CN103487237B - 一种激光光束分析仪探测面定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光光束分析仪探测面定位方法及系统，该方法包括：激光器发出的激光光束垂直入射到激光光束分析仪探测面上，测量并记录所述激光光束在所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；在所述激光器发出的激光光束的光路中放置一个楔镜，调节楔镜使该光束垂直入射到楔镜的垂直面，并使激光光束透过所述楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上；测量并记录通过所述楔镜折射后的激光光束在所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离。通过本发明提供的方法及系统，通过计算出探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离，能够对激光光束分析仪探测面进行精确定位。

Description

一种激光光束分析仪探测面定位方法及系统

技术领域

本发明涉及仪器校准技术领域，尤其涉及一种激光光束分析仪探测面定位方法及系统。

背景技术

激光光束分析仪基于所探测的激光光束横截面内光强分布信息，可实现显示光强分布的二维图像，计算分析光束宽度、发散角、质心位置、椭圆率、高斯拟合等参量，常用于诊断激光光束，控制光束质量，描述光束传输特性，主要应用于激光微细加工、医用激光诊断治疗、激光雷达、惯性约束核聚变等领域。

在使用激光光束分析仪的时候，经常需要确定激光光束分析仪探测面的位置，但是，由于激光光束分析仪探测面通常位于激光光束分析仪探测器接收口内，对探测面的位置主要是通过目测的方法来确定。

根据以上描述可以看出，采用目测来确定探测面的位置，不能对探测面进行精确定位。

发明内容

本发明提供了一种激光光束分析仪探测面定位方法及系统，能够对激光光束分析仪探测面进行精确定位。

一方面，本发明提供了一种激光光束分析仪探测面定位方法，所述方法包括：

激光器发出的激光光束垂直入射到激光光束分析仪探测面上，测量并记录所述激光光束在所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

在所述激光器发出的激光光束的光路中放置一个楔镜，调节楔镜使该光束垂直入射到楔镜的垂直面，并使激光光束透过所述楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上；

测量并记录通过所述楔镜折射后的激光光束在所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离。

进一步地，所述计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离，包括：

根据所述质心位置(c_1x，c_1y)和质心位置(c_2x，c_2y)，得出两个质心的距离d；

根据公式β=arcsin(n₁sinα／n₂)-α得出所述折射后的激光光束的偏折角β，其中，楔镜的上楔角α，楔镜的折射率n₁，空气折射率n₂；

根据公式L＝d／tanβ计算出激光光束分析仪探测面到所述出射点的距离L。

另一方面，本发明提供了一种激光光束分析仪探测面定位系统，所述系统包括：

激光器、楔镜、激光光束分析仪，计算模块；

所述激光器，用于发出激光光束，使激光器发出的激光光束垂直入射到所述激光光束分析仪探测面上；

所述楔镜，用于折射所述激光器发出的激光光束，使所述激光器发出的激光光束垂直入射到楔镜的垂直面，并使所述激光光束透过楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上；

所述激光光束分析仪，用于测量并记录所述激光器发出的激光光束不经过楔镜折射直接垂直入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置，并且还用于测量并记录所述激光器发出的激光光束经过楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

所述计算模块，用于根据所述激光光束分析仪测量并记录的质心位置，计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离。

进一步地，所述系统包括：

楔镜固定装置，用于固定所述楔镜和带动楔镜一起翻转，使楔镜不在所述激光器发出的激光光束的光路上或回到该光路上，并使楔镜再次回到光路中后与之前在光路中时，激光光束的入射点和入射角不变。

进一步地，所述计算模块具体用于，

根据质心位置(c_1x，c_1y)和质心位置(c_2x，c_2y)，得出两个质心的距离d；

根据公式β=arcsin(n₁sinα／n₂)-α得出折射后的激光光束的偏折角β，其中，楔镜的上楔角α，楔镜的折射率n₁，空气折射率n₂；

根据公式L＝d／tanβ计算出激光光束分析仪探测面到所述出射点的距离L。

进一步地，所述楔镜的上楔角的度数小于10°。

通过本发明提供的一种激光光束分析仪探测面定位方法及系统，用激光光束分析仪来精确测得激光光束的光斑的质心位置，根据已知的参数能够计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离，由于在激光器和楔镜的位置保持不变的情况下，楔镜上的激光光束出射点的位置是不变的，因此测得激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离也就确定了激光光束分析仪探测面的位置，实现了对激光光束分析仪探测面进行精确定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一实施例提供的一种激光光束分析仪探测面定位方法流程图；

图2是根据本发明一实施例提供的一种计算出探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离的方法流程图；

