平移台的平移量ΔL=L₁-L₀，所述的第一激光光束1和第二激光光束4在所述的CCD6上的距离为： $Z_3=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2};$

③所述的CCD6平移前后，所述的第一激光光束2在所述的CCD上的位移量为：

所述的第二激光光束4在所述的CCD6上的位移量为：

由勾股定理可得，所述的第一激光光束2在所述的CCD6平移前后的光程为

所述的第二激光光束4在所述的CCD6平移前后的光程为 $Z_2=\sqrt{{\mathrm{\ΔL}}^2+{m_2}^2},$ 由余弦定理可得 $\cos \mathrm{\θ}=\frac{{Z_1}^2+{Z_2}^2-{Z_3}^2}{{2Z}_1{Z}_2},$ 因此所述的两激光光束的夹角为：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{Z_1}^2+{Z_2}^2-{Z_3}^2}{2Z_1{Z}_2}\right).$

Claims (1)

1.一种测量两激光光束夹角的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①在第一光源（1）发出的第一激光光束（2）和第二光源（3）发出的第二激光光束（4）的交点位置附近放置平移台（5），将CCD（6）竖直且垂直于平移台（5）的平移方向固定在所述的平移台（5）上，并将所述的CCD（6）的输出端与电脑（7）的输入端相连，利用所述的CCD（6）采集光斑图像信息射入所述的电脑（7），在所述的电脑（7）上运行光斑中心计算软件，获得该光斑图像的中心位置，通过所述的平移台（5）移动所述的CCD（6），所述的CCD（6）第二次采集光斑图像信息，所述的电脑（7）上运行光斑中心计算软件，获得第二个光斑图像的中心位置，当该第N个光斑图像的中心位置与第N-1的光斑图像的中心位置相同，则第N个光斑图像的中心位置即为所述的两激光光束的交点在所述的CCD（6）的中心坐标X₀，Y₀，并记录此时所述的平移台（5）的平移刻度L₀；

②平移所述的平移台（5），记录平移后的所述的平移台刻度L₁、所述的第一激光光束（2）和第二激光光束（4）分别在所述的CCD（6）上的光斑中心位置坐标为X₁,Y₁和X₂，Y₂，计算出所述的平移台的平移量ΔL=L₁-L₀，所述的第一激光光束（1）和第二激光光束（4）在所述的CCD（6）上的距离为： $Z_3=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2};$

③所述的CCD（6）平移前后，所述的第一激光光束（2）在所述的CCD上的位移量为：

所述的第二激光光束（4）在所述的CCD（6）上的位移量为：

由勾股定理可得，所述的第一激光光束（2）在所述的CCD（6）平移前后的光程为

所述的第二激光光束（4）在所述的CCD（6）平移前后的光程为 $Z_2=\sqrt{{\mathrm{\ΔL}}^2+{m_2}^2},$ 由余弦定理可得 $\cos \mathrm{\θ}=\frac{{Z_1}^2+{Z_2}^2-{Z_3}^2}{{2Z}_1{Z}_2},$ 因此所述的两激光光束的夹角为：

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{{Z_1}^2+{Z_2}^2-{Z_3}^2}{{2Z}_1{Z}_2}\right).$

Images