CN106644058B - 一种测量高功率连续激光光束质量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量高功率连续激光光束质量的装置，包括聚焦透镜、多空心探针光斑测量设备和数据处理设备；聚焦透镜用于将待测准直光束变为聚焦光束并投射至测试区域；多空心探针光斑测量设备用于测量测试区域的光斑分布；数据处理设备用于对光斑分布数据进行处理得到光束质量；多空心探针光斑测量设备包括多个空心探针、导轨和控制电路，多个空心探针置放于导轨上，控制电路用于控制空心探针的运转，使得多个空心探针在高速旋转时保持相对位置不变。本发明能够快速地对高斯分布或类高斯分布的高功率连续激光光束质量进行测试，测试时间短，光学元件少，结构简单，易于实现，解决现有技术在高功率连续激光光束质量M²测试中所受到的局限性。

Description

一种测量高功率连续激光光束质量的装置

技术领域

本发明属于激光性能测试技术领域，具体涉及一种测量高功率连续激光光束质量的装置，适合在高功率连续激光领域应用。

背景技术

自1962年第一台激光器问世以来，激光器技术得到迅速发展，日新月异。光束质量M²是描述激光特性的一个重要技术指标，定义为实际光束的束腰发散角乘积与理想基模高斯光束的束腰发散角乘积的比值：

其中，d₁和θ₁分别表示实际光束的束腰宽度和远场发散角，d₀和θ₀分别表示理想基模高斯的束腰宽度和远场发散角，且

目前主流的光束质量M²测量装置，是基于光束传播方程的束宽测量法，也是ISO标准的推荐方法：通过一段时间不断移动光斑测量器件(CCD或者空心探针等)采集透镜聚焦后在光束束腰附近不同位置上的光斑能量分布，再用多项式拟合方法(双曲线拟合)计算得到高斯光束光束质量评价参数。这是目前激光光束质量比较成熟的测量技术，具体的产品可以参见Spiricon公司的M²-200s(CCD式)和Primes公司的FM120(空心探针式)。

随着激光器技术的迅速发展，输出功率持续上升，以光纤激光器为例，目前报道出的全光纤单模激光器最大输出功率是美国IPG公司，达到了10.5kW。与低功率激光相比，高功率连续激光的光束质量M²测试更为困难，如果采用CCD式测量装置(M²-200s)，由于其承受功率密度低，所需衰减倍数大、测试光路复杂、光学元件多，会引入额外的测量光路误差；如果采用能承受高功率密度的空心探针法(FM120)，和CCD式测量装置类似，其需要沿着光轴不断移动光斑测量器件(CCD或者空心探针)进行光斑分布采集，所需时间长，不能实现快速测量，存在一定的局限性。

发明内容

针对现有技术的缺陷和迫切技术需求，本发明提供了一种快速测量高功率连续激光光束质量的装置，能够快速地对高斯分布或类高斯分布的高功率连续激光光束质量进行测试，测试时间短，光学元件少，结构简单，易于实现，解决现有技术在高功率连续激光光束质量M²测试中所受到的局限性。

一种测量高功率连续激光光束质量的装置，包括聚焦透镜、多空心探针光斑测量设备和数据处理设备；

所述聚焦透镜为长焦透镜，用于将待测准直光束变为聚焦光束并投射至测试区域；所述多空心探针光斑测量设备，用于测量测试区域的光斑分布；所述数据处理设备用于对光斑分布数据进行处理得到光束质量；

所述多空心探针光斑测量设备包括多个空心探针、导轨和控制电路，多个空心探针置放于导轨上，探针能在导轨上平移，控制电路用于控制空心探针的运转，使得多个空心探针在高速旋转时保持相对位置不变。

进一步地，利用所述导轨将所述多个空心探针沿光轴方向排布，空心探针数量n)和位置满足光束质量测试要求(如国标GB/T 24664-2009要求：n≥10，接近一半的测量要在束腰一倍瑞利长度范围内采集，还要有接近一半的测量在束腰一侧两倍瑞利范围外采集)；各空心探针之间角度不同且不会相互干扰。

