CN105222992B - 一种激光光束质量因子测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光光束质量因子测量方法，该方法采用电机驱动的导轨滑台实现测量刀口的移动控制，将莫尔条纹测距原理应用在激光光束质量的测量当中，通过光电池组的反馈电流获得刀口的移动距离；并通过光栅对结构，以及莫尔条纹细分技术对刀口的移动位移进行精密测量，其激光光斑测量精度最优可达1nm量级；同时，也将光斑宽度的测量范围精细到μm量级，解决了极细型激光光斑宽度的自动测量问题。本发明具有快速、自动化测量的优点，同时保证测量结果具有很好可重复性。该方法避免了传统机械结构加工误差在自动测量过程中带来的影响。

Description

一种激光光束质量因子测量方法

技术领域

本发明涉及激光光束质量测量方法，特别是一种激光光束质量因子测量方法。适用于对光强空间分布近似为高斯型的激光光束进行测量，例如基模高斯光束，或者以基模为主的组合模激光光束。

背景技术

众所周知，光束质量是描述激光器综合性能的一个重要方面，通常采用光斑宽度、发散角、光束质量因子等参数来描述光束质量，较小的发散角与激光光束质量因子表征了一个激光器具有很好的空间准直特性。实际中，一般在多个位置对激光光斑宽度进行测量，通过分析计算获得发散角与激光光束质量因子等参数。考虑到各类激光器应用场合的不同，通常的激光光斑宽度一般会在0.1mm—10mm之间。根据最新研究报道，目前世界上最小的激光光斑宽度已经到了nm级别；同时，如此细小激光光束的出现也给实际激光光束质量的测量问题带来挑战。

在激光光斑宽度的测量方面，研究人员通常刀口仪的方法进行手工测量或是采用光束质量分析仪器对光束质量进行分析。对于手工测量，其测量过程比较麻烦，测量结果的重复性较差，刀口仪自身调节精度、探测元器件的响应精度，以及操作人员的认为因素均会对测量结果产生很大影响。

目前的光束质量分析仪器测量光斑宽度时，通常仅采用伺服步进电机驱动刀口的方式，对激光光斑进行扫描测量，其测试精度只能达到μm级别，其最小光束宽度的测量范围也仅为几十μm左右，无法实现对极细激光光束空间特性的有效测量。

而受制于机械转动系统加工精度的工艺水平，也将对激光光束宽度的测量误差产生很大影响。值得注意的是，在空间位移的精确测量方面，莫尔条纹测距方法具很大的优势，其测量范围可达1000mm，测量精度可达1nm。可以想象，将莫尔条纹测距方法引入到激光光束质量的测量当中，将会解决极细光束的测量问题，使得激光光束质量的快速、自动化、高精度测量成为可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种激光光束质量因子测量方法，其操作简便、实用性强，能够对激光光斑进行快速、自动、高精度测量，并具有测量范围宽的优点，解决了极细激光光斑宽度的自动测量问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：至少包括一个被测量的激光器，激光器通过光学单元将激光器的输出光分成两束，光学单元分出的第一束平行光束照射在功率探测器；光学单元分出的第二束平行光束照射在标尺光栅和指示光栅构成的莫尔条纹产生器输入面上，莫尔条纹产生器输出端有光电检测单元，指示光栅固定在机械扫描器上；在机械扫描器上安装有刀口；机械扫描器在控制单元控制下带动指示光栅和刀口同步移动；使刀口的边沿开始部分遮拦功率探测器接收光窗口，功率探测器获得的激光输出功率将逐渐减小或逐渐变大，当功率探测器测量激光输出功率达到最大功率的86％时，光电检测单元通过检测莫尔条纹产生器的莫尔条纹获得刀口移动的初始位置；随着刀口继续移动，当功率探测器测量激光输出功率达到最大功率的14％时，光电检测单元获得刀口移动的结束位置；控制处理单元依据初始位置、结束位置及光电检测单元检测的莫尔条纹数，得到激光器在不同位置的光斑宽度，通过不同位置的宽度获得光束质量因子、远场光束发散角θ、束腰位置Z₀、束腰宽度d₀的数值。

所述的光学单元包括半透半反镜，一个全反镜和扩束镜；激光器通过半透半反镜形成反射光输出和透射光输出，反射光输出和透射光输出互成夹角，反射光输出再次通过全反镜进行全反射后，使透射光输出形成第一束平行光束，使反射光形成第二束平行光束；第二束平行光束经扩束镜后照射在莫尔条纹产生器输入面；第一束平行光束照射在功率探测器窗口上。

