CN108287058A - 校正高功率激光器m2测量系统热形变的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置及方法，沿光路依次设置标准平晶、功率衰减平行平板、第一楔板反射镜、第二楔板反射镜、分光镜、波前探测器和动态干涉仪；第二楔板反射镜设置于第一楔板反射镜的反射光路上；分光镜设置于第二楔板反射镜的反射光路上；波前探测器设置于分光镜的透射光路上，动态干涉仪设置于分光镜的反射光路上。装置中标准平晶、功率衰减平行平板、第一楔板反射镜、第二楔板反射镜、分光镜上均镀有特定反射率的膜。本发明可以对高功率激光器M2测量系统中光学元件热形变带来的M2误差进行测量和去除，同时保证测量过程的高速，在高精度的测量中实现光束质量M2的动态测量。

Description

校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置及方法
技术领域
本发明涉及高功率激光器测量领域，具体涉及校正高功率激光器M2测量系 统热形变的装置及方法。
背景技术
近年来激光技术不断进步，高功率激光器发展迅猛，并迅速应用于工业和军 事等领域。在制造工业中，它可以作为高强度光源，用于切割、打孔、焊接等。 在军事领域可用于车载、舰载激光武器，也可作为激光武器的信标光源，并且在 光电对抗、激光制导和激光诱导核聚变等领域也有广泛应用。为衡量激光光束优 劣，要对激光光束质量进行评价，用以指导激光器生产和提供应用参考。针对不 同的激光应用，历史上科学家提出了各种各样的评价参数，比如：光束质量因子 M2，斯特列尔比，桶中功率，衍射极限因子β等。由于光束质量M2因子同时涵盖 了激光的近场及远场特性，相较其它定义方式，其已广泛被国际光学界所承认， 并由ISO国际标准化组织予以推荐。
对激光光束质量因子M2的测量，科学家们提出了各种各样的方法。有需要 一定测量时间的CCD多位置测量法、刀口法、液体透镜法等，也有许多动态的测 量方法，比如波前分析法，模式分解法，法布里-珀罗腔法等。
但在高功率激光器光束质量因子M2的测量过程中，测试光路中的光学元件 会由于激光照射产生热形变，进而带来波前畸变，这使得采用需要一定测量时间 的方法的计算结果必然有一定的误差，动态测量的方法又不能充分表明高功率激 光器本身的光束质量。
因此，对于高功率激光器的实时准确测量应更多考虑采用动态测量的方法， 同时，需要对动态测量中光学元件热形变对光束质量因子M2的影响进行测量计 算并去除。波前分析法是一种基于波前探测器的动态测量光束质量的方法，由波 前探测器复原待测激光复振幅，进而获取待测激光的波前和波前，光束质量因子 M2利用角谱理论进行计算，且计算过程严格按照ISO11146国际标准。对于光学 元件受激光照射热形变的影响，采用动态干涉仪进行测量，通过动态干涉仪实时 获取测试光路中的波前畸变，再经过分析计算，可以获得测试光路中热形变带来 的光束质量因子M2测量误差，以及校正后的光束质量因子M2。
发明内容
本发明的目的在于提供一种校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置及 方法，可以得到光学元件热形变带来的激光光束质量因子M2测量误差，并对M2动态测量的结果进行校正，可对M2实时精确测量，提高M2测量精度与速度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种校正高功率激光器M2测量系统热 形变的装置，包括标准平晶、功率衰减平行平板、光功率计、第一楔板反射镜、 第二楔板反射镜、第一收光器、分光镜、波前探测器和动态干涉仪；沿光路依次 设置标准平晶、功率衰减平行平板、第一楔板反射镜、第二楔板反射镜、分光镜、 波前探测器和动态干涉仪；光功率计设置于功率衰减平行平板的反射光路上；第 一楔板反射镜设置于功率衰减平行平板的透射光路上，第二楔板反射镜设置于第 一楔板反射镜的反射光路上，第一收光器设置于第一楔板反射镜的透射光路上； 分光镜设置于第二楔板反射镜的反射光路上；经分光镜滤光，波前探测器设置于 分光镜的透射光路上，动态干涉仪设置于分光镜的反射光路上。
一种基于校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置的测量方法，方法步 骤如下：
