CN107607195A - 一种基于复振幅实时获取的光束质量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于复振幅实时获取的光束质量测量方法，包括：采集光强图像；对采集得到的光强图像进行边缘采样建立噪声图像并与采集的光强图像做差后进行两次中心对准，得到光斑中心位于图像几何中心的光强图像；将光强图像代入光强传输方程公式求解相位，利用复振幅与光强、相位的关系获得复振幅；利用衍射传输公式获得传输光轴上除原始复振幅位置外的位置的复振幅和对应虚拟光强图像，再求取这些虚拟光强图像的光束束宽；用二次曲线公式拟合传输位置与光束束宽的关系，拟合得到二次曲线系数，根据二次系数与光束质量参数关系求取光束质量参数。

Description

一种基于复振幅实时获取的光束质量测量方法

技术领域

本发明涉及一种光束质量测量技术，特别是一种基于复振幅实时获取的光束 质量测量方法。

背景技术

随着激光技术及其相关领域的不断的发展，各个行业对高功率激光的需求也 不断的增强。高功率激光在其应用领域最重要的光束特性是其聚焦特性，聚焦光 斑越小，能量密度越高，越有利于生产和加工。而光束质量又是影响激光聚焦的 最重要的参数指标之一。所以光束质量的优劣也会直接影响高功率激光的作业水 平。在实际工作中高功率激光的光束质量也会随功率的变化、环境温度增减等因 素产生变化，所以实时对光束质量进行监控对于激光作业的工作安全也显得至关 重要。

提出一种复振幅实时测量的方法获取光束质量参数的方法，其优点是可以实 时获取光束质量数据，系统较小，抗干扰性强。造价低廉，避免了传统实时测量 方法(例如波前传感器)的昂贵。结构简单不易损坏。

复振幅实时恢复(或测量)是测量光束质量因子广泛采用的方法，常用的获 取复振幅的方法有直接法与间接法，直接法一般通过微透镜阵列或利用四波剪切 技术获取梯度量或剪切量进而计算得到复振幅。H-S波前传感器是传统的探测复 振幅的仪器也可以用来实时测量光束质量，用一个微透镜阵列将待测光波场聚焦 为一系列点阵，通过测量这些点阵相对于参考规则间距点阵(理想无像差情况) 的位移量，获得待测波场的相位梯度(一般称为波前的斜率)，经过积分即可得 到相位(复振幅)。波前传感器分辨率普遍较低(一般为100×100)导致对应光束 尺寸较小检测精度受到影响。同时波前传感器造价高昂损伤阈值较低，在用于高 能光束的测试中，容易造成损坏。间接法由于算法复杂程度较高，在实际系统中 较为少见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于复振幅实时获取的光束质量测量方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于复振幅实时获取的光束质量测量方 法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集光强图像A1、A2；

步骤2，对采集得到的光强图像A1、A2进行边缘采样建立噪声图像B1、 B2并与采集的光强图像A1、A2做差后进行两次中心对准，得到光斑中心位于 图像几何中心的光强图像C1、C2；

步骤3，将光强图像C1、C2代入光强传输方程公式求解相位，利用复振幅 与光强、相位的关系获得复振幅；

步骤4，利用衍射传输公式获得传输光轴上除原始复振幅位置外的位置的复 振幅和对应虚拟光强图像，再求取这些虚拟光强图像的光束束宽。

步骤5，用二次曲线公式拟合传输位置与光束束宽的关系，拟合得到二次曲 线系数，根据二次系数与光束质量参数关系求取光束质量参数。

本发明解决了传统光束质量实时测量硬件系统要求高，对准难度大，成本高 的问题，能够探测束宽较小的光束，可获得与理想实验一致的结果。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明的测量模型的光路示意图。

图2为本发明基于复振幅实时获取的光束质量测量方法及装置的流程图。

具体实施方式

结合图2，一种基于复振幅实时获取的光束质量测量方法，包括以下步骤：

步骤一、采集光强图像

结合图1设置测量光路，开启CCD4、CCD 5电源，打开测量软件在区域10 选用好硬件型号匹配的CCD。将(激光、LED等光源的)光束调节正入射至系 统。输入系统的光束经变换透镜1，被分光棱镜2分束后分别直接和经反射镜3 镜像变换后到达CCD 4、CCD5靶面。观察到光斑图像后调节曝光参数避免过曝 光，点击采集键和计算键保存图像和计算光束质量参数值。