进一步地，所述空心探针包括探针、小孔和转台，小孔位于探针顶部，探针固定于能进行旋转和平动的转台上。

进一步地，所述数据处理设备包括：

光束宽度计算模块，用于计算x方向和y方向上的光束宽度d_x(z)和d_y(z)为d_x(z)＝4σ_x(z)，d_y(z)＝4σ_y(z)，其中，z为光束传播方向的位置变量，σ_x(z)的物理含义为z位置处垂直于光轴的xy平面中光强在x方向的分量，σ_y(z)的物理含义为z位置处垂直于光轴的xy平面中光强在y方向的分量，满足 为光斑中心位置，(x,y,z)为传播位置z处的垂直于光轴的xy平面的坐标，E(x,y,z)为光束的光强分布；

光束质量拟合模块，用于将不同位置z与相应位置的光束宽度d_x(z)、d_y(z)值代入公式：d_x(z)²＝A_x+B_xz+C_xz²，d_y(z)²＝A_y+B_yz+C_yz²得到一系列方程组，通过最小二乘法或者奇异值分解法求得系数A_x、B_x、C_x，A_y、B_y、C_y，从而得到实际光束的束腰位置Z_0x、Z_0y，束腰宽度d_0x、d_0y以及x向的光束质量M_x ²、y向的光束质量M_y ²、平均光束质量M²：

本发明采用多空心探针对束腰附近位置的光斑分布进行测量，各空心探针保持相对恒定，相互之间不干扰，能同时对各相应位置的光斑分布进行测量，拟合得到光束质量M²，从而实现对高功率连续激光光束质量的快速测量。具体而言，本发明的优点是：

1、各位置采用空心探针法测试光斑分布，承受功率密度高(可达到MW/cm²量级)，能实现对高功率连续激光光束质量的测量。

2、采用多空心探针对束腰附近位置的光斑分布进行测量，各空心探针保持相对恒定，相互之间不干扰，能“同时”对各相应位置的光斑分布进行测量，所需时间少，能实现快速测量。

3、光学元件少，只需要采用透镜进行聚焦，整个系统引入的像差相对较少。

4、由于所用器件少，光学元件少，结构简单，整个装置使用稳定，易于加工和制造。

附图说明

图1为本发明光束质量测量装置结构示意图。

图2为本发明多空心探针光斑测量设备结构示意图。

图3为本发明多空心探针测量相对位置示意图(沿光轴方向)。

图4为本发明单个空心探针结构示意图。

图5为光束质量M²多项式拟合曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明光束质量测量装置结构示意图。一种快速测量高功率连续激光光束质量的装置，依次包括聚焦透镜1、多空心探针光斑测量设备2、截止器3和数据处理设备4。

所述的聚焦透镜1为长焦透镜，将待测准直光束变为聚焦光束；

所述的多空心探针光斑测量设备2，测量光斑分布，由多个空心探针、导轨、控制电路构成，如图2所示；

所述的截止器3用于截止待测激光束，一般是功率计等具有激光截止功能的设备；

所述的数据处理设备4用于对测试数据进行采集、处理、存储、显示等。

所述的多空心探针光斑测量设备中，由多个空心探针、导轨、控制电路构成，如图2所示，多个空心探针置放于导轨上，探针能在导轨上平移，控制电路控制空心探针的运转，使得多个空心探针在高速旋转时保持相对位置。

