CN107084690A - 一种利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法 - Google Patents

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/28—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring areas

Abstract

本发明属于激光技术领域，公开了一种利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法，包括：飞秒激光器发出激光束，在经过位于飞秒激光器右侧的第一望远镜系统之后激光束被准直扩束，再次经过右侧的第二望远镜系统后再次扩束；两次扩束后的激光束经过分光器件，将激光束分为激光束A和激光束B，激光束A、B作为信号光传输给计算机；计算机接收到第一CCD和第二CCD的信号，并进行归一化处理，得出角锥棱镜有效面积的测试值。本发明具有灵活性好、精准度高、稳定性好等优点。

Description

一种利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法。
背景技术
角锥棱镜是一种高精度的光学元件，被广泛应用于光电测距的合作目标、激光通信和光学变换领域。它用三个90°角回射入射光束，当一束平行光垂直于大面入射，依次经过三个直角反射面的反射后，从与入射方向相反的方向出射，但是随着入射光束与大面夹角的改变，反射后出射光束的能量也随之发生变化。这是由于角锥棱镜存在有效面积的问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有技术，没有分析由于角锥棱镜存在有效面积的问题，使反射后出射光束的能量发生变化；不能分析实时测量角锥棱镜实际有效面积随入射角度的变化规律；而且现有技术不能提高角锥棱镜的使用效率，不能对实际应用中如何得到角锥棱镜的最大有效作用范围提供依据。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法。
本发明是这样实现的，一种利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法，所述利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法包括以下步骤：
飞秒激光器发出激光束，在经过位于飞秒激光器右侧的第一望远镜系统之后激光束被准直扩束，再次经过右侧的第二望远镜系统后再次扩束；
两次扩束后的激光束经过分光器件，将激光束分为激光束A和激光束B，激光束A作为信号光通过分光器件继续传输，经过一个1/4波片后，再经过角锥棱镜后，沿原路反射至1/4波片后经过分光器件反射至第一聚焦透镜；由第一CCD接收自第一聚焦透镜的光束，并传输给计算机；
激光束B作为探测光由分光器件反射至第二聚焦透镜，第二CCD接收第二聚焦透镜的光束，并传输给计算机；
计算机接收到第一CCD和第二CCD的信号，并进行归一化处理，得出角锥棱镜有效面积的测试值。
进一步，对于角锥棱镜，当入射光线垂直于底面入射时，相应的出射点与入射点相同，但当入射光线倾斜于底面入射时，出射点位置使入射点位置发生偏移；使有效反射面积减少。
进一步，当入射光线以一定倾角射向大面时，其倾角大小用(Φ，θ)表征，其中Φ是入射光线与棱镜大面发现之间的夹角，θ是入射光线天顶角在XY面内投影；
根据Snell定律得到在棱镜内的折射角Φ‘为：
式(1)中n为角锥棱镜的折射率，而此时的棱镜有效反射区的中心O‘,O‘’将沿θ角方向分离；
根据几何关系，计算得两者分开距离为：
D＝2Ltan(Φ′)(2)，
式(2)中L为角锥棱镜的高度；入射孔径与出射孔径不再相互平行，两者间夹角为Φ；
综合上述，得角锥棱镜有效面积S为：
从式(3)得出，随着方位角的增加，有效面积随入射角增大而减少的速度很快，使得方位角为0，有助于提高角锥棱镜的使用效率。
进一步，在测量过程中，所述计算机同时读取第一CCD和第二CCD的数值，取其比值再进行归一化处理；设定入射角为0时的比值为1，随入射角不同，比值有不同的变化。
本发明的优点及积极效果为：
本发明提供一种可测量角锥棱镜实际实用面积的测量光路，可实时测量角锥棱镜实际有效面积随入射角度的变化规律。
本发明完全满足了角锥棱镜有效面积随入射角的增大而减少的理论基础。特别地，本发明使用飞秒激光作为光源，飞秒激光具有高能量、高相干性，在测量过程中由于激光束呈现高斯光束形式分布，中间处占有总能量的大部分，有效面积的减少从边缘开始的，变化较为缓慢，同时，随着入射角变大，有效面积的变化越来越靠近中心区，能量的变化率也越来越大。这说明采用飞秒激光束作为光源对提高角锥棱镜的使用效率影响显著。
本发明具有灵活性好、精准度高、稳定性好等优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法流程图。
图2是本发明实施例提供的利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量系统示意图。
图中：1、飞秒激光器；2、第一望远镜系统；3、第二望远镜系统；4、分光器件；5、1/4波片；6、角锥棱镜；7、第一聚焦透镜；8、第一CCD；9、第二聚焦透镜；10、第二CCD；11、计算机。
图3是本发明实施例提供的两光线中心点距离示意图。
图4是本发明实施例提供的棱镜有效面积示意图。
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。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法，包括以下步骤：
S101：一束飞秒激光由飞秒激光器发出，经过第一组望远镜系统准直扩束，再经过第二组望远镜系统准直扩束，经过扩束后的光束直径需稍大于测试中角锥棱镜的口径；
S102：光束通过一个分光器件，使得激光束分成两束激光，分别为激光束A与激光束B，激光束A作为信号光通过分光器件继续传输，经过一个1/4波片后，再经过角锥棱镜后，沿原路反射至1/4波片后经过分光器件反射至第一聚焦透镜，由第一CCD接收自第一聚焦透镜的光束，并传输给计算机；
S103：激光束B作为探测光由分光器件反射至第二聚焦透镜，第二CCD接收第二聚焦透镜的光束，并传输给计算机；
S104：计算机接收到第一CCD和第二CCD的信号，并进行归一化处理，得出角锥棱镜有效面积的测试值。
如图2所示，本发明实施例提供的利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量系统，包括：飞秒激光器1、第一望远镜系统2、第二望远镜系统3、分光器件4、1/4波片5、角锥棱镜6、第一聚焦透镜7、第一CCD 8、第二聚焦透镜9、第二CCD 10、计算机11。
下面结合计算结果对本发明作进一步描述。
对于角锥棱镜，当入射光线垂直于底面入射时，相应的出射点与入射点相同，但当入射光线倾斜于底面入射时，出射点位置将较入射点位置发生偏移。导致有效反射面积减少。
当入射光线以一定倾角射向大面时，其倾角大小可用(Φ，θ)表征，其中Φ是入射光线与棱镜大面发现之间的夹角，θ是入射光线天顶角在XY面内投影。
如图3，显示了光束在经过大面折射后，光束示意图，此时，根据Snell定律可得在棱镜内的折射角Φ‘为：
式(1)中n为角锥棱镜的折射率，而此时的棱镜有效反射区的中心O‘,O‘’将沿θ角方向分离，如图4所示。
根据几何关系，可计算得两者分开距离为：
D＝2Ltan(Φ′)(2)
式(2)中L为角锥棱镜的高度。入射孔径与出射孔径不再相互平行，两者间夹角为Φ。
综合上述，可得角锥棱镜有效面积S为：
从式(3)可以得出结论，随着方位角的增加，有效面积随入射角增大而减少的速度很快，故而使得方位角为0，有助于提高角锥棱镜的使用效率。
结合理论推导，本发明实施例提供的的利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法，在测量过程中，同时读取第一CCD和第二CCD的数值，取其比值再进行归一化处理，设定入射角为0时的比值为1，随入射角不同，比值有不同的变化。
本发明完全满足角锥棱镜有效面积随入射角的增大而减少的理论基础。
本发明使用飞秒激光作为光源，飞秒激光具有高能量、高相干性，在测量过程中由于激光束呈现高斯光束形式分布，中间处占有总能量的大部分，有效面积的减少从边缘开始的，变化较为缓慢，同时，随着入射角变大，有效面积的变化越来越靠近中心区，能量的变化率也越来越大。这说明采用飞秒激光束作为光源对提高角锥棱镜的使用效率影响显著。
下面结合工作原理对本发明作进一步描述。
本发明实施例提供的飞秒激光器1发出激光束，在经过位于飞秒激光器右侧的第一望远镜系统2之后激光束被准直扩束，再次经过右侧的第二望远镜系统3后再次扩束。两次扩束后的激光束经过分光器件4，将激光束分为激光束A和激光束B，激光束A作为信号光通过分光器件继续传输，经过一个1/4波片5后，再经过角锥棱镜6后，沿原路反射至1/4波片后经过分光器件反射至第一聚焦透镜7，由第一CCD 8接收自第一聚焦透镜7的光束，并传输给计算机11。激光束B作为探测光由分光器件反射至第二聚焦透镜9，第二CCD 10接收第二聚焦透镜9的光束，并传输给计算机11。
计算机接收到两个CCD的信号，并进行归一化处理，得出角锥棱镜有效面积的测试值。
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)

