CN108287059B - 高精度近红外激光光束质量测量分析装置 - Google Patents

高精度近红外激光光束质量测量分析装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度近红外激光光束质量测量分析装置，沿光路依次放置激光功率可调衰减装置、无像差聚焦透镜、高反镜组、分光镜和两个电荷耦合元件相机。激光功率可调衰减装置由放置在旋转轮上的不同衰减等级的中性密度滤光片组成；第二高反镜放置于第一高反镜的反射光路上，且二者共同放置于可移动导轨上；第一CCD相机放置于分光镜的反射光路上，第二CCD相机放置于分光镜的透射光路上。本发明可以有效抑制硅材质CCD在对近红外光光束质量进行测量时的光晕现象对测量结果的影响，同时测量时间相较传统光束质量测量仪并未增加，在保证测量效率的前提下提高了测量精度。

Description

高精度近红外激光光束质量测量分析装置
技术领域
本发明涉及近红外激光测量领域，具体涉及一种高精度近红外激光光束质量测量分析的装置。
背景技术
激光自问世以来因其具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特性，已广泛应用于科技、军事、医疗、工业加工和通信等领域。近年来随着激光技术的进步与发展，近红外激光领域除了传统的掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器外，光纤激光器也取得了巨大的进展，并迅速的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。
光束质量是衡量激光光束优劣的一项核心参数。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，衍射极限因子β等。由于光束质量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。在这些方法中CCD多位置光办测量法由于其测量结果准确，是ISO规定的一种标准的测量方法。该方法通过对聚焦透镜后不同位置的光斑利用CCD进行测量，然后计算出各个位置的光斑大小。利用各个位置的光斑大小与各个位置距离无像差透镜的距离，拟合出一条双曲线，进而求取光束质量因子M2。
CCD多位置光斑测量法虽然已经成为了一种标准的光束质量测量方法，然而，在利用该方法对近红外光测量时，由于现有的光束质量测量仪一般都采用了硅材质CCD相机。因此，一部分红外光会通过硅材料后泄露到CCD底层的电子区域，并在该区域传播，由此而导致硅材质CCD在测量近红外光时在CCD的垂直方向存在一条亮线，也就是CCD垂直光晕现象。该现象虽然通过减弱待测激光的光强和同时调大CCD的曝光时间来抑制，但该方法的效果有限，并容易将杂散光的测量误差放大。通过铟砷化镓材料的CCD相机可以完全抑制该现象，但由于该中类型相机昂贵，其并未取得广泛的使用。因此现有的光束质量测量装置，在对近红外光的光束质量进行测量时，由于CCD垂直光晕的存在，其测量结果并不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度近红外激光光束质量测量分析的装置，可以实现高精度近红外激光光束质量测量，测量范围为400nm-1100nm，也适用于可见光区域激光的测量，可以有效抑制CCD垂直光晕现象，提高了测量精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高精度近红外激光光束质量测量分析装置，包括激光功率可调衰减装置、无像差聚焦透镜、第一高反镜、第二高反镜、可移动导轨、分光镜、第一电荷耦合元件相机和第二电荷耦合元件相机；沿光路依次设置激光功率可调衰减装置、无像差聚焦透镜、第一高反镜、第二高反镜、分光镜和第二电荷耦合元件相机；第二高反镜设置于第一高反镜的反射光路上，且第一高反镜和第二高反镜均固定于可移动导轨上；第一电荷耦合元件相机设置于分光镜的反射光路上，第二电荷耦合元件相机设置于分光镜的透射光路上。
待测激光束经激光功率可调衰减装置衰减后，激光功率达到符合电荷耦合元件相机的功率探测范围，然后经过无像差聚焦透镜后被聚焦，聚焦后的光束经由可移动导轨上的第一高反镜和第二高反镜反射后入射到分光镜上，经由分光镜分光后，分别入射到第一电荷耦合元件相机和第二电荷耦合元件相机上。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）有效抑制了在利用硅材质CCD相机测量近红外激光的光束质量时，CCD垂直光晕现象对测量结果的影响。
（2）实现了在激光的两个正交方向上同时采集两幅光斑，采集得到的信息量实现了翻倍，但测量时间并未增加。
（3）可以在硅材质CCD的基础上，准确的测量出可见光区域与近红外光区域的激光的光束质量。
（4）该发明的高精度为在对近红外激光光束质量因子M2进行测量时，其测量误差小于0.02。
附图说明
图1为本发明高精度近红外激光光束质量测量分析装置的整体结构示意图。
图2为本发明高精度近红外激光光束质量测量分析装置的激光功率衰减系统示意图。
图3为本高精度近红外激光光束质量测量分析装置的算法仿真示意图，其中（a）为第一CCD所采集的光斑，（b）为第二CCD所采集的光斑，（c）两光斑直接相乘，（d）为通过上述算法后复原出的光斑。
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2，一种高精度近红外激光光束质量测量分析装置，包括激光功率可调衰减装置1、无像差聚焦透镜2、第一高反镜3-1、第二高反镜3-2、可移动导轨4、分光镜5、第一电荷耦合元件相机6-1与第二电荷耦合元件相机6-2；沿光路依次放置激光功率可调衰减装置1、无像差聚焦透镜2、第一高反镜3-1、第二高反镜3-2、可移动导轨4、分光镜5与第二电荷耦合元件相机6-2。
待测激光束经激光功率可调衰减系统1衰减后，激光功率达到符合电荷耦合元件（CCD）相机6的功率探测范围，然后经过无像差聚焦透镜2后被聚焦，聚焦后的光束经由放置于可移动导轨4上的两个高反射率反射镜3反射后入射到分光镜上5，经由分光镜5分光后，入射到两个CCD相机6上。
上述激光功率可调衰减系统1由两个或两个以上带有不同衰减比例的中性密度滤光片的旋转轮组成，两个旋转轮分别用齿轮连接马达，可以实现旋转轮上不同中性密度滤光片的自由组合。
上述无像差透镜2由经过消像差及色差设计的双胶合透镜组成。
上述第一高反镜3-1与第二高反镜3-2共同放置于可移动导轨4上，二者可以在可移动导轨上实现同时前后移动。
上述分光镜5的分光比为1：1，且分光镜5与两个CCD相机6的距离相等。
上述第一CCD相机6-1与第二CCD相机6-2基底材料均为硅。
上述高精度近红外激光光束质量测量分析装置，在利用两个CCD采集到两幅光斑后，其重建算法如下：①找出两个相机所采集光斑的最强点的位置，并以此位置为中心，在原始图像上截取一个边长为1000个像素点的正方形区域，并将该区域的光强归一化；②将两幅截取好的区域相乘并开方；③将步骤②中所获得的图像分别剪掉步骤①中所获得两幅图像，得到两幅新的图像，并将这两幅新图像上小于0的值统一变为0；④将步骤②中获得的图像依次减去步骤③中获得的两幅图像，最后得到的图像即是在该位置重建出的图像。
实施例1
一种高精度近红外激光光束质量测量分析装置，待测激光束经激光功率可调衰减系统1衰减后，激光功率达到符合电荷耦合元件CCD相机6的功率探测范围，然后经过无像差聚焦透镜2后被聚焦，聚焦后的光束经由放置于可移动导轨4上的两个反射镜3反射后入射到分光镜5上，经由分光镜分光后，入射到两个CCD相机上，且两个CCD相机6与分光镜5的距离相等。
高功率衰减装置1包括第一可旋转衰减轮1-1与第二可旋转衰减轮1-2，并分别在可旋转衰减轮1-1与可旋转衰减轮1-2上打5个孔，五个孔按照五边形布局。孔1-3与1-8均不放置中性密度滤光片，在1-4与1-9上放置透射率为50%的中性密度滤光片，在1-5与1-10上放置透射率为10%的中性密度滤光片，在1-6与1-11上放置透射率为1%的中性密度滤光片，在1-7与1-12上放置透射率为0.1%的中性密度滤光片。由这些滤光片的组合可得该系统的衰减比例为0至99.9999%。
图3为该发明专利对于理想高斯光束的仿真图，图3（a）为CCD相机6-1所采集的光斑，图3（b）为CCD相机6-2所采集的光斑，可见由于CCD垂直光晕的存在，两者光斑均发生畸变，通过该发明的算法后，图3（d）为重建出的光斑。由图3可知，本发明方案及算法可以有效的解决CCD光晕对激光测量的影响，实现准确测量。在对近红外激光进行测量时，其测量值M2的误差小于0.02。

