CN107421637A - 基于ccd探测的扭曲光束表征仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光扭曲特性的测量技术。包括步骤：（1）通过CCD采集待测光源至少10个z位置处的光斑图；（2）对步骤（1）采集得到的光斑图通过计算机处理计算得到待测光源在实验室坐标系下的M ²因子和M ⁴因子：M _x ²、M _y ²、M _xy ⁴；（3）通过计算机系统将去除背景噪声的光斑图旋转θ角，再按步骤（2）获得旋转后的M ²因子和M ⁴因子：M _x1 ²、M _y1 ²、M _x1y1 ⁴；（4）将获得的M ²因子和M ⁴因子通过计算机进行曲线绘制；（5）通过步骤（4）获得的曲线图，计算得到被测光源的Q_ZF、t_ZF值。本发明通过两个新定义的参数Q_ZF、t_ZF分别对光束的传输特性和扭曲特性进行了表征，能够对扭曲光束进行更全面的评价。

Description

基于CCD探测的扭曲光束表征仪

技术领域

本发明涉及一种激光扭曲特性测量技术，特别涉及一种基于CCD探测的、波长不限的、激光模场类型不限的激光扭曲特性测量的新方法及装置，属于光学检测技术领域。

背景技术

激光光束质量是衡量激光光束优劣的一项重要参数，对于激光的研究和应用具有非常重要的意义。上世纪九十年代初，Siegman提出采用M ²因子描述激光光束质量，这一建议被国际标准化组织所采纳，并于1991年公布了基于这一建议的ISO/TC172/SC9/WG1标准草案。2005年，国际标准化组织公布了最新版本的M ²因子测量标准（ISO11146）。

M ²因子描述的是实际光束与理想基模高斯光束的差别，其测量和计算基于光束束宽的测量值。但是对于非旋转对称光束，即像散光束，只使用M _x ²和M _y ²来评价激光束是不全面的，因为当光束发生旋转时，M _x ²和M _y ²将会发生变化，这对光束质量评价带来了不确定性。为了解决这一问题，有研究提出采用M ²矩阵来描述激光的光束质量，当光束相对于坐标系旋转一定角度时，仅需要将M ²-矩阵通过矩阵旋转操作就可得到在新的方位角下的光束质量M ²参数。在进一步的研究中我们发现，实际激光器中采用的谐振腔通常为非旋转对称腔，尤其是高功率板条激光器，输出口径是长条形的，且谐振腔参数在板条宽度方向和厚度方向也是不同的，这导致了谐振腔中的振荡模式在这两个方向上按不同束宽基模展开，致使M ²矩阵不再满足矩阵旋转操作。对实际激光束来说，其光束质量不能孤立地采用一个M ²或M _x ²和M _y ²来描述，应从光束整体上考虑。

为了解决上述问题，本专利申请的发明人在M ²参数和M ⁴参数及曲线基础上提出了采用Q_ZF来描述光束传输特性，采用扭曲系数t_ZF表征光束的像散特性。

M²因子矩阵定义为：

其中，M _x ²、M _y ²分别为实验室坐标系下x、y方向上的M ²因子。M _xy为表征光斑主轴与实验室坐标系相对位置信息的交叉项。通过旋转矩阵，可获得光斑主轴与实验室坐标系成任意角度时实验室坐标系下的M _x ²、M _y ²和M _xy值。

而M ⁴参数定义为：

其中，λ为激光光束的波长，w _0x、w _0y、w _0xy和w _0r分别表示激光光束在x方向、y方向、交叉项和r径向的束腰半宽，θ _x、θ _y、θ _xy和θ _r分别表示激光光束在x方向、y方向、交叉项和r径向的远场发散半角。通过旋转矩阵，可以获得在不同实验室坐标系下的M ⁴参数，并绘制M ⁴曲线。

在M ⁴参数及曲线的基础上，提出了采用Q_ZF来描述光束传输特性，采用t_ZF来表征光束的扭曲特性。其中Q_ZF用来表示激光光束质量，Q_ZF参数的值越大，激光光束的质量越好，最大值为1；t_ZF用来表示激光光束的扭曲特性，t_ZF的值越小，激光光束的扭曲度越小，光束传输质量越好，最小值为0。