步骤1、被测激光束垂直入射到标准平晶，经过标准平晶后透射入射到功率 衰减平行平板；被测激光光束入射到功率衰减平行平板后，分成反射光路和透射 光路，反射光入射到光功率计，透射光入射到第一楔板反射镜；被测激光光束入 射到第一楔板反射镜后，分成反射光路和透射光路，透射光入射到第一收光器， 反射光入射到第二楔板反射镜；被测激光光束入射到第二楔板反射镜后，反射光 入射到分光镜；被测激光光束入射到分光镜后，透射光入射到波前探测器。
步骤2、按照步骤1中被测激光在分光镜处的反射光路的反方向，动态干涉 仪出射的光束入射到分光镜；动态干涉仪的光束入射到分光镜后，反射光入射到 第二楔板反射镜；动态干涉仪的光束入射到第二楔板反射镜后，反射光入射到第 一楔板反射镜；动态干涉仪的光束入射到第一楔板反射镜后，反射光入射到功率 衰减平行平板；动态干涉仪的光束入射到功率衰减平行平板后，透射光入射到标 准平晶；动态干涉仪的光束入射到标准平晶后，在标准平晶靠近激光源的一面反 射，光路原路返回，再依次透射经过标准平晶、功率衰减平行平板，反射经过第 一楔板反射镜、第二楔板反射镜、分光镜，最后光路返回到动态干涉仪中。
一种基于校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置的测量方法，方法步 骤如下：
步骤A、被测激光束垂直入射到标准平晶，标准平晶的前表面反射光原路返 回激光器，后表面反射光经前表面透射到第二收光器，透射光束入射到功率衰减 平行平板；被测激光光束入射到功率衰减平行平板后，分成反射光路和透射光路， 反射光入射到光功率计，透射光入射到第一楔板反射镜；被测激光光束入射到第 一楔板反射镜后，分成反射光路和透射光路，透射光入射到第一收光器，反射光 入射到第二楔板反射镜；被测激光光束入射到第二楔板反射镜后，反射光入射到 分光镜；被测激光光束入射到分光镜后，透射光入射到波前探测器；
步骤B、按照步骤1中被测激光在分光镜处的反射光路的反方向，动态干涉 仪出射的光束入射到分光镜；动态干涉仪的光束入射到分光镜后，反射光入射到 第二楔板反射镜；动态干涉仪的光束入射到第二楔板反射镜后，反射光入射到第 一楔板反射镜；动态干涉仪的光束入射到第一楔板反射镜后，反射光入射到功率 衰减平行平板。动态干涉仪的光束入射到功率衰减平行平板后，透射光入射到标 准平晶；动态干涉仪的光束入射到标准平晶后，在标准平晶靠近激光源的一面反 射，光路原路返回，再依次透射经过标准平晶、功率衰减平行平板，反射经过第 一楔板反射镜、第二楔板反射镜、分光镜，最后光路返回到动态干涉仪中。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)实现了高功率激光器光束质量因子M2动态测量，并对测试光路中光学 元件热形变引起的波前畸变实时获取，并得到其带来的M2测量误差。
(2)实现了可校正热形变影响的光束质量因子M2动态测量，对基于波前探 测器的光束质量动态测量法的测量结果进行校正。
(3)实现了对高功率激光器高精度光束质量动态测量，可实时检测光束质 量，为分析激光器本身参数变化提供很好基础。
附图说明
图1为本发明校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置的整体结构示意 图。
图2为本发明校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置中标准平晶和功 率衰减平行平板处的被测激光测量光路图。
图3为本发明校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置中标准平晶处的 动态干涉仪测量光路图。
图4为本发明校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置中第一楔板反射 镜处的被测激光测量光路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图4，一种校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置包括标准 平晶1、功率衰减平行平板2、光功率计3、第一楔板反射镜4、第二楔板反射镜 5、第一收光器6、分光镜7、波前探测器8、动态干涉仪9和第二收光器10；沿 光路依次设置标准平晶1、功率衰减平行平板2、第一楔板反射镜4、第二楔板 反射镜5、分光镜7、波前探测器8和动态干涉仪9；光功率计3设置于功率衰 减平行平板2的反射光路上；第一楔板反射镜4设置于功率衰减平行平板2的透 射光路上，第二楔板反射镜5设置于第一楔板反射镜4的反射光路上，第一收光 器6设置于第一楔板反射镜4的透射光路上；分光镜7设置于第二楔板反射镜5 的反射光路上；经分光镜7滤光，波前探测器8设置于分光镜7的透射光路上， 动态干涉仪9设置于分光镜7的反射光路上；第二收光器10设置于标准平晶1 的后表面反射光经过前表面后的透射光路上。