所述的多空心探针光斑测量设备中，利用导轨将多个空心探针沿光轴方向排布，空心探针数量(等效为测量位置数量n)和位置满足GB/T24664-2009的要求：n≥10，接近一半的测量要在束腰一倍瑞利长度范围内采集，还要有接近一半的测量在束腰一侧两倍瑞利范围外采集，或者满足其他标准、测试方法的要求；在空心探针高速旋转时，利用光、机、电等方法控制各个空心探针保持相对位置不变，如图3所示，各个空心探针之间的相对角度保持恒定不变，如各相邻探针之间角度相等，或者各空心探针之间角度不同但不会相互干扰；各个空心探针分别对相应位置的光斑分布进行测量，基本原理一致，相互独立；空心探针高速旋转一周期内，其他空心探针会依次通过相应测试区域并测量，相互之间不干扰，也即这些空心探针在旋转一周期内都实现了相应位置的光斑测量，这种协同测量实现了各空心探针“同时”对各相应位置的光斑分布进行了测量。

所述的多空心探针光斑测量设备中，单个空心探针结构示意图如4所示，主要由探针、小孔、转台等构成，其中关键器件是进行光斑测试取样的小孔，根据应用需要其直径大小一般为十微米量级，空心探针通过时间选通等方式选择测试区域。

所述的数据处理设备中，能对各位置的光斑进行采集，采集后的光斑图样经过处理后得到待测激光光束质量M²，最后存储并显示，处理流程如下：

通过图像处理后得到各位置处的光斑能量分布，然后采用多项式拟合的方法得到激光的光束质量M²。具体处理流程如下：

将空心探针初始化设置后，使其每个空心探针采集到对应位置的待测光束(聚焦光束)的光斑图样，定义光束传播的方向为z轴，以每个光斑中心为原点的光斑图样平面为xy平面。

对于高斯分布或类高斯分布的激光束，定义激光束x方向光束宽度为d_x(z)、y方向光束宽度为d_y(z)，其值通过下面公式求解：

其中，E(x,y,z)为光束的光强分布，为光斑中心：

用二阶矩法计算x方向和y方向上的光束宽度d_x(z)和d_y(z)为：

d_x(z)＝4σ_x(z)

d_y(z)＝4σ_y(z)

通过上述公式和数据处理即可得到不同位置z与相应位置的光束宽度d_x(z)、d_y(z)值，计算光束质量M²的多项式拟合方法如下：

将上面数据处理得到每个位置的z与相应位置光束宽度d_x(z)、d_y(z)值(n组数据)带入下面的公式：

得到一系列方程组，通过最小二乘法或者奇异值分解法求得系数A_x、B_x、C_x，A_y、B_y、C_y，从而得到实际光束的束腰位置Z_0x、Z_0y，束腰宽度d_0x、d_0y以及光束质量M_x ²、M_y ²、M²：

由上可得，本发明的测量流程如下：

1、调节光路，并进行初始化设置，使得多空心探针的间距和测量范围等保持合适值，能对待测光束进行有效测量；

2、多空心探针对相应位置的光斑分布进行测量；

3、通过数据处理得到光束质量M²。

本发明的技术方案，核心是基于空心探针原理利用多空心探针对聚焦光束附近不同位置的光斑分布进行测量，各空心探针保持相对恒定，相互之间不干扰，能“同时”对各相应位置的光斑分布进行测量，最后通过多项式拟合计算得到光束质量M²，测试时间短，光学元件少，结构简单，易于实现，为高功率连续激光光束质量M²测量提供了行之有效的快速测量方法。

实施例1

待测激光器为准直输出的光纤激光器，输出功率约为1000W；所采用的透镜为平凸透镜(融石英)，焦距f＝502mm，聚焦光斑的峰值功率密度约为1MW/cm²量级；多空心探针光斑测量设备的z轴行程为200mm，使得导轨100mm处位置与平凸透镜距离约500mm；单个空心探针的最大测量范围为8mm×8mm(可选择为更小测试范围)，像素选择为64×64，其最大承受功率密度约为8MW/cm²。

采用图1所示的光路搭建测试装置，首先进初始化设置，主要有设置各空心探针对应z轴位置、各空心探针的测试范围和转速以及灵敏度等参数，保证其符合测试测试要求：测试面n个且等间距，n＝11，测试z轴范围超过束腰两倍瑞利距离，束腰一倍瑞利距离内不少于5个测试面。

