CN104406685A - 基于透射型液晶空间光调制器的激光光束m2因子测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于透射型液晶空间光调制器的激光光束 M² 因子测量方法，包括：根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图；搭建光路系统，并调整光路系统中起偏器和检偏器的角度，使液晶空间光调制器处于正确工作状态，然后加载不同焦距透镜的相位灰度图至液晶空间光调制器并采集对应焦距的光斑图像；计算不同焦距透镜相位灰度图对应光斑图像的光斑半径，并通过曲线拟合计算得到待测激光光束的 M² 因子。本发明具有快速、准确、装置简单和成本低的优点，可广泛应用于光学信息处理领域。

Description

基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M2因子测量方法

技术领域

本发明属于光学信息处理领域，尤其是涉及一种基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量方法。

背景技术

激光技术已经广泛应用于科研、工业、医疗、信息和军事等领域，例如激光切割、激光打标、光纤通讯、激光测距、激光全息和激光武器等。在激光的实际应用中，光束质量是衡量激光光束优劣的一项重要指标。

光束质量是从质的方面来评价激光的特性，对激光器的设计、制造、检测、应用等具有重要作用。目前常用来评价激光光束质量的方法包括：斯特列尔比(Strehl Rate)、环围能量比、原衍射极限倍数因子、M²因子或其倒数K因子(光束传输因子)。不同光束质量的定义对应于不同的应用目的，所反映光束质量的侧重点也不同。所以，光束质量的好坏，应视具体的应用目的做出评价。

激光光束质量的评价是以应用为先导，对于低功率激光器产生的光强连续分布的光束截面,常用M²因子来对激光光束质量进行评价。M²因子，亦称光束传输比、衍射极限倍数因子。国际标准化组织(ISO)制定了激光光束质量的测量标准(ISO 11146:2006)，规定了用M²因子表示激光光束质量的概念和激光光束空间参数的测量方法，克服了常用的光束质量评价方法的局限。

评价激光光束质量的M²因子测量的关键是确定激光光束的束宽，亦即确定激光光束沿光轴方向截面的能量分布范围。根据公式定义法直接测量激光光束的束宽和远场发散角从而计算M²因子比较困难,业内通常采用两点法或双曲线拟合法进行测量，但是这两种方法均需采用高质量无像差透镜、步进电机等机械部件进行精确位移控制，而且其测量周期长、装置复杂、成本高，这些因素成为了限制其广泛应用的主要原因。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种快速、准确、装置简单和成本低的，基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量方法，包括：

S1、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图；

S2、搭建光路系统，并调整光路系统中起偏器和检偏器的角度，使液晶空间光调制器处于正确工作状态，然后加载不同焦距透镜的相位灰度图至液晶空间光调制器并采集对应焦距的光斑图像；

S3、计算不同焦距透镜相位灰度图对应光斑图像的光斑半径，并通过曲线拟合计算得到待测激光光束的M²因子。

进一步，所述步骤S1，其包括：

S11、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，生成所需焦距透镜相位图；

S12、对所需焦距透镜相位图的相位值进行2π模除；

S13、将2π模除后的相位值与0～255这256个灰度值进行线性映射，从而得到所需焦距透镜的理想相位灰度图。

进一步，所述步骤S2中搭建的光路系统包括激光器、光能衰减系统、起偏器、液晶空间光调制器、检偏器和图像采集系统，所述激光器发出的激光光束依次经过光能衰减系统、起偏器、液晶空间光调制器和检偏器后由图像采集系统进行采集，得到激光光束光场分布。

进一步，所述光能衰减系统包括可拆卸固定衰减系数的中性密度滤光片组合和液晶调光衰减器。

进一步，所述液晶空间光调制器的器件参数包括入射波长、分辨率、像元尺寸和相位调制深度。

进一步，所述步骤S3，其包括：

S31、计算不同焦距透镜相位灰度图对应光斑图像沿x轴方向和沿y轴方向的光斑半径；

S32、测量液晶空间光调制器与图像采集系统之间的距离,曲线拟合光斑半径与所加载透镜相位灰度图焦距之间的关系,从而确定拟合系数；

S33、根据计算的光斑半径、确定的拟合参数和测量的距离计算待测激光光束在x轴方向和y轴方向的M²因子。

本发明的有益效果是：基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量光路系统无需移动任何器件即可准确进行测量，省去了进行精确位移控制的步骤，快速而准确；相比传统方法，装置结构更简单，测量成本更低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量方法整体流程图；