同时也提出了一种测量激光扭曲特性的测量装置，该装置结构简单，易于操作。

发明内容

本发明的目的提出一种基于CCD探测的、波长不限的、激光模场类型不限的激光扭曲特性测量的新方法及装置；该方法是通过在M⁴参数及曲线的基础上，利用Q_ZF描述光束传输特性，利用t_ZF描述光束的扭曲特性。同时也提供了一种测量激光像散各参数的测量装置，利用电动平移台在光束传输方向控制CCD移动对不同传输位置处的激光光斑进行采集，再通过计算机系统对采集得到的图像进行处理并获得该激光光束的像散参数。实现该方法的装置其结构简单，稳定可靠。

为实现本发明的上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

定义π除以M曲线包围的面积为Q_ZF参数，即M _x ²(θ)随θ变化曲线的平均值（见图2）：

(1)

其中，M _x ²(θ)为实验室坐标系下x方向上的M ²因子，θ为被测激光光斑主轴与实验室坐标之间的角度。

定义扭曲系数t_ZF：

t_ZF=min(w ₁,w ₂)(2)

其中w ₁为M _xy ²(θ)随θ变化曲线的极大值的绝对值，w ₂为M _xy ²(θ)随θ变化曲线的极小值的绝对值（见图3），t_ZF为两者中的最小值。

本发明基于CCD探测的激光扭曲特性测量装置，包括待测光源、衰减滤波系统、聚焦透镜、光斑采集系统以及计算机系统；所述衰减滤波系统包括衰减片和滤波器组成；所述光斑采集系统包括CCD和电动平移台组成；所述CCD固定在电动平移台上，CCD和电动平移台均连接计算机系统；按照光路描述，来自待测光源发出的光经过衰减滤波系统进行激光光强的衰减和滤波；再经过聚焦透镜进行光束的聚焦，由光斑采集系统对输出激光传输方向各位置处的光斑进行采集，由计算机系统对采集获得的光斑图进行处理和分析。

上述技术方案中，所述三维电控平移台的分辨率至少为0.00025mm。

上述技术方案中，所述采集激光传输方向各位置点光斑图至少10个位置，且其中有一半位于瑞利距离以内。

本发明与现有技术相比具有以下特点和有益技术效果：

1、由于t_ZF和Q_ZF是描述激光光束扭曲特性的一种新的评价方法，因而本发明所述激光光束扭曲参数t_ZF和Q_ZF的测量方法是一种全新的技术方案，为激光光束扭曲特性的评价提供了技术支持；

2、由于采用CCD测量被测激光的光斑，采用计算机处理数据，因而本发明所述激光光束扭曲参数t_ZF和Q_ZF测量装置测量时间短，使用简单，操作方便。

附图说明

图1是本发明基于CCD探测的激光扭曲特性测量装置的结构示意图

图中，1-待测光源、2-衰减滤波系统、3-衰减片、4-滤波器、5-聚焦透镜、6-光斑采集系统、7-CCD、8-电动平移台、9-计算机系统

图2是扭曲光束M _x ²(θ)随θ变化曲线的示意图

图3是M _xy ²(θ)随θ变化曲线的示意图

图4是被测扭曲光束在不同光程处的24个光斑图

具体实施方式

下面结合附图，并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而不应理解为是对本发明保护范围的任何限定。

本发明基于CCD探测的激光像散测量装置，其结构如图1所示，包括待测光源1、衰减滤波系统2、聚焦透镜5、光斑采集系统6、计算机系统9；其中衰减滤波系统2由衰减片3和滤波器4组成；光斑采集系统6由CCD7和电动平移台8组成。按照光路描述，来自待测光源1发出的光经过衰减滤波系统2进行激光光强的衰减和滤波；再经过聚焦透镜5进行光束的聚焦，由光斑采集系统6对输出激光传输方向各位置处的光斑进行采集，由计算机系统9对采集获得的光斑图进行处理和分析。