初始化完毕后，直接测试出各位置z处的光斑直径d，d-z测试数据如下所示：

表1 d-z测试数据记录表

z/mm	d/mm
		65.1	0.792
72.4	0.659
		79.7	0.532
87	0.418
		94.3	0.329
101.6	0.290
		108.9	0.320
116.2	0.404
		123.5	0.516
130.8	0.641
		138.1	0.774

通过数据处理和多项式拟合得到图5，光束质量M²＝4.21。

初始化完毕后开始测试，只需要约10s测试时间即采集并处理完数据，得到光纤激光器输出1000W时的光束质量M²＝4.21(一般采用FM120需要时间约为180s)。

采用本专利提出的方法，测试装置中光学元件少，测试时间短，结构简单。实施例中能直接对1000W的光纤激光束进行光束质量测量，所需时间约为10s，因此，本发明能够快速地对高功率连续激光光束质量M²进行测试。

实施例2

和实施例1类似，待测激光器保持一致，测量方法保持一致，测量装置中只是将聚焦透镜焦距变为f＝800mm，经过初始化后，测试出d-z测试数据：

表2 d-z测试数据记录表

z/mm	d/mm
		9	1.250
27.5	1.039
		46	0.839
64.5	0.658
		83	0.519
101.5	0.464
		120	0.516
138.5	0.659
		157	0.838
175.5	1.028
		194	1.238

通过数据处理和多项式拟合得到光束质量M²＝4.23。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种测量高功率连续激光光束质量的装置，其特征在于，包括聚焦透镜、多空心探针光斑测量设备和数据处理设备；

所述聚焦透镜为长焦透镜，用于将待测准直光束变为聚焦光束并投射至测试区域；所述多空心探针光斑测量设备，用于测量测试区域的光斑分布；所述数据处理设备用于对光斑分布数据进行处理得到光束质量；

所述多空心探针光斑测量设备包括多个空心探针、导轨和控制电路，多个空心探针置放于导轨上，探针能在导轨上进行平移，控制电路用于控制空心探针的运转，使得多个空心探针在高速旋转时保持相对位置不变。

2.根据权利要求1所述的测量高功率连续激光光束质量的装置，其特征在于，利用所述导轨将所述多个空心探针沿光轴方向排布，各空心探针之间角度不同且不会相互干扰。

3.根据权利要求1或2所述的测量高功率连续激光光束质量的装置，其特征在于，所述空心探针包括探针、小孔和转台，小孔位于探针顶部，探针固定于能进行旋转和平动的转台上。

4.根据权利要求1或2所述的测量高功率连续激光光束质量的装置，其特征在于，所述数据处理设备包括：

光束宽度计算模块，用于计算x方向和y方向上的光束宽度dx(z)和dy(z),其中,d_x(z)＝4σ_x(z)，d_y(z)＝4σ_y(z)，其中，z为光束传播方向的位置变量，σ_x(z)的物理含义为z位置处垂直于光轴的xy平面中光强在x方向的分量，σ_y(z)的物理含义为z位置处垂直于光轴的xy平面中光强在y方向的分量，满足 为光斑中心位置，(x,y,z)为传播位置z处的垂直于光轴的xy平面的坐标，E(x,y,z)为传播位置z处的光束的光强分布；

光束质量拟合模块，用于将不同位置z与相应位置的光束宽度d_x(z)、d_y(z)值代入公式：d_x(z)²＝A_x+B_xz+C_xz²，d_y(z)²＝A_y+B_yz+C_yz²得到一系列方程组，通过最小二乘法或者奇异值分解法求得系数A_x、B_x、C_x，A_y、B_y、C_y，从而得到实际光束的束腰位置Z_0x、Z_0y，束腰宽度d_0x、d_0y以及x向的光束质量M_x ²、y向的光束质量M_y ²、平均光束质量M²：