所述的机械扫描器包括导轨、滑块、丝杠、伺服步进电机、导轨座；导轨沿导轨座长度方向平行固定；丝杠由左右固定架固定在导轨座上；丝杠通过丝扣套接滑块；丝杠一端与伺服步进电机同轴连接；伺服步进电机工作时，带动丝杠转动；丝扣套接的滑块沿丝杠左右移动。

所述的导轨座一端固定指示光栅，滑块一端固定标尺光栅；标尺光栅与指示光栅平行，标尺光栅和指示光栅的光栅形成夹角，滑块在伺服步进电机工作时移动，使第二束平行光束经扩束镜后照射在莫尔条纹产生器输入面上。

所述的光电检测单元包括光功率探测器、光电池组；所述功率探测器为热释电探测器，用来测量第一束平行光束的激光输出功率，在热释电探测器前端有刀口，通过刀口在热释电探测器前移动遮挡，用以计算光斑宽度。

所述光电池组个数按2的整数倍分布在包括一个明暗周期的莫尔条纹内，所述光电池组所响应的4个光电流之间具有π/2的相位差。

所述控制处理单元包括有带A/D转换器的处理器，一个伺服步进电机驱动电路，功率探测器和光电池组分别与处理器的A/D转换器输入端电连接；处理器同时与伺服步进电机驱动电路控制端电连接。

通过不同位置的宽度获得光束质量因子M²、远场光束发散角θ、束腰位置Z₀，束腰宽度d₀的数值是通过测量位置Z₁、Z₂、Z₃与该位置所测得的相应光斑宽度d₁、d₂、d₃间满足如下公式：

式中，i＝1、2、3，A、B、C为光束特征系数，通过求解Z₁与d₁，Z₂与d₂，Z₃与d₃所构成的方程组，获得光束质量因子、远场光束发散角θ、束腰位置Z₀、束腰宽度d₀的数值，λ为被测激光波长，具体计算公式如下：

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.在激光光束质量特性的测量方面，与传统手工测量方式相比，本发明采用电机驱动的导轨滑台实现测量刀口的移动控制，具有快速、自动化测量的优点，同时保证测量结果具有很好可重复性。

2.与现有的激光光束质量分析仪器相比，本发明将莫尔条纹测距原理应用在激光光束质量的测量当中，是通过光电池组的反馈电流获得刀口的移动距离，避免了传统机械结构加工误差在自动测量过程中带来的影响。

3.与现有的激光光束质量分析仪器相比，本发明采用光栅对结构，以及莫尔条纹细分技术对刀口的移动位移进行精密测量，其激光光斑测量精度最优可达1nm量级；同时，也将光斑宽度的测量范围精细到μm量级，解决了极细型激光光斑宽度的自动测量问题。

4.本发明采用大面积、快速响应光电池作为功率探测器进行自动测量，很容易实现测量光路的对准问题，并具有操作简便、实用性强等优点，便于推广使用。

综上所述，本发明方案结构简单、操作方便、具有快速、自动化测量的优点，具有精确的测量精度、可实现对极细光斑光束质量的测量分析。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例结构示意原理图。

图2为图1的机械扫描器。

附图标记说明：1—激光器；2—光学单元；2-1—半透半反镜；2-2—全反镜；2-3—扩束镜；3—机械扫描器；3-1—导轨；3-2—滑块；3-3—丝杠；3-4—伺服步进电机；3-5—刀口；3-6—标尺光栅；3-7—指示光栅；4—光电检测单元；4-1—功率探测器；4-2—光电池组；4-3—莫尔条纹；5—控制处理单元。

具体实施方式

如图1所示，一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：至少包括一个被测量的激光器1，激光器1通过光学单元2将激光器1的输出光分成两束，光学单元2分出的第一束平行光束照射在功率探测器4-1；光学单元2分出的第二束平行光束照射在标尺光栅3-6和指示光栅3-7构成的莫尔条纹产生器输入面上，莫尔条纹产生器输出端有光电检测单元，指示光栅3-7固定在机械扫描器上；在机械扫描器3上安装有刀口3-5；机械扫描器在控制单元控制下带动指示光栅3-7和刀口3-5同步移动；使刀口3-5的边沿开始部分遮拦功率探测器4-1接收光窗口，功率探测器4-1获得的激光输出功率将逐渐减小或逐渐变大，当功率探测器4-1测量激光输出功率达到最大功率的86％时，光电检测单元通过检测莫尔条纹产生器的莫尔条纹获得刀口3-5移动的初始位置；随着刀口3-5继续移动，当功率探测器4-1测量激光输出功率达到最大功率的14％时，光电检测单元获得刀口3-5移动的结束位置；控制处理单元依据初始位置、结束位置及光电检测单元检测的莫尔条纹数，得到激光器1在不同位置的光斑宽度，通过不同位置的宽度获得光束质量因子、远场光束发散角θ、束腰位置Z₀、束腰宽度d₀的数值。