图2为步骤S1的流程图；

图3为本发明步骤S3的流程图；

图4为激光光束沿光轴方向传播的示意图；

图5为激光光束沿光轴方向经透镜变换传播的示意图；

图6为本发明基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量方法的光路系统原理图；

图7为本发明双曲线拟合法测量激光光束M²因子的光路系统原理图；

图8为本发明基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子的测量结果示意图；

图9为本发明双曲线拟合法测量激光光束M²因子的结果示意图。

具体实施方式

参照图1，基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量方法，包括：

S1、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图；

S2、搭建光路系统，并调整光路系统中起偏器和检偏器的角度，使液晶空间光调制器处于正确工作状态，然后加载不同焦距透镜的相位灰度图至液晶空间光调制器并采集对应焦距的光斑图像；

S3、计算不同焦距透镜相位灰度图对应光斑图像的光斑半径，并通过曲线拟合计算得到待测激光光束的M²因子。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1，其包括：

S11、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，生成所需焦距透镜相位图；

S12、对所需焦距透镜相位图的相位值进行2π模除；

S13、将2π模除后的相位值与0～255这256个灰度值进行线性映射，从而得到所需焦距透镜的理想相位灰度图。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S2中搭建的光路系统包括激光器、光能衰减系统、起偏器、液晶空间光调制器、检偏器和图像采集系统，所述激光器发出的激光光束依次经过光能衰减系统、起偏器、液晶空间光调制器和检偏器后由图像采集系统进行采集，得到激光光束光场分布。

进一步作为优选的实施方式，所述光能衰减系统包括可拆卸固定衰减系数的中性密度滤光片组合和液晶调光衰减器。

进一步作为优选的实施方式，所述液晶空间光调制器的器件参数包括入射波长、分辨率、像元尺寸和相位调制深度。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3，其包括：

S31、计算不同焦距透镜相位灰度图对应光斑图像沿x轴方向和沿y轴方向的光斑半径；

S32、测量液晶空间光调制器与图像采集系统之间的距离,曲线拟合光斑半径与所加载透镜相位灰度图焦距之间的关系,从而确定拟合系数；

S33、根据计算的光斑半径、确定的拟合参数和测量的距离计算待测激光光束在x轴方向和y轴方向的M²因子。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

本实施例对本发明基于透射型液晶空间光调制器的可变焦透镜功能实现方法的相关理论及原理进行说明。

在理想情况下，入射光波通过透镜不同厚度时，产生了不同的相位延迟，故可将透镜看作是相位型衍射屏。在傍轴近似条件下，由标量衍射理论可知，透镜的相位分布函数为：

式中，λ表示入射光波波长，f表示透镜的焦距，x和y分别表示透镜横截面离散化的横坐标值与纵坐标值。

本发明引入光瞳函数P(x,y)来表示透镜的有限孔径，此时，透镜的复振幅透过率函数t(x,y)可以表示为：

式中，i表示虚数单位，当激光光束在透镜孔径内时，P(x,y)＝1，否则P(x,y)＝0。

对于给定入射光波波长与透镜的焦距，对透镜x方向和y方向进行采样和量化，然后可以根据透镜相位分布函数计算生成所需焦距的透镜相位图。

公式(2)中透镜透过率函数的复数部分以2π为周期，因此其相位值可压缩至区间[0,2π],透镜聚焦效果是一样的，压缩公式为：

式中，

此时，透镜的复振幅透过率函数表示为：

t′(x,y)＝P(x,y)·exp[iΦ(x,y)]  (4)

