CN104034435A - 一种测量高斯光束参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量高斯光束参数的方法，克服现有技术无法高精度测量束腰参数的问题。本发明包括步骤：①将激光束衰减后作为待测高斯光束；②将薄透镜放置于待测高斯光束中，测量薄透镜后面高斯光束的束腰位置；③更换焦距不同的薄透镜，重复步骤②，测得该薄透镜后面高斯光束的束腰位置；④确定待测高斯光束的束腰位置和束腰半径，利用步骤②和③得到的两个束腰位置、和对应的薄透镜焦距F1、F₂计算得到待测高斯光束的束腰位置L₀和束腰半径w₀。本发明简单精确；适用广泛：可应用于束腰易分辨的测量中，也可用于测量非常小的束腰半径、近似平行的高斯光束束腰位置，更可测量束腰本身不能被仪器直接探测到的高斯光束的束腰尺寸及位置。

Description

一种测量高斯光束参数的方法

技术领域：

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种测量高斯光束参数的方法。

背景技术：

对高斯光束而言，其关键参数分别为：束腰位置、束腰尺寸、及光束发散角，尤其是束腰位置和束腰尺寸更为重要，因为高斯光束的传输特性可以完全由这两个参数确定。实际中，为了满足一些特殊的需求，我们非常有必要清楚地知道这两个参数的具体数值，例如：激光光束传输或成像系统的设计、通过比较相关参数而选择质量更优的激光器产品、高斯光束传输特性的研究、非线性光学研究、工业激光器的应用、医疗激光器应用等等。当然实际中也有许多测量高斯光束参数的具体方法，例如：扫描狭缝法、刀片边缘法、变孔径法、针孔法以及由CCD照相机组成的光束质量分析仪等等。

扫描狭缝法、刀片边缘法、变孔径法、针孔法的共同特点是：测量一些确定位置处的光束不同范围内的功率或光强，从而得到功率或光强分布图，推出这些位置的光束半径，再根据高斯光束的自由传输特性反推出束腰位置和束腰半径，测量速度较慢，测量过程中光强变化容易引起测量误差；另外，实际中高斯光束波前畸变也给光束半径的测量带来一定误差，反推过程中光束半径也参与运算，使得测量结果具有较大误差，

光束质量分析仪的特点是：将整个光束轮廓拍摄下来，能够同时提供整个光束的二维光强分布情况，从而得到光束半径，再根据高斯光束的自由传输特性反推出束腰位置和束腰半径，不会受光强变化的影响，测量速度快，但像素的大小成为测量精度的限制因素，而高分辨率的光束质量分析仪价格昂贵；另外，实际中高斯光束波前畸变也给光束半径的测量带来一定误差，反推过程中光束半径也参与运算，使得测量结果具有较大误差。该方法对CCD照相机的相机要求较高。

在实际中，发生如下情况时：待测高斯光束的束腰半径非常小，如何精确地测量该束腰半径；或者待测高斯光束近似平行，如何精确地测量束腰位置；甚至束腰本身不能直接被仪器探测到，如何精确地测量此种高斯光束的束腰位置及半径尺寸。上述的两种装置作为目前的常用手段也无法解决这些问题。

发明内容：

本发明要提供一种测量高斯光束参数的方法，以克服现有技术存在的无法高精度测量束腰参数的问题。

为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种测量高斯光束参数的方法，其测量步骤依次包括：

1）待测高斯光束：将激光束衰减后作为待测高斯光束；

2）将薄透镜放置于待测高斯光束中，测量薄透镜后面高斯光束的束腰位置：

CCD相机在薄透镜后面记录不同位置z处的光强分布，从光强分布可以得到光斑半径值w，因此可以得到薄透镜后面聚焦高斯光束中光束半径任意相同的两个位置z1、z2，将上述的参数代入

（1）

式中：为薄透镜后面聚焦高斯光束束腰位置。

3）更换焦距不同的薄透镜，重复步骤2）的测量方法，测得该薄透镜后面聚焦高斯光束的束腰位置；

4）确定待测高斯光束的束腰位置和束腰半径，将步骤（2）和（3）得到的两个聚焦高斯光束的束腰位置、和对应的薄透镜焦距F1、F2代入

（2）

式中：l为高斯光束对应的光波波长，解该方程组即可得到待测高斯光束的束腰位置L ₀和束腰半径w ₀。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、方法简单而精确：本方法中只需测量两个光斑半径值相等的具体位置即可，操作的方法简单，一般人员均可按照该方法进行测量。因为反推过程中只用到了测量的束腰位置，克服了已有方法中需要用到测量位置和光斑半径两个参数，从而造成反推过程中光斑半径本身的测量误差带来的更大误差，所以本发明的方法得到的测量数据非常精确。

2、方法适用广泛：不仅可应用于束腰易分辨的测量中，也适应于测量非常小的束腰半径、近似平行的高斯光束束腰位置，本发明的创新之处更在于可以测量束腰本身不能被仪器直接探测到的高斯光束的束腰尺寸及位置。