Claims (2)

1.一种高精度近红外激光光束质量测量分析装置，其特征在于：包括激光功率可调衰减装置（1）、无像差聚焦透镜（2）、第一高反镜（3-1）、第二高反镜（3-2）、可移动导轨（4）、分光镜（5）、第一电荷耦合元件相机（6-1）和第二电荷耦合元件相机（6-2）；沿光路依次设置激光功率可调衰减装置（1）、无像差聚焦透镜（2）、第一高反镜（3-1）、第二高反镜（3-2）、分光镜（5）和第二电荷耦合元件相机（6-2）；第二高反镜（3-2）设置于第一高反镜（3-1）的反射光路上，且第一高反镜（3-1）和第二高反镜（3-2）均固定于可移动导轨（4）上；第一电荷耦合元件相机（6-1）设置于分光镜（5）的反射光路上，第二电荷耦合元件相机（6-2）设置于分光镜（5）的透射光路上；
待测激光束经激光功率可调衰减装置（1）衰减后，激光功率达到符合电荷耦合元件相机的功率探测范围，然后经过无像差聚焦透镜（2）后被聚焦，聚焦后的光束经由可移动导轨（4）上的第一高反镜（3-1）和第二高反镜（3-2）反射后入射到分光镜（5）上，经由分光镜（5）分光后，分别入射到第一电荷耦合元件相机（6-1）和第二电荷耦合元件相机（6-2）上；
所述第一电荷耦合元件相机（6-1）和第二电荷耦合元件相机（6-2）均与分光镜（5）的距离相等；
所述激光功率可调衰减装置（1）由两个或两个以上带有不同衰减比例的中性密度滤光片的旋转轮组成，旋转轮用齿轮连接马达，实现两个或两个以上的旋转轮上不同中性密度滤光片的自由组合；
所述分光镜（5）的分光比为1：1；
所述无像差透镜（2）由经过消像差及色差设计的双胶合透镜组成；
所述第一电荷耦合元件相机（6-1）和第二电荷耦合元件相机（6-2）的基底材料均为硅材质相机；
每个位置的测量光斑均是由第一电荷耦合元件相机（6-1）和第二电荷耦合元件相机（6-2）采集的光斑重建而成。
2.根据权利要求1所述的高精度近红外激光光束质量测量分析装置，其特征在于，上述光斑重建过程如下：
步骤1、找出第一电荷耦合元件相机（6-1）和第二电荷耦合元件相机（6-2）所采集光斑的最强点的位置，并以此位置为中心，在原始图像上截取一个边长为1000个像素点的正方形区域，并将该区域的光强归一化；
步骤2、将两幅截取好的区域相乘并开方；
步骤3、将步骤2中所获得的图像分别剪掉步骤1中所获得两幅图像，得到两幅新的图像，并将这两幅新图像上小于0的值统一变为0；
步骤4、将步骤2中获得的图像依次减去步骤3中获得的两幅图像，最后得到的图像即是在该位置重建出的图像。
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