通过不同位置的宽度获得光束质量因子M²、远场光束发散角θ、束腰位置Z₀，束腰宽度d₀的数值是通过测量位置Z₁、Z₂、Z₃与该位置所测得的相应光斑宽度d₁、d₂、d₃间满足如下公式：

式中，i＝1、2、3，A、B、C为光束特征系数，通过求解Z₁与d₁，Z₂与d₂，Z₃与d₃所构成的方程组，获得光束质量因子、远场光束发散角θ、束腰位置Z₀、束腰宽度d₀的数值，λ为被测激光波长，具体计算公式如下：

所述的光学单元2包括半透半反镜2-1，一个全反镜2-2和扩束镜2-3；激光器1通过半透半反镜2-1形成反射光输出和透射光输出，反射光输出和透射光输出互成夹角，反射光输出再次通过全反镜2-2进行全反射后，使透射光输出形成第一束平行光束，使反射光形成第二束平行光束；第二束平行光束经扩束镜2-3后照射在莫尔条纹产生器输入面；第一束平行光束照射在功率探测器4-1窗口上。

如图2所示，所述的机械扫描器3包括导轨3-1、滑块3-2、丝杠3-3、伺服步进电机3-4、导轨座；导轨3-1沿导轨座长度方向平行固定；丝杠3-3由左右固定架固定在导轨座上；丝杠3-3通过丝扣套接滑块3-2；丝杠3-3一端与伺服步进电机3-4同轴连接；伺服步进电机3-4工作时，带动丝杠3-3转动；丝扣套接的滑块3-2沿丝杠3-3左右移动。

导轨座一端固定指示光栅3-7，滑块3-2一端固定标尺光栅3-6；标尺光栅3-6与指示光栅3-7平行，标尺光栅3-6和指示光栅3-7的光栅形成夹角，滑块3-2在伺服步进电机3-4工作时移动，使第二束平行光束经扩束镜2-3后照射在莫尔条纹产生器输入面上。

所述光电检测单元4包括光功率探测器4-1、光电池组4-2；所述功率探测器4-1为热释电探测器，用来测量第一束平行光束的激光输出功率，在热释电探测器前端有刀口3-5，通过刀口3-5在热释电探测器前移动遮挡，用以计算光斑宽度。

所述光电池组4-2个数按2的整数倍分布在包括一个明暗周期的莫尔条纹内，如2、4、6、8……等。实施例采用4个光电池实现四倍频细分判向，所述光电池组4-2所响应的4个光电流之间具有π/2的相位差，4个光电流再经过差动放大、整形、方向判别后进行双向计数。

所述控制处理单元包括有带A/D转换器的处理器，一个伺服步进电机3-4驱动电路，处理器和伺服步进电机3-4驱动电路采用现有的技术，功率探测器4-1和光电池组4-2分别与处理器的A/D转换器输入端电连接；处理器同时与伺服步进电机3-4驱动电路控制端电连接；所述控制处理单元通过对伺服步进电机3-4的开启、关闭、复位，通过对功率探测器4-1和光电池组4-2接收的电信号处理实现激光功率、光斑宽度、光束发散角、光束质量因子的测量。

刀口法测量激光因子M²的方法，需要在三个纵向位置处测量不同的光斑宽度，通过相应的求解，计算获得激光束的发散角与M²因子的测量结果。

本发明方法的使用过程是：

(1)将被测激光器1的输出光斑垂直入射功率探测器4-1的表面中心位置，手工测量被测激光器1出光面与功率探测器4-1表面的纵向距离Z1，并通过控制处理单元自动输出功率探测器4-1检测的激光器1的第一束平行光束的功率；

(2)开启电源、在伺服步进电机3-4的作用下，导轨3-1上的滑块3-2回归初始位置，此时功率探测器4-1获得激光束无遮拦时结果功率，即为最大功率；

(3)启动测量功能，伺服步进电机3-4开始工作，导轨3-1上的滑块3-2在丝杠3-3的转动作用下开始移动，同时带动滑块3-2上的刀口3-5光栅与指示光栅3-7水平移动；

(4)随着刀口3-5边沿开始部分遮拦被测激光束，功率探测器4-1获得的激光功率将逐渐减小，当功率探测器4-1测量功率为最大功率的86％时，光电池组4-2通过莫尔条纹4-3获得刀口3-5移动的初始位置。随着刀口3-5继续移动，当功率探测器4-1测量功率最大功率的14％时，光电池组4-2获得刀口3-5移动的结束位置，结束位置与初始位置之差即为D1，具体可通过系统的脉冲计数进行获得。