3、该方法所用测量装置简单易搭建，用普通的CCD相机就可以实现，CCD相机可以固定在数显平移台上面，由数显平移台改变其具体位置。

4、仪器成本低，测量过程中只用到透镜和普通的CCD相机，成本在1万元左右，相比目前常用光束质量分析仪20万元以上的价格，成本大大降低。

说明书附图：

图1是本发明的测量装置和测量方法示意图。

具体实施方式：

参见图1，本发明提供的方法是：一种测量高斯光束参数的方法，其测量步骤依次包括：

1）待测高斯光束：将激光束衰减后作为待测高斯光束；

2）将薄透镜放置于待测高斯光束中，测量薄透镜后面高斯光束的束腰位置：

CCD相机在薄透镜后面记录不同位置z处的光强分布，从光强分布可以得到光斑半径值w，因此可以得到薄透镜后面聚焦高斯光束中光束半径任意相同的两个位置z1、z2，将上述的参数代入

（1）

式中：为薄透镜后面聚焦高斯光束束腰位置。

3）更换焦距不同的薄透镜，重复步骤2）的测量方法，测得该薄透镜后面聚焦高斯光束的束腰位置；

4）确定待测高斯光束的束腰位置和束腰半径，将步骤（2）和（3）得到的两个聚焦高斯光束的束腰位置、和对应的薄透镜焦距F1、F2代入

（2）

式中：l为高斯光束对应的光波波长，解该方程组即可得到待测高斯光束的束腰位置L ₀和束腰半径w ₀。

本发明的涉及原理是：对于一般高斯光束而言，束腰附近的光束半径大小变化很小且大小值接近于束腰半径，因此很难精确地直接测量束腰半径大小及确定束腰位置，但随着高斯光束的传播，远离束腰位置时，光束会发散，光束半径大小增加且变化明显，因此在这些位置可以精确地测量光束半径的大小，甚至用普通的测量仪器就可以实现，例如用低成本的CCD照相机等。既然高斯光束相对于束腰面对称，实际中如果测得如图所示的任意两个光束半径相同的位置z1、z2，对应w _z1= w _z2，则z1、z2中点即为高斯光束束腰位置，且可以表示为，

（1）

根据该式可以测量确定高斯光束的束腰位置。

下面提供一个具体的实施例对本发明的方法进行详细地描述：

参见图1，其中：待测高斯光束（incident beam）束腰半径为w ₀，束腰位置距离薄透镜Lens2距离为L ₀，薄透镜Lens2焦距为F，待测高斯光束聚焦以后的束腰半径及距离薄透镜Lens2距离分别为和。

1）从He-Ne（氦氖）激光器出来的激光经衰减片P衰减，再经透镜Lens1聚焦后作为待测高斯光束；

2）测量薄透镜Lens2后面高斯光束的束腰位置。

表1：光束半径测量值及具体位置

考虑到实验中用到的CCD相机分辨率为8 mm，即光束半径测量误差为8 mm，则将表1测量结果代入式（1）可以得到：透镜焦距为F1=50 mm时，薄透镜Lens2后面聚焦高斯光束的束腰位置为=68.20 mm；

3）更换薄透镜Lens2，焦距值为F2=30 mm，重复步骤2）的测量方法，测得薄透镜Lens2后面聚焦高斯光束的束腰位置为=36.00 mm；

4）确定待测高斯光束的束腰位置和束腰半径。

根据高斯光束通过薄透镜的传输变换性质可知，

（2）

式中l为高斯光束对应的光波波长。从上式不难看出，实际中只要用两个不同焦距（例如F1、F2）的薄透镜对高斯光束聚焦，并根据式（1）所示方法测得对应的两个聚焦高斯光束的束腰位置（、），则根据式（2）可以推导得到待测高斯光束的束腰位置L ₀和束腰半径w ₀。将F1=50 mm，=68.20 mm；F2=30 mm，=36.00 mm代入式（2），解方程组很容易得到L ₀=147.70 mm，w ₀=111.4 mm。

为了证明此种方法的准确度，根据式（1）直接测得待测高斯光束（透镜Lens2前）的束腰位置L ₀，然后将该位置直接测量束腰半径大小w ₀，当然考虑到CCD相机本身的分辨率，束腰半径的测量结果会有8 mm的误差，测量结果分别为148.00 mm和112 mm。可以看出：直接测量结果和本文提到的方法测量结果及测量精度几乎相同。

Claims (1)

1.一种测量高斯光束参数的方法，其测量步骤依次包括：

1）待测高斯光束：将激光束衰减后作为待测高斯光束；

2）将薄透镜放置于待测高斯光束中，测量薄透镜后面高斯光束的束腰位置：

CCD相机在薄透镜后面记录不同位置z处的光强分布，从光强分布可以得到光斑半径值w，因此可以得到薄透镜后面聚焦高斯光束中光束半径任意相同的两个位置z1、z2，将上述的参数代入

（1）

式中：为薄透镜后面聚焦高斯光束束腰位置；

3）更换焦距不同的薄透镜，重复步骤2）的测量方法，测得该薄透镜后面聚焦高斯光束的束腰位置；

4）确定待测高斯光束的束腰位置和束腰半径，将步骤（2）和（3）得到的两个聚焦高斯光束的束腰位置、和对应的薄透镜焦距F1、F2代入

（2）

式中：l为高斯光束对应的光波波长，解该方程组即可得到待测高斯光束的束腰位置L ₀和束腰半径w ₀。