变换透镜将在光轴方向和垂轴方向进行压缩，以减小束腰宽度，加大光束发 散角的方法将原本测量所需的很长的轴向移动大大减小，实现了模块的小型化。 分光棱镜和反射镜的配合实现了光轴上多平面同时成像的作用，同时减小所需空 间。

步骤二、图像预处理：

光强恢复复振幅一般对杂散光和电噪声敏感度较高，使用叠加噪声的光强图 片求解会使相位分布出现畸变，最终导致求解出的光束质量值在某一方向或两个 方向产生偏差。除此之外，CCD的晕光效应(激光一般在CCD采集时会不可避 免的产生一种类似中央亮线的光晕)也会对测试结果产生影响，尤其是波长在近 红外波段的激光束。对该问题处理不当会使y轴方向上的光束质量因子由于低频 噪声产生很大的正向突变。由于光晕一般出现在光强图像y轴方向，对采用x 轴向边缘采样修正的方法，修正光晕产生的突变峰。通过对上一步骤得到的两幅 光强图片的边缘k行逐行进行采样均值后的展开与原图像进行相减，来去除中央 光晕的噪声，对于随机电噪声的产生很好的抑制效果。采集消除原理可以表示为

其中B为噪声图像，A为光强图像，m、n表示光强图像矩阵的行列数，A_i表示光强图像的第i行，one_mn是m×n元素为1的矩阵，A_ij是采集m×n的光强矩 阵。

消去噪声的图像在代入光强传输方程求解之前还需要首先保证两个光强图 像的中心是对准的，否则会引起错位效应。本发明通过一阶矩和二阶矩求解和剪 裁粗略对准中心，最小二乘法椭圆拟合求解圆心、长短轴二次剪裁来进行精对准。

步骤三、已知光强求取复振幅：

本发明对于利用光强信息求解复振幅使用了求解光强传输方程的方法，通过 强度梯度数值求解无需传统的衍射计算迭代减小了计算量大大加快了计算速度， 同时光路简单无需传统干涉法复杂的光路结构和参考光，更有利于结构小型化。 光强传输方程是一个二阶椭圆偏微分方程，阐述了平行于光轴方向上光强变化量 于垂直于轴上光波相位的定量关系：

其中I(x,y)表示待输入位置光强，k表示波数，φ(x,y)表示待求解位置相位。

该方程把轴向传输的光强和垂轴相位联系在一起，使通过光强信息计算相位 进而求解复振幅成为了可能。通过预处理(步骤二)消去噪声的两幅轴向传输光 强图像代入该方程的求解得到的相位与对应光强信息做如下变换即可求得复振 幅：

U(x,y)＝I(x,y)+iφ(x,y)

其中，i为虚数单位。

步骤四、求取轴向不同位置束宽：

由于某一位置的束宽可由垂轴横向光斑强度图像中获取，所以首先要获得轴 向传输各个位置的光强信息。由上一步骤获得轴向位置的复振幅，根据衍射传输 规律(角谱衍射积分方法)求得传输其他位置的复振幅。由于光束质量的测量只 需要其中的振幅信息，所以取复振幅实部的平方项即位所需光强信息。

式中I_z0(x,y)是距离复振幅U₀位置距离为z₀处的光强分布，U₀(x,y)表示光 强传输方程求得的复振幅，i表示虚数单位，k表示波数，z₀表示与U₀(x,y)平面 对应在光轴上的距离，x、y表示垂直光轴的二维坐标。z₀取2倍z_R内的十个点 (ISO1146)。

传统上测量光束质量多采用CCD在光束束腰附近进行步进式成像，分别分 析成像光束X,Y方向的光束尺寸。本方法采用测量一个位置复振幅然后通过衍 射传输方法求取束腰附近虚拟光斑和对应的光束X,Y方向光束尺寸。经对比与 实际测量相符。