(5)重复过程(1)-(4)，获得两个纵向距离Z2、Z3位置数据，并获得两个纵向位置所测的光斑宽度D2、D3和数据Z2、Z3；D2、D3将通过显示器显示。

(6)在三组纵向距离与光斑宽度测量完毕之后，经过控制处理单元计算，给出三个位置光斑宽度、被测激光功率、光束发散角，以及激光光束质量因子的测量结果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更或等效结构变化，均在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：至少包括一个被测量的激光器（1），激光器（1）通过光学单元（2）将激光器（1）的输出光分成两束，光学单元（2）分出的第一束平行光束照射在功率探测器（4-1）；光学单元（2）分出的第二束平行光束照射在标尺光栅（3-6）和指示光栅（3-7）构成的莫尔条纹产生器输入面上，莫尔条纹产生器输出端有光电检测单元，指示光栅（3-7）固定在机械扫描器上；在机械扫描器（3）上安装有刀口（3-5）；机械扫描器在控制单元控制下带动指示光栅（3-7）和刀口（3-5）同步移动；使刀口（3-5）的边沿开始部分遮拦功率探测器（4-1）接收光窗口，功率探测器（4-1）获得的激光输出功率将逐渐减小或逐渐变大，当功率探测器（4-1）测量激光输出功率达到最大功率的86%时，光电检测单元通过检测莫尔条纹产生器的莫尔条纹获得刀口（3-5）移动的初始位置；随着刀口（3-5）继续移动，当功率探测器（4-1）测量激光输出功率达到最大功率的14%时，光电检测单元获得刀口（3-5）移动的结束位置；控制处理单元依据初始位置、结束位置及光电检测单元检测的莫尔条纹数，得到激光器（1）在不同位置的光斑宽度，通过不同位置的宽度获得光束质量因子、远场光束发散角、束腰位置、束腰宽度的数值。

2.根据权利要求1所述的一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：所述的光学单元（2）包括半透半反镜（2-1），一个全反镜（2-2）和扩束镜（2-3）；激光器（1）通过半透半反镜（2-1）形成反射光输出和透射光输出，反射光输出和透射光输出互成夹角，反射光输出再次通过全反镜（2-2）进行全反射后，使透射光输出形成第一束平行光束，使反射光形成第二束平行光束；第二束平行光束经扩束镜（2-3）后照射在莫尔条纹产生器输入面；第一束平行光束照射在功率探测器（4-1）窗口上。

3.根据权利要求1所述的一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：所述的机械扫描器（3）包括导轨（3-1）、滑块（3-2）、丝杠（3-3）、伺服步进电机（3-4）、导轨座；导轨（3-1）沿导轨座长度方向平行固定；丝杠（3-3）由左右固定架固定在导轨座上；丝杠（3-3）通过丝扣套接滑块（3-2）；丝杠（3-3）一端与伺服步进电机（3-4）同轴连接；伺服步进电机（3-4）工作时，带动丝杠（3-3）转动；丝扣套接的滑块（3-2）沿丝杠（3-3）左右移动。

4.根据权利要求3所述的一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：所述的导轨座一端固定指示光栅（3-7），滑块（3-2）一端固定标尺光栅（3-6）；标尺光栅（3-6）与指示光栅（3-7）平行，标尺光栅（3-6）和指示光栅（3-7）的光栅形成夹角，滑块（3-2）在伺服步进电机（3-4）工作时移动，使第二束平行光束经扩束镜（2-3）后照射在莫尔条纹产生器输入面上。

5.根据权利要求1所述的一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：所述的光电检测单元（4）包括光功率探测器（4-1）、光电池组（4-2）；所述功率探测器（4-1）为热释电探测器，用来测量第一束平行光束的激光输出功率，在热释电探测器前端有刀口（3-5），通过刀口（3-5）在热释电探测器前移动遮挡，用以计算光斑宽度。

6.根据权利要求5所述的一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：所述光电池组（4-2）个数按2的整数倍分布在包括一个明暗周期的莫尔条纹内，所述光电池组（4-2）所响应的4个光电流之间具有π/2的相位差。

7.根据权利要求1所述的一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：所述控制处理单元包括有带A/D转换器的处理器，一个伺服步进电机（3-4）驱动电路，功率探测器（4-1）和光电池组（4-2）分别与处理器的A/D转换器输入端电连接；处理器同时与伺服步进电机（3-4）驱动电路控制端电连接。