上述M2测量装置中被测激光的波段与动态干涉仪9的光源波段不重合，以 便根据两个不同的光波段设计相应的膜系，选择性控制不同波段的光反射或透 射，从而最终实现波前传感器8探测被测激光强度及波前分布的同时，动态干涉 仪9获得整个M2测量光路中光学元件热形变导致的波前变化。
上述M2测量装置中标准平晶1的楔角为1度；两面所镀膜系相同，在被测 激光波段增透，透过率达99.99％，在动态干涉仪9的光源波段高反，反射率达 50％以上；标准平晶1靠近测试激光源的一面垂直被测激光光束放置。标准平晶 1的作用是为动态干涉仪9获取整个M2测量光路中光学元件热形变提供一个反射 面，通过返回光携带整个M2测量光路中光学元件热形变的信息到动态干涉仪9。 结合图2及图3，图2描绘了被测激光经过标准平晶1的反射及折射光路，图3 描绘了动态干涉仪9的光源发出的光经过标准平晶1的反射及折射光路。
上述M2测量装置中功率衰减平行平板2按照与标准平晶1前表面成θ度倾角 设置于其透射光路上；功率衰减平行平板2两面均镀膜，前表面镀有高反膜，在 被测激光波段高反，反射率达99.99％，在动态干涉仪9光源波段低反，反射率 低于1％；后表面镀有增透膜，在被测激光波段和动态干涉仪9光源波段均低反， 反射率低于0.1％；为保证功率衰减平行平板2的前表面反射的高功率激光与标 准平晶1不接触，标准平晶1与功率衰减平行平板2的中心距离最小值d的计算 方法为：设标准平晶1的口径为A mm，材料折射率为n，功率衰减平行平板3 的表面与标准平晶1的前表面成θ角设置，θ为小于等于50度的锐角，则由角度关系和正弦定理可以求得公式光功率计3设置于 功率衰减平行平板2前表面反射光路上，来实时显示被测激光功率。结合图2 及图3，图2描绘了被测激光经过功率衰减平行平板2的反射及折射光路，图3 描绘了动态干涉仪9的光源发出的光经过功率衰减平行平板2的反射及折射光路。
上述M2测量装置中第一楔板反射镜4的楔角为6.5度，其前表面按照与标 准平晶1的前表面成45度倾角设置于功率衰减平行平板的透射光路上；第一楔 板反射镜4的前表面镀膜、后表面不镀膜，在测试激光波段低反，反射率低于 4％，在动态干涉仪9的光源波段高反，反射率高于90％；第二楔板反射镜5的楔 角为6.5度，其前表面按照与第一楔板反射镜成90度设置于其反射光路上，使 经第一楔板反射镜4前的光路和经第二楔板反射镜5后的光路平行；第二楔板反 射镜5的前表面所镀膜系与第一楔板反射镜4的前表面相同，后表面不镀膜。第 一楔板反射镜4与第二楔板反射镜5的作用有：利用前表面反射对被测激光进一步功率衰减，两片楔板反射镜折转光路便于M2测量过程中光路的调校。第一收 光器6设置于第一楔板反射镜4的透射光路上。结合图4，图4描绘了被测激光 经过第一楔板反射镜4的反射及折射光路。
上述M2测量装置中分光镜7两面均镀膜，在被测激光波段增透，透过率达99.99％，在动态干涉仪9的光源波段高反，反射率达99.99％。这样的分光镜7 膜系设计，将被测激光波段的光透射，进入波前探测器8，波前传感器8完成被 测激光的强度及波前分布探测；将动态干涉仪9的光源波段的光反射回到动态干 涉仪9中，动态干涉仪9完成整个M2测量光路中光学元件热形变导致的波前变 化的探测；在完成两部分测量的同时，保证动态干涉仪9不会被被测激光照射损 坏。
上述M2测量装置中还包括第二收光器10，其设置于标准平晶1的后表面反 射光经过前表面后的透射光路上。标准平晶1的薄厚端的放置会影响第二收光器 10的放置位置，图1中仅是标准平晶1薄端在上的情况。另外，标准平晶前表 面会反射占被测激光总能量0.01％的激光回到激光器；后表面反射再经前表面透 射出略小于占被测激光总能量0.01％的光，且随着标准平晶1与激光器间距的增 大而偏离激光器越多，第二收光器10的位置偏离也越多。
上述M2测量装置中光束质量M2的动态测量是对由波前探测器8和动态干涉 仪9采集的数据实时计算处理得到的。波前探测器8采集被测激光经M2测试光 路后的强度和波前信息；高功率激光器M2测试光路中光学元件受激光辐射会产 生热形变，动态干涉仪9采集M2测试光路中光学元件热形变导致的波前动态变 化，通过计算便可以得到热形变带来的M2测量误差，进而修正波前探测器8数 据处理得到的M2值，最终实时得到精准的高功率激光器的M2值。