所以将得到的十个不同位置的光强图像通过二阶矩方法求取其光斑x与y 方向的大小，求取方法如下：

首先对光强图像求取一阶矩：

然后利用一阶矩求取光强图像的二阶矩：

光斑X,Y方向上的半径可以用二阶矩表示如下：

步骤五、求取光束质量参数：

由于激光光束传输成高斯函数型，轴向上光束尺寸成二次曲线变化，所以将 上一步骤所得的光束半径W_z与其对应的位置z一起带入二次曲线拟合公式求得 二次曲线系数：A、B、C。

w²＝Az²+Bz+c

二次曲线是表征光束传输轴向距离与对应距离位置的横向光束口径的关系 的曲线。

M²因子被称为光束质量因子或衍射极限因子，其定义为实际光束束腰与远 场发散角的乘积与理想光束束腰与远场发散角的比值。

光参数积BPP定义为激光光束束腰半径与发散角半角的乘积。

BPP＝w₀θ

光束质量K因子定义为M²因子的倒数。

由于M²因子、BPP、K因子的定义，可以把对这些光束质量参量的测量归 结为对光束束腰半径w以及远场发散角θ的测量：

比较可知，根据二次曲线公式，束腰位于二次曲线的唯一极值点，而远场发 散角则位于传输距离趋近于无穷时光束半宽度与传输距离的比值。

所以M²因子、BPP、K因子分别可以表征为：

其中，A、B、C为拟合得到的二次曲线系数，W(z)为光束束宽，z为除原 始复振幅位置外的位置，λ为光波长，π为圆周率。

实施例

步骤一、采集光强图像

开启CCD 4、CCD 5电源，打开测量软件在区域10选用Basler的CCD。将 波长为1070nm光纤激光器出射光束调节正入射至系统。输入系统的光束经变换 透镜1，被分光棱镜2分束后分别直接和经反射镜3镜像变换后到达baslerCCD 4、 baslerCCD 5靶面。观察到光斑图像后调节曝光参数11避免过曝光，点击采集键 8和计算键9保存图像和计算光束质量参数值。

步骤二、图像预处理：

对于采集尺寸为960×1280的光强图像，取第1～20行和940～960行做均值 的到一个行向量。然后以此行向量为模板建立一个尺寸为960×1280每一行与该 行向量相同的噪声图像。将原始图像与噪声图像做差后求取绝对值得到去噪后的 原始图像A和B。对采集到的两幅光强图像A与B各自求取一阶矩和二阶矩， 得到的图像A和图像B的x、y两个方向的一阶矩分别为525、510、465、642， 比较一阶矩与图像边缘距离找到最小值435，剪裁图像A₁的剪裁大小为A (190～960，75～945)，B₁的剪裁大小为B(30～900,307～997)类似地用最小二乘 法对椭圆拟合对粗剪裁的图像A₁、B₁求解圆心、长短轴二次剪裁来进行精对准， 求取的A₁、B₁圆心坐标分别为(438，509)，(447，510)，比较圆心与图像边缘 距离找到最小值360，剪裁图像A₂的剪裁大小为A₁(78～798，149～869)，B₂的 剪裁大小为B₁(87～807,150～870)，即可得到两个光斑中心位于图像几何中心的图 像。

步骤三、已知光强求取复振幅：

通过上述方法得到的两幅光强图像做差代入公式：

其中I(x,y)表示待输入位置光强，k表示波数，φ(x,y)表示待求解位置相位。 在非齐次Neumann边界条件下的快速求解相位，相位的计算公式为：

其中，φ(x,y)为光强传输方程求得的相位，I(x,y)表示光强图像C1，k表示波数，z为A1与A2采集位置在光轴方向的距离，为离散余弦变换的逆拉普拉斯算符，为离散余弦变换的梯度运算符。

求解得到的相位与对应光强信息做如下变换即可求得复振幅：

U(x,y)＝I(x,y)+iφ(x,y)

步骤四、求取轴向不同位置束宽：

由上一步骤获得轴向位置的复振幅U(x,y)代入衍射传输公式(角谱衍射积分 方法)求得传输其他位置的复振幅U₁(x,y)、U₂(x,y)...U₁₀(x,y)。复振幅实部的 平方项即为所需光强信息I₁(x,y)、I₂(x,y)...I₁₀(x,y)。对光强图像求取一阶矩、二 阶矩并利用其求取束宽.