将2π模除后的理想透镜相位值与256个灰度值进行线性映射，即使[0,2π]线性对应[0,255]，可得理想透镜相位灰度图。

液晶空间光调制器具有相位调制特性，其加载灰度图后，会根据灰度图的灰度值控制液晶面板两端的电压值，使液晶分子的折射率发生变化，从而实现对入射光波的相位调制。本发明所用透射型液晶空间光调制器的分辨率为1024×768，像元尺寸为26μm×26μm。根据液晶空间光调制器器件参数和透镜相位分布函数生成所需焦距透镜相位图后，对其相位值进行2π模除，即将透镜相位值压缩至区间[0,2π]，然后将2π模除后的相位值与0～255这256个灰度值进行线性映射，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图，最后将理想透镜相位灰度图加载至液晶空间光调制器即可实现变焦透镜的功能，使入射平面波变为会聚为球面波。

实施例二

本实施例对本发明基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量方法的相关理论及原理进行说明。

在稳定腔中产生的激光束，其特性以及传播规律与普通球面波、平面波完全不同，本发明把所有可能存在的激光波型称为激光束或高斯光束。在激光技术及其应用领域，光束质量是激光束可聚焦程度的度量，激光光束M²因子是一种全新描述激光光束质量的参数。M²因子定义为：

$M^2=\frac{\mathrm{w\θ}}{w_0{\mathrm{\θ}}_0}=\frac{\mathrm{\π}}{4\mathrm{\λ}}\mathrm{w\θ}---\left(5\right)$

其中，w,w₀为实际光束和理想光束的束腰宽度，θ,θ₀为实际光束和理想光束的远场发散角。可以证明，当激光光束通过无像差衍射效应的透镜、望远镜系统聚焦或扩束时，虽然束腰直径或远场发散角要发生变化，但是束腰宽度和远场发散角之积wθ是一个不变量，这相当于几何光学中的拉格朗日不变量。根据量子力学测不准关系，取基模(TEM₀₀模)高斯光束为理想光束，其束腰宽度和远场发散角之积为常量，即有：

$w_0{\mathrm{\θ}}_0=\frac{4\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}---\left(6\right)$

束腰宽度与远场发散角之乘积，反映了基模高斯光束的固有特性，而远场发散角θ₀与束腰宽度w₀成反比，w₀越小，光束越发散，高斯光束的方向性越差。当激光光束线性传输时，在傍轴近似条件下，截面光强呈连续的高斯分布，此时的M²因子表示激光光束偏离其衍射极限的程度，此时M²≥1，默认基模高斯光束的光束质量最好，即M²＝1。M²因子值越大，实际光束偏离理想高斯光束越远，光束质量越差。

如图4所示的激光光束沿光轴方向传播示意图，对于在自由空间中传播的基模高斯光束，其电矢量方程具有如下形式：

式中，x,y为激光光束截面的平面坐标系，z为激光光束光轴传播方向，E(x,y,z)为点(x,y,z)处的电矢量；A₀/w(z)为z轴上(x＝y＝0)各点的电矢量振幅。

w(z)为z点处的光斑半径，它是距离z的函数，即有：

$w^2\left(z\right)=w_0^2(1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{w}_0^2}\right)}^2)---\left(8\right)$

式中，w₀是z＝0处w(z)值，即高斯光束的束腰半径，λ为高斯光束的波长。

式(7)中R(z)是z点处波阵面的曲率半径，它也是z的函数，即有：

$R\left(z\right)=z[1+{\left(\frac{\mathrm{\π}{w}_0^2}{\mathrm{\λz}}\right)}^2]---\left(9\right)$

是与z有关的相位因子，且满足：

对于沿光轴方向传播的束腰位置为z₀的高斯光束，激光光束的光斑半径w(z)随着传输距离z的变化而变化，即有：

$w^2\left(z\right)=w_0^2+{\left(\frac{M^2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{w}_0}\right)}^2{(z-z_0)}^2=w_0^2[1+{\left(\frac{z-z_0}{z_R}\right)}^2]---\left(11\right)$

其中，λ为激光光束的瑞利长度，w₀为激光光束的束腰半径，M²为激光光束传输比。

如图5所示的激光光束沿光轴方向经透镜变换传播示意图，对于瑞利长度为z_R，光轴传播方向束腰位置为z_W，束腰半径的平方为的激光光束，其经过焦距为f的透镜变换后，激光光束的瑞利长度z_RS，束腰位置z_WS和束腰半径平方具有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{WS}}=f-\mathrm{\β}(z_W+f)\\ w_{0S}^2=\mathrm{\β}{w}_0^2\\ w_0^2=\frac{\mathrm{\λ}{z}_R}{2\mathrm{\π}}\\ z_{\mathrm{RS}}=\mathrm{\β}{z}_R\\ \mathrm{\β}={(1+\frac{2z_W}{f}+\frac{z_W^2+z_R^2}{f^2})}^{-1}\end{array}\right.---\left(12\right)$