实施例1
功率为10000W、波长为1080nm的待测激光束经标准平晶1后，有1W的激 光原路返回到激光器中，有0.9998W的激光返回到第二收光器10中，透射的 9998W的待测激光束经过功率衰减平行平板2衰减，9997W的光被光功率计3接 受，然后透射1W的待测激光束再经过第一楔板反射镜4和第二楔板反射镜5衰 减并折转光路，第一楔板反射镜4透射出0.92W的激光用第一收光器6接受，第 二楔板反射镜5反射出1.6mW的待测激光经分光镜7透射滤出，入射到波前探测 器8上；动态干涉仪9光源发出的波长为633nm的光依次经分光镜7反射、第二 楔板反射镜5反射、第一楔板反射镜4反射、功率衰减平行平板2透射、标准平 晶1靠近激光源的一面反射，光路原路返回，再依次透射经过标准平晶1、功率 衰减平行平板2，反射经过第一楔板反射镜4、第二楔板反射镜5、分光镜7，最 后光路返回到动态干涉仪9中。
波前传感器8采集1080nm的被测激光经M2测试光路后的强度和波前信息， 高功率激光器M2测试光路中光学元件受激光辐射会产生热形变，动态干涉仪9 采集M2测试光路中光学元件热形变导致的波前动态变化，通过计算便可以得到 热形变带来的M2测量误差，进而修正波前探测器8数据处理得到的M2值，最终 实时得到精准的高功率激光器的M2值。

Claims (9)

1.一种校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置，其特征在于：包括标准平晶(1)、功率衰减平行平板(2)、光功率计(3)、第一楔板反射镜(4)、第二楔板反射镜(5)、第一收光器(6)、分光镜(7)、波前探测器(8)和动态干涉仪(9)；沿光路依次设置标准平晶(1)、功率衰减平行平板(2)、第一楔板反射镜(4)、第二楔板反射镜(5)、分光镜(7)、波前探测器(8)和动态干涉仪(9)；光功率计(3)设置于功率衰减平行平板(2)的反射光路上；第一楔板反射镜(4)设置于功率衰减平行平板(2)的透射光路上，第二楔板反射镜(5)设置于第一楔板反射镜(4)的反射光路上，第一收光器(6)设置于第一楔板反射镜(4)的透射光路上；分光镜(7)设置于第二楔板反射镜(5)的反射光路上；经分光镜(7)滤光，波前探测器(8)设置于分光镜(7)的透射光路上，动态干涉仪(9)设置于分光镜(7)的反射光路上。
2.根据权利要求1所述的校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置，其特征在于：被测激光的波段与动态干涉仪(9)的光源波段不重合；标准平晶(1)的楔角为1度；两面所镀膜系相同，在被测激光波段增透，透过率达99.99％，在动态干涉仪(9)的光源波段高反，反射率达50％以上；标准平晶(1)靠近测试激光源的一面垂直被测激光光束放置。
3.根据权利要求1所述的校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置，其特征在于：所述功率衰减平行平板(2)按照与标准平晶(1)前表面成θ度倾角设置于其透射光路上；功率衰减平行平板(2)两面均镀膜，前表面镀有高反膜，在被测激光波段高反，反射率达99.99％，在动态干涉仪(9)光源波段低反，反射率低于1％；后表面镀有增透膜，在被测激光波段和动态干涉仪(9)的光源波段均低反，反射率低于0.1％。
4.根据权利要求1所述的校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置，其特征在于：第一楔板反射镜(4)的楔角为6.5度，其前表面按照与标准平晶(1)的前表面成45度倾角设置于功率衰减平行平板(2)的透射光路上；第一楔板反射镜(4)的前表面镀膜、后表面不镀膜，在测试激光波段低反，反射率低于4％，在动态干涉仪(9)的光源波段高反，反射率高于90％；第二楔板反射镜(5)的楔角为6.5度，第二楔板反射镜(5)的前表面按照与第一楔板反射镜(4)的前表面成90度设置于其反射光路上，使经第一楔板反射镜(4)前的光路和经第二楔板反射镜(5)后的光路平行；第二楔板反射镜(5)前表面所镀膜系与第一楔板反射镜(4)的前表面相同，后表面不镀膜。