可得x方向上每隔80mm传输距离上束宽W_x为：

2.65mm,1.41mm，0.99mm，0.62mm，0.36mm，0.26mm，0.34mm，0.56mm， 0.88mm，1.26mm,1.82mm。

y方向上每隔80mm传输距离上束宽W_y为：

1.76mm,1.40mm,0.97mm,0.60mm,0.33mm,0.21mm,0.31mm,0.55mm,0.87mm,1.23mm,1.54mm

步骤五、求取光束质量参数：

将上一步骤所得的光束半径W_x、W_y与其对应的位置z一起带入二次曲线拟 合公式求得二次曲线系数，根据系数可求得M²因子、BPP、K因子分别为：

M² _x＝1.2625；M² _y＝1.2466；BPP_x＝430nm；BPP_x＝424nm；K_x＝0.7921；K_y＝0.8022。

结合图1-图2，本实例用过一系列措施实现了光束质量参数的测量。最终求 得参数值与非实时测量仪器结果一致。表明该方法简单实用，实时性高。

Claims (8)

1.一种基于复振幅实时获取的光束质量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集光强图像A1、A2；

步骤2，对采集得到的光强图像A1、A2进行边缘采样建立噪声图像B1、B2并与采集的光强图像A1、A2做差后进行两次中心对准，得到光斑中心位于图像几何中心的光强图像C1、C2；

步骤3，将光强图像C1、C2代入光强传输方程公式求解相位，利用复振幅与光强、相位的关系获得复振幅；

步骤4，利用衍射传输公式获得传输光轴上除原始复振幅位置外的位置的复振幅和对应虚拟光强图像，再求取这些虚拟光强图像的光束束宽。

步骤5，用二次曲线公式拟合传输位置与光束束宽的关系，拟合得到二次曲线系数，根据二次系数与光束质量参数关系求取光束质量参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中边缘采样去噪声公式为

其中，B为噪声图像，A为光强图像，m、n表示光强图像矩阵的行列数，A_i表示光强图像的第i行，one_mn是m×n元素为1的矩阵。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中所述的中心对准方法过程在于：

对采集到的两幅光强图像B1与B2各自求取一阶矩和二阶矩得到一阶矩X1、X2、Y1、Y2和二阶矩σ_1X、σ_1Y、σ_2X、σ_2Y；

比较二阶矩大小找到最大的值，剪裁图像B1大小为(X1-σ_f，X1+σ_f，Y1-σ_f，Y1+σ_f)的B_1t，剪裁图像B2大小为(X2-σ_f，X2+σ_f，Y2-σ_f，Y2+σ_f)的B_2t，其中σ_f为二阶矩的最大值；

用最小二乘法对图像B_1t和B_2t的光斑椭圆求解圆心分别得到(X_c1，Y_c1)、(X_c2、Y_c2)、长轴(long1，long2)，短轴(short1，short2)，比较长短轴找到最大的值，剪裁图像B_1t大小为(X_c1-longf，X_c1+longf，Y_c1-long1，Y_c1+long1)的C1，剪裁图像B_2t大小为(X_c2-long1，X_c2+long1，Y_c2-long1，Y_c2+long1)的C2，其中axisf为长轴、短轴中的最大值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中光强传输方程为：

其中，φ(x,y)为光强传输方程求得的相位，I(x,y)表示光强图像C1，k表示波数，z为A1与A2采集位置在光轴方向的距离，为离散余弦变换的逆拉普拉斯算符，为离散余弦变换的梯度运算符。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中复振幅求取方法为：

U(x,y)＝I(x,y)+iφ(x,y)

其中，i为虚数单位。

6.根据权利要求1所述的步骤，其特征在于，步骤4中衍射传输公式为：

其中，U₀(x,y)表示光强传输方程求得的复振幅，i表示虚数单位，k表示波数，z₀表示与U₀(x,y)平面对应在光轴上的距离，x、y表示垂直光轴的二维坐标，表示待求的虚拟光强图像。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中求取该图像的光束束宽的具体过程为：

对衍射传输求得虚拟光强图像求取一阶矩

利用一阶矩求取光强图像的二阶矩

光斑xy方向上的半径用二阶矩表示如下

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5计算的相应参数有束腰尺寸w、远场发散角θ、M²因子、BPP、K因子；

其中，A、B、C为拟合得到的二次曲线系数，W(z)为光束束宽，z为除原始复振幅位置外的位置，λ为光波长，π为圆周率。