1.一种利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法，其特征在于，所述利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法包括以下步骤：
飞秒激光器发出激光束，在经过位于飞秒激光器右侧的第一望远镜系统之后激光束被准直扩束，再次经过右侧的第二望远镜系统后再次扩束；
两次扩束后的激光束经过分光器件，将激光束分为激光束A和激光束B，激光束A作为信号光通过分光器件继续传输，经过一个1/4波片后，再经过角锥棱镜后，沿原路反射至1/4波片后经过分光器件反射至第一聚焦透镜；由第一CCD接收自第一聚焦透镜的光束，并传输给计算机；
激光束B作为探测光由分光器件反射至第二聚焦透镜，第二CCD接收第二聚焦透镜的光束，并传输给计算机；
计算机接收到第一CCD和第二CCD的信号，并进行归一化处理，得出角锥棱镜有效面积的测试值。
2.如权利要求1所述的利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法，其特征在于，对于角锥棱镜，当入射光线垂直于底面入射时，相应的出射点与入射点相同，当入射光线倾斜于底面入射时，出射点位置使入射点位置发生偏移。
3.如权利要求1所述的利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法，其特征在于，当入射光线以一定倾角射向大面时，其倾角大小用(Φ，θ)表征，其中Φ是入射光线与棱镜大面发现之间的夹角，θ是入射光线天顶角在XY面内投影；
根据Snell定律得到在棱镜内的折射角Φ‘为：
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式(1)中n为角锥棱镜的折射率，而此时的棱镜有效反射区的中心O‘,O‘’将沿θ角方向分离；
根据几何关系，计算得两者分开距离为：
D＝2Ltan(Φ′) (2)
式(2)中L为角锥棱镜的高度；入射孔径与出射孔径不再相互平行，两者间夹角为Φ；
综合上述，得角锥棱镜有效面积S为：
<mrow> <mi>S</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>&amp;theta;L</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <msqrt> <mrow> <mn>2</mn> <msup> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
从式(3)得出，随着方位角的增加，有效面积随入射角增大而减少的速度很快，使得方位角为0。
4.如权利要求1所述的利用飞秒激光进行角锥棱镜有效面积的测量方法，其特征在于，在测量过程中，所述计算机同时读取第一CCD和第二CCD的数值，取其比值再进行归一化处理；入射角为0时的比值为1，随入射角不同，比值有不同的变化。
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