结合公式(11)和公式(12)，化简可得激光光束的光斑半径w(z)经过透镜变换后随着传输距离z的变化趋势为：

$w^2\left(z\right)=\frac{M^2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{z}_R}[z_W^2+z_R^2+z^2-{2\mathrm{zz}}_W+2\frac{z^2{z}_W-z(z_W^2+z_R^2)}{f}+\frac{z^2(z_W^2+z_R^2)}{f^2}]---\left(13\right)$

进一步，对公式(13)化简可得:

w²(z)＝a+b/f+c/f²  (14)

其中,

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{M^2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{z}_R}[z_w^2+z_R^2+z^2-2{\mathrm{zz}}_w]\\ b=\frac{M^2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{z}_R}[2z^2{z}_w-2z(z_w^2+z_R^2)]\\ c=\frac{M^2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{z}_R}\left[z^2(z_w^2+z_R^2)\right]\end{array}\right.---\left(15\right)$

对公式(15)进行等价变换，得:

$\left\{\begin{array}{c}{M}^2=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}{z}^2}{(\mathrm{ac}-\frac{b^2}{4})}^{1/2}\\ z_w=\frac{c/z+b/2}{a+(c/z+b)/z}\\ z_R^2=\frac{c}{a+(c/z+b)/z}-{\left(\frac{c/z+b/2}{a+(c/z+b)/z}\right)}^2\end{array}\right.---\left(16\right)$

由于实际高斯光束沿光轴传播方向的横截面常常不是理想圆形的，所以当光束的光强分布不对称或者存在像散时，在光束截面平面坐标系下，激光光束质量常采用这两个参数进行描述，而x和y方向的光斑半径分别为w_x和w_y

沿光轴传播方向z处的光强能量分布为E(x,y,z)的光斑图像中心位置的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}\left(z\right)=\frac{\∫\∫E(x,y,z)\·\mathrm{xdxdy}}{\∫\∫E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}\\ \stackrel{\‾}{y}\left(z\right)=\frac{\∫\∫E(x,y,z)\·\mathrm{ydxdy}}{\∫\∫E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}\end{array}\right.---\left(17\right)$

则光斑图像x和y方向的光斑半径w_x、w_y的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_x=\sqrt{2}{\{({\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_y^2)+\mathrm{\γ}{[{({\mathrm{\σ}}_x^2-{\mathrm{\σ}}_x^2)}^2+4{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}^2\right)}^2]}^{1/2}\}}^{1/2}\\ w_y=\sqrt{2}{\{({\mathrm{\σ}}_x^2+{\mathrm{\σ}}_y^2)-\mathrm{\γ}{[{({\mathrm{\σ}}_x^2-{\mathrm{\σ}}_y^2)}^2+4{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}^2\right)}^2]}^{1/2}\}}^{1/2}\end{array}\right.---\left(18\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x^2\left(z\right)=\frac{\∫\∫E(x,y,z)\·{(x-\stackrel{\‾}{x})}^2\mathrm{dxdy}}{\∫\∫E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}\\ {\mathrm{\σ}}_y^2\left(z\right)=\frac{\∫\∫E(x,y,z)\·{(y-\stackrel{\‾}{y})}^2\mathrm{dxdy}}{\∫\∫E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(z\right)=\frac{\∫\∫E(x,y,z)\·(x-\stackrel{\‾}{x})\·(y-\stackrel{\‾}{y})\mathrm{dxdy}}{\∫\∫E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}\\ \mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\σ}}_x^2-{\mathrm{\σ}}_y^2}{|{\mathrm{\σ}}_x^2-{\mathrm{\σ}}_y^2|}\end{array}\right.---\left(19\right)$