实施例

本实例中，对扭曲高斯光束进行测量；其测量装置如图1所示的结构。所用待测光源1是通过双柱透镜对波长为632.8nm的氦氖激光进行变化得到的扭曲高斯光束，所述衰减滤波系统2中的衰减片3采用Union optic公司的T=50%，直径25.4mm的中性密度滤波片，滤波器4采用的是Thorlabs公司型号为FGS900M的带通彩色玻璃滤光片，主要是为了滤去红外和紫外光线，聚焦透镜3的焦距为f=30mm，所述光斑采集系统6中的CCD7采用的是北京微视新纪元科技有限公司型号为MVC-Ⅱ-1MM的1280×1024的面阵CCD相机，电动平移台采用的是Thorlabs公司型号为LTS300(/M)的二维电动平移台，计算机系统9为PC计算机。按照图1所示的光路安装连接好各元器件，其测量步骤如下：

（1）在待测光源1工作前，利用光斑采集系统6采集背景帧图像，多帧平均得到本底帧信息，统计得到噪声均方根值，采集帧数应不少于10帧；

（2）当待测光源1工作后，利用光斑采集系统6测量待测光源1在不同位置处的光斑图，每一个测量位置上, 都需要测量多次, 以降低随机误差的影响；在整个测量过程中，应保证CCD7的测量是在线性范围内进行；

（3）在整个测量过程中，聚焦透镜5固定，通过电动平移台8移动CCD7的位置，至少有10个z位置的光斑分布，其中有一半位于瑞利距离以内，得到不同光程处的24个光斑图（见图4）；

本发明数据采集及处理流程如下：

（1）去除光斑图的背景噪声，计算其二阶矩（二阶矩的计算见ISO11146），得到被测激光在不同位置处的束宽平方；

其中，

(3)

(4)

（2）根据待测光源1不同传输位置处的束宽及所对应的位置z，采用最小二乘法进行拟合，得到待测光源1在该实验室坐标系下的M ²因子和M ⁴因子：M _x ²、M _y ²、M _xy ²；

（3）通过计算机系统将去除背景噪声的光斑图旋转θ角（光斑图旋转可见《数字图像处理学》，阮秋慧编著，2001年01月第1版，电子工业出版社），θ选取5°，然后计算其二阶矩，并通过最小二乘拟合，得到待测光源1在旋转后的M ²因子和M ⁴因子；

（4）在步骤（3）的基础上，将θ每次增加5°，一直到360°，得到待测光源1在不同旋转角度θ下的M ²因子和M ⁴因子；

（5）将获得的不同旋转角度θ下的M ²因子和M ⁴因子进行曲线绘制；

（6）通过步骤（5）绘制的曲线图，得到相应的w ₁和w ₂，计算得到激光光束的Q_ZF、t_ZF值。

Claims (5)

1.一种激光扭曲特性的测量技术，其特征在于采用新定义的两个参数Q_ZF、t_ZF对光束的扭曲特性进行表征，步骤如下：

S101通过CCD采集待测光源至少10个z位置处的光斑图；

S102对S101采集得到的光斑图通过计算机处理计算得到待测光源在实验室坐标系下的M²因子和M⁴因子：M _x ²、M _y ²、M _xy ⁴；

S103通过计算机系统将去除背景噪声的光斑图旋转θ角，再按S102获得旋转后的M²因子和M⁴因子：M _x1 ²、M _y1 ²、M _x1y1 ⁴；

S104将获得的M ²因子和M ⁴因子通过计算机进行曲线绘制；

S105通过S104获得的曲线图，计算得到被测光源的Q_ZF、t_ZF值。

2.根据权利要求1所述一种激光扭曲特性测量技术，其特征在于定义了描述光束传输特性的参数Q_ZF：

其中，M _x ²为实验室坐标系下x方向上的M ²因子，θ为被测激光光斑主轴与实验室坐标之间的角度，即M _x ²(θ)随θ变化曲线的平均值。

3.根据权利要求1所述一种激光扭曲特性测量技术，其特征在于定义了描述光束扭曲特性的参数t_ZF：

t_ZF=min(w ₁,w ₂)

其中，M _xy ²(θ)随θ变化曲线的极大值的绝对值为w ₁，极小值的绝对值为w ₂，即w ₁和w ₂两者中的最小值。

4.根据权利要求1所述一种激光扭曲特性测量技术，其特征在于所述激光的波长不限、模场类型不限，只要在探测CCD的探测范围内。

5.根据权利要求1-4所述一种激光扭曲特性测量技术，其特征在于所述光束扭曲特性的测量对于判定激光是否是扭曲光束具有明显指导作用，即t_ZF＞0为扭曲光束，否者为简单像散光束或无像散光束。