图3是根据本发明一实施例提供的光束在楔镜中的折射示意图；

图4是根据本发明一实施例提供的一种激光光束分析仪探测面定位系统结构示意图；

图5是根据本发明一实施例提供的另一种激光光束分析仪探测面定位系统结构示意图；

图6是根据本发明一实施例提供的另一种激光光束分析仪探测面定位方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在激光光束分析仪的应用过程中，经常需要确定激光光束分析仪探测面的位置，但是，由于激光光束分析仪探测面通常位于探测器接收口内，对探测面的位置主要是通过目测的方法来确定。为了能够准确的定位探测面的位置，本发明实施例提供了一种激光光束分析仪探测面定位方法，参加图1，该方法包括：

步骤101：激光器发出的激光光束垂直入射到激光光束分析仪探测面上，记录激光光束在激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

步骤102：在激光器发出的激光光束的光路中放置一个楔镜，调节楔镜使该光束垂直入射到楔镜的垂直面，并使激光光束透过楔镜折射后入射到激光光束分析仪探测面上；

步骤103：记录通过楔镜折射后的激光光束在激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

步骤104：计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离。

需要说明的是，在本实施例提供的方法中，在激光器和楔镜的位置保持不变的情况下，楔镜上的激光光束出射点的位置是不变的，通过测量激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离，可精确定位激光光束分析仪探测面。当多个激光光束分析仪要确定他们之间的相对位置时，可以以楔镜上的激光光束出射点为参照点，分别测量各个激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离，对各个激光光束分析仪探测面进行定位。例如在对激光光束分析仪的光束宽度值的校准时，需要保证标准仪器和被测仪器的探测面的位置重复，否则会造成较大的误差，可以通过本发明实施例提供的方法来分别对标准仪器和被测仪器进行定位，通过分别计算出标准仪器的探测面和被测仪器的探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离，对标准仪器或被测仪器进行调整，使标准仪器的探测面和被测仪器的探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离相等，即可实现标准仪器和被测仪器的探测面的位置重复。

参见图2，通过以下步骤来计算出探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离。如图3所示，光束在楔镜中的折射示意图，其中，包括：楔镜、楔镜的上楔角α、折射后的光束的偏折角β、探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离L、两个质心的距离d、入射光线、折射光线，具体步骤包括：

步骤201：根据质心位置(c_1x，c_1y)和质心位置(c_2x，c_2y)，得出两个质心的距离d；

步骤202：根据公式β＝arcsin(n₁sinα／n₂)-α得出折射后的光束的偏折角β，其中，楔镜的上楔角α，楔镜的折射率n₁，空气折射率n₂；

步骤203：根据公式L＝d／tanβ计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离L。

另外，本发明实施例还提供了一种激光光束分析仪探测面定位系统，参见图4，该系统包括：

激光器401、楔镜402、激光光束分析仪403，计算模块404；

激光器401，用于发出激光光束，使激光器发出的激光光束垂直入射到激光光束分析仪403探测面上；

楔镜402，用于折射激光器401发出的激光光束，使激光器发出的激光光束垂直入射到楔镜的垂直面，并使激光光束透过楔镜折射后入射到激光光束分析仪探测面上；

激光光束分析仪403，用于测量并记录激光器发出的激光光束不经过楔镜折射直接垂直入射到激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置，并且还用于测量并记录激光器发出的激光光束经过楔镜折射后入射到激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

计算模块404，用于根据激光光束分析仪403测量并记录的质心位置，计算出激光光束分析仪403探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离。

其中，激光器可以采用光束质量良好、发散角小、性能稳定的氦氖激光器。

另外，为了使测量结果准确，需要固定楔镜，在该系统中，增加了楔镜固定装置405，用于固定楔镜402和带动楔镜402一起翻转，使楔镜402不在激光器401发出的激光光束的光路上或回到该光路上，并使楔镜402再次回到该光路中后与之前在光路中时，激光光束的入射点和入射角不变。

该系统中的楔镜可以使用光学楔镜，楔镜的上楔角的角度小于10°。

其中，激光光束分析仪可以用于根据质心位置计算出探测面到楔镜上的光束出射点的距离。

在进行探测面定位时，激光器发出的激光光束垂直于激光光束分析仪探测面，在测量过程中激光器和激光光束分析仪的位置保持不变。

下面通过一个具体的实施例来详细说明本发明一个实施例的实现过程。

在本实施例中，参见图5，是本实施例系统的示意图，图中包括：激光器501、楔镜502、激光光束分析仪503、激光光束分析仪的探测面504、可翻转的机械件505、入射光线、折射光线、未折射前的光线、楔角α、偏折角β、两个质心的距离d、探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离L、虚线的三角形表示楔镜不在激光光束光路中的位置。其中，楔镜502位于激光器501和激光光束分析仪503之间，并且楔镜502固定在可翻转的机械件505上，该可翻转的机械件505可以带动楔镜502一起翻转，使楔镜502不在光路上或回到光路上，并使楔镜再次回到光路中后与之前在光路中时，激光光束的入射点和入射角不变。