实施例三

本实施例采用透射型液晶空间光调制器测量激光光束的M²因子。

本发明采用如图6所示的光路系统实现基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量。如图6所示，激光器101发出的激光光束依次经过衰减片102、起偏器103、透射型液晶空间光调制器104和检偏器105，围绕光轴旋转起偏器103和检偏器105，并由相机107采集得到激光光束光场分布，该过程通过计算机108对透射型液晶空间光调制器104和相机107进行控制。具体过程为：先设定起偏器103的透光轴和检偏器105的透光轴之间的夹角，使液晶空间光调制器处于最佳工作状态，然后加载不同焦距的透镜相位灰度图至透射型液晶空间光调制器并采集对应的光斑图像；接着，利用实施例二的公式(14)和公式(18)，计算不同焦距的透镜相位灰度图对应光斑图像的光斑半径，并通过曲线拟合确定公式(14)中的a、b、c这三个待拟合参数，最后根据公式(16)计算可得激光光束在x和y方向的M²因子分别为

图8为本发明基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量结果示意图。图(a)和图(b)分别代表光束横截面平面坐标系下的x和y两个方向，其中横坐标为加载至液晶空间光调制器的透镜相位灰度图所对应的焦距值，单位为mm(毫米)，纵坐标为不同焦距的透镜相位灰度图对应的光斑图像的光斑半径的平方，单位为mm²，通过曲线拟合计算，可得x和y方向的a、b、c系数值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_x=0.56195\\ b_x=-153.3157\\ c_x=16168.2787\end{array}\right.\left\{\begin{array}{c}{a}_y=0.51417\\ b_y=-138.0108\\ c_y=14694.7396\end{array}\right.---\left(20\right)$

对于x方向，曲线拟合过程中的误差平方和为0.003465，决定系数为0.98249；对于y方向，曲线拟合过程中的误差平方和为0.001718，决定系数为0.98974，证明了曲线拟合的准确性。

本发明所用待测激光器的波长为632.8nm，液晶空间光调制器至相机的距离为490mm，根据(16)式计算可得待测激光器x和y方向的M²因子分别为为避免不确定因素影响，减小误差，本发明进行了多次测量(至少3次)取均值以提高测量精度，从而得到基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子在x和y方向的均值分别为 ${\stackrel{\‾}{M}}_x^2=1.189325;$ ${\stackrel{\‾}{M}}_y^2=1.10055.$

实施例四

本实施例采用国际标准化组织(ISO)提供的双曲线拟合法对基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量结果进行验证。

根据国际化标准组织规定，激光光束参数测量主要包括：束腰位置、束腰宽度、远场发散角、M²因子。高斯光束在自由空间沿轴向传输遵从双曲线分布，故本发明采用国际化标准组织推荐的双曲线拟合法计算激光光束的M²因子，对本发明基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量结果进行验证。对于傍轴标量光束，在沿光轴方向不同位置对激光光强分布至少进行10次采集测量，而且其中至少5次的测量位置要在待测激光光束的束腰位置两侧一倍瑞利长度距离内。双曲线拟合方程为：

d²(z)＝A+Bz+Cz²  (21)

其中，d(z)为激光光束沿光轴传输方向z处的光斑直径，A、B、C为待拟合系数。

对于已知波长为λ的激光光束，使用相机对激光光束截面进行采样测量，得到光强能量分布E(x,y,z)，根据公式(17)、公式(18)、公式(19)计算光斑图像的光斑直径，曲线拟合求出系数A、B、C，代入公式(22)计算可得待测激光器的光束传输因子，即M²因子，M²因子的表达式为：

$M^2=\mathrm{\π}\sqrt{4\mathrm{AC}-B^2}/\left(8\mathrm{\λ}\right)---\left(22\right)$

采用如图7所示的光路系统可实现双曲线拟合法测量激光光束M²因子。如图7所示，激光器101发出的激光光束依次经过衰减片102、凸透镜106，由相机107采集得到光场分布，该过程通过计算机108对相机107进行控制。然后沿光轴方向前后移动相机107的位置，单位移动距离为10mm，采集不同位置的光斑图像。最后再根据公式(14)和公式(18)计算出不同位置光斑图像的光斑直径大小。