5.根据权利要求1所述的校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置，其特征在于：分光镜(7)两面均镀膜，在被测激光波段增透，透过率达99.99％，在动态干涉仪(9)的光源波段高反，反射率达99.99％。
6.根据权利要求3所述的校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置，其特征在于：上述功率衰减平行平板(2)与标准平晶(1)两者的中心距离最小值d的计算方法如下：
设标准平晶(1)的口径为A mm，材料折射率为n，功率衰减平行平板(3)的表面与标准平晶(1)的前表面成θ角设置，θ为不大于50°的锐角；
公式
7.根据权利要求1所述的校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置，其特征在于：还包括第二收光器(10)，第二收光器(10)设置于标准平晶(1)的后表面反射光经过前表面后的透射光路上。
8.一种基于上述权利要求1-5中任意一项所述的校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置的测量方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1、被测激光束垂直入射到标准平晶(1)，经过标准平晶(1)后透射入射到功率衰减平行平板(2)；被测激光光束入射到功率衰减平行平板(2)后，分成反射光路和透射光路，反射光入射到光功率计(3)，透射光入射到第一楔板反射镜(4)；被测激光光束入射到第一楔板反射镜(4)后，分成反射光路和透射光路，透射光入射到第一收光器(6)，反射光入射到第二楔板反射镜(5)；被测激光光束入射到第二楔板反射镜(5)后，反射光入射到分光镜(7)；被测激光光束入射到分光镜(7)后，透射光入射到波前探测器(8)；
步骤2、按照步骤1中被测激光在分光镜(7)处的反射光路的反方向，动态干涉仪(9)出射的光束入射到分光镜(7)；动态干涉仪(9)的光束入射到分光镜(7)后，反射光入射到第二楔板反射镜(5)；动态干涉仪(9)的光束入射到第二楔板反射镜(5)后，反射光入射到第一楔板反射镜(4)；动态干涉仪(9)的光束入射到第一楔板反射镜(4)后，反射光入射到功率衰减平行平板(2)；动态干涉仪(9)的光束入射到功率衰减平行平板(2)后，透射光入射到标准平晶(1)；动态干涉仪(9)的光束入射到标准平晶(1)后，在标准平晶(1)靠近激光源的一面反射，光路原路返回，再依次透射经过标准平晶(1)、功率衰减平行平板(2)，反射经过第一楔板反射镜(4)、第二楔板反射镜(5)、分光镜(7)，最后光路返回到动态干涉仪(9)中。
9.一种基于权利要求7所述的校正高功率激光器M2测量系统热形变的装置的测量方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤A、被测激光束垂直入射到标准平晶(1)，标准平晶(1)的前表面反射光原路返回激光器，后表面反射光经前表面透射到第二收光器(10)，透射光束入射到功率衰减平行平板(2)；被测激光光束入射到功率衰减平行平板(2)后，分成反射光路和透射光路，反射光入射到光功率计(3)，透射光入射到第一楔板反射镜(4)；被测激光光束入射到第一楔板反射镜(4)后，分成反射光路和透射光路，透射光入射到第一收光器(6)，反射光入射到第二楔板反射镜(5)；被测激光光束入射到第二楔板反射镜(5)后，反射光入射到分光镜(7)；被测激光光束入射到分光镜(7)后，透射光入射到波前探测器(8)；
步骤B、按照步骤1中被测激光在分光镜(7)处的反射光路的反方向，动态干涉仪(9)出射的光束入射到分光镜(7)；动态干涉仪(9)的光束入射到分光镜(7)后，反射光入射到第二楔板反射镜(5)；动态干涉仪(9)的光束入射到第二楔板反射镜(5)后，反射光入射到第一楔板反射镜(4)；动态干涉仪(9)的光束入射到第一楔板反射镜(4)后，反射光入射到功率衰减平行平板(2)；动态干涉仪(9)的光束入射到功率衰减平行平板(2)后，透射光入射到标准平晶(1)；动态干涉仪(9)的光束入射到标准平晶(1)后，在标准平晶(1)靠近激光源的一面反射，光路原路返回，再依次透射经过标准平晶(1)、功率衰减平行平板(2)，反射经过第一楔板反射镜(4)、第二楔板反射镜(5)、分光镜(7)，最后光路返回到动态干涉仪(9)中。
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