本实施例选用氦氖激光器，激光器输出TEM00模高斯光束，光束发散角为1.6mrad，激光器预热30分钟以上，保证输出光束稳定。选用光学楔镜，其上楔角α为2.78°，楔镜的折射率n₁为1.516，空气的折射率为n₂为1.000。楔镜安装在二维调节镜架上，镜架固定在可垂直翻转的机械件上。具体步骤参见图6，如下：

步骤601：调节楔镜使激光光束垂直入射到楔镜的垂直面，通过可垂直翻转的机械件固定楔镜，该机械件能够使楔镜不在激光器发出的激光光束的光路上或回到光路上，并使楔镜再次回到光路中后与之前在光路中时，激光光束的入射点和入射角不变，固定激光器；

步骤602：调节待测的激光光束分析仪，使激光器发出的激光光束垂直于激光光束分析仪的探测面，并且使经过楔镜折射后的激光光束能够入射到该激光光束分析仪探测面上；

步骤603：将激光光束垂直入射到该激光光束分析仪探测面上，记录光束在激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置(c_1x，c_1y)为(4.147mm，3.139mm)；

步骤604：通过可垂直翻转的机械件翻转楔镜，使楔镜处于激光光束的光路中，记录通过该楔镜折射后的激光光束在激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置(c_2x，c_2y)为(1.570mm，3.014mm)；

步骤605：根据公式计算两个质心的距离d=2.580mm，根据公式β＝arcsin(n₁sinα／n₂)-α计算折射后的激光光束的偏折角β=1.432°，根据公式L＝d／tanβ，得出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离L=103.3mm。

通过上述描述可见，本发明实施例具有如下的有益效果：

通过本发明实施例提供的一种激光光束分析仪探测面定位方法及系统，用激光光束分析仪来精确测得激光光束的光斑的质心位置，根据已知的参数能够计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离，由于在激光器和楔镜的位置保持不变的情况下，楔镜上的激光光束出射点的位置是不变的，因此测得激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离也就确定了激光光束分析仪探测面的位置，实现了对激光光束分析仪探测面进行精确定位。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种激光光束分析仪探测面定位方法，其特征在于，所述方法包括：

激光器发出的激光光束垂直入射到激光光束分析仪探测面上，测量并记录所述激光光束在所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

在所述激光器发出的激光光束的光路中放置一个楔镜，调节楔镜使该光束垂直入射到楔镜的垂直面，并使激光光束通过所述楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上；

测量并记录通过所述楔镜折射后的激光光束在所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

根据激光光束不经过楔镜折射直接垂直入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置和激光光束经过楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置，计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离，包括：

根据质心位置(c_1x，c_1y)和质心位置(c_2x，c_2y)，得出两个质心的距离d，所述质心位置(c_1x，c_1y)和质心位置(c_2x，c_2y)中的其中一个为激光光束不经过楔镜折射直接垂直入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置，另一个为激光光束经过楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

根据公式β＝arcsin(n₁sinα/n₂)-α得出所述折射后的激光光束的偏折角β，其中，α为楔镜的上楔角，n₁为楔镜的折射率，n₂为空气折射率；

根据公式L＝d/tanβ计算出激光光束分析仪探测面到所述出射点的距离L。

3.一种激光光束分析仪探测面定位系统，其特征在于，所述系统包括：

激光器、楔镜、激光光束分析仪，计算模块；

所述激光器，用于发出激光光束，使激光器发出的激光光束垂直入射到所述激光光束分析仪探测面上；

所述楔镜，用于折射所述激光器发出的激光光束，使所述激光器发出的激光光束垂直入射到楔镜的垂直面，并使所述激光光束通过楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上；

所述激光光束分析仪，用于测量并记录所述激光器发出的激光光束不经过楔镜折射直接垂直入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置，并且还用于测量并记录所述激光器发出的激光光束经过楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

所述计算模块，用于根据所述激光光束分析仪测量并记录的激光光束不经过楔镜折射直接垂直入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置和激光光束经过楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置，计算出激光光束分析仪探测面到楔镜上的激光光束出射点的距离。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统包括：

楔镜固定装置，用于固定所述楔镜和带动楔镜一起翻转，使楔镜不在所述激光器发出的激光光束的光路上或回到该光路上，并使楔镜再次回到光路中后与之前在光路中时，激光光束的入射点和入射角不变。

5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述计算模块具体用于，

根据质心位置(c_1x，c_1y)和质心位置(c_2x，c_2y)，得出两个质心的距离d，所述质心位置(c_1x，c_1y)和质心位置(c_2x，c_2y)中的其中一个为激光光束不经过楔镜折射直接垂直入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置，另一个为激光光束经过楔镜折射后入射到所述激光光束分析仪探测面上的光斑的质心位置；

根据公式β＝arcsin(n₁sinα/n₂)-α得出折射后的激光光束的偏折角β，其中，α为楔镜的上楔角，n₁为楔镜的折射率，n₂为空气折射率；

根据公式L＝d/tanβ计算出激光光束分析仪探测面到所述出射点的距离L。

6.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，

所述楔镜的上楔角的度数小于10°。