本发明双曲线拟合法测量激光光束M²因子结果如图9所示，图(a)和图(b)分别代表光束横截面平面坐标系下的x和y两个方向，其中横坐标为沿光轴方向相机至透镜的距离，单位为mm(毫米)，纵坐标为不同位置光斑图像的光斑直径的平方，单位为mm²。通过双曲线拟合计算，可得x方向和y方向的A、B、C系数值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_x=0.58999\\ B_x=-0.0059709\\ C_x=1.6495\×{10}^{-5}\end{array}\right.\left\{\begin{array}{c}{A}_y=0.60951\\ B_y=-0.0060591\\ C_y=1.641\×{10}^{-5}\end{array}\right.---\left(23\right)$

对于x方向，曲线拟合过程中的误差平方和为0.000107，决定系数为0.99912；对于y方向，曲线拟合过程中的误差平方和为0.000168，决定系数为0.99857，证明了曲线拟合的准确性。

本发明所用待测激光器的波长为632.8nm，透镜焦距为150mm，代入公式(22)计算可得待测激光器的x方向和y方向的M²因子分别为 为避免不确定因素影响，减小误差，本发明进行多次测量(至少3次)取均值以提高测量精度，可得双曲线拟合法计算待测激光器的M²因子在x和y方向的均值分别为 ${\stackrel{\‾}{M}}_{x0}^2=1.1215;{\stackrel{\‾}{M}}_{y0}^2=1.1348.$

通过对比可知,基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子在x和y方向的绝对误差分别为0.068075和-0.03425,相对误差分别为6.07％和3.02％，本发明基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M²因子测量的结果与国际标准化组织推荐的双曲线拟合法测量的结果基本吻合，精度高，因此采用本发明方法可以快速、准确测量激光光束M²因子，对于扩展液晶空间光调制器的应用以及激光光束M²因子的测量具有重要意义。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M ² 因子测量方法，其特征在于：包括：

S1、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，计算生成所需焦距透镜的理想相位灰度图；

S2、搭建光路系统，并调整光路系统中起偏器和检偏器的角度，使液晶空间光调制器处于正确工作状态，然后加载不同焦距透镜的相位灰度图至液晶空间光调制器并采集对应焦距的光斑图像；

S3、计算不同焦距透镜相位灰度图对应光斑图像的光斑半径，并通过曲线拟合计算得到待测激光光束的M ² 因子。

2.根据权利要求1所述的基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M ² 因子测量方法，其特征在于：所述步骤S1，其包括：

S11、根据液晶空间光调制器的器件参数和透镜相位分布函数，生成所需焦距透镜相位图；

S12、对所需焦距透镜相位图的相位值进行2π模除；

S13、将2π模除后的相位值与0～255这256个灰度值进行线性映射，从而得到所需焦距透镜的理想相位灰度图。

3.根据权利要求1所述的基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M ² 因子测量方法，其特征在于：所述步骤S2中搭建的光路系统包括激光器、光能衰减系统、起偏器、液晶空间光调制器、检偏器和图像采集系统，所述激光器发出的激光光束依次经过光能衰减系统、起偏器、液晶空间光调制器和检偏器后由图像采集系统进行采集，得到激光光束光场分布。

4.根据权利要求3所述的基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M ² 因子测量方法，其特征在于：所述光能衰减系统包括可拆卸固定衰减系数的中性密度滤光片组合和液晶调光衰减器。

5.根据权利要求1所述的基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M ² 因子测量方法，其特征在于：所述液晶空间光调制器的器件参数包括入射波长、分辨率、像元尺寸和相位调制深度。

6.根据权利要求3所述的基于透射型液晶空间光调制器的激光光束M ² 因子测量方法，其特征在于：所述步骤S3，其包括：

S31、计算不同焦距透镜相位灰度图对应光斑图像沿x轴方向和沿y轴方向的光斑半径；

S32、测量液晶空间光调制器与图像采集系统之间的距离,曲线拟合光斑半径与所加载透镜相位灰度图焦距之间的关系,从而确定拟合系数；

S33、根据计算的光斑半径、确定的拟合参数和测量的距离计算待测激光光束在x轴方向和y轴方向的M ² 因子。