CN108871559B - 一种光束质量β因子测量系统的校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光束质量β因子测量系统的校准方法，该校准方法使用的仪器包括平行光管、标准像差板和光束质量β因子测量系统，必要时还需要孔径光阑。本发明提供该校准方法的校准原理，以及具体的校准方法，可以获得光束质量β因子测量系统的校准系数，进而保障光束质量β因子测量系统的量值准确、可靠，解决高能激光光束质量β因子的准确评估问题，为今后相应光束质量β因子测量系统的量值准确可靠提供技术依据。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，涉及一种光束质量β因子测量系统的校准方法，尤其是一种光束质量β因子测量系统的β因子参数的校准方法，适用于表征高能激光光束质量β因子测量系统的校准。
背景技术
目前，在高能激光技术的研究和应用领域中，功率/能量和光束质量是高能激光系统最为关注的重要参数。随着技术的发展，对高能激光系统提出了接近衍射极限的要求，因此准确测量光束质量β因子变得十分重要和迫切。光束质量β因子越小，表明激光束的可聚焦能力越强、远场能量集中度越高。但在光束质量β因子测试过程中，针对同一待测光束的不同β因子测量设备的β因子测量结果差异较大，因此急需保障β因子测量系统的量值准确统一。为此，需要探索和研究光束质量β因子的校准方法。
由于光束质量β因子测量系统大多属于自研设备，存在着不同测量设备之间缺乏统一的计量标准而导致测量结果的差异性较大的问题。目前光束质量β因子参数还没有建立完整的量传和溯源体系，因此急需确立光束质量β因子参数的计量标准及规范相应的校准方法来保障光束质量β因子测量系统的测试数据准确性。
因此，自研的高能激光光束质量β因子测量系统需要相应的标定方法，用来解决光束质量β因子测量系统的标校问题，进而实现对光束质量β因子测量系统输出β因子值的溯源，使其能够准确复现测试光束的β因子值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种光束质量β因子测量系统的校准方法，解决高能激光光束质量β因子的准确评估问题，为今后光束质量β因子测量系统的量值准确可靠提供技术依据。
本发明的技术方案如下：
一种光束质量β因子测量系统的校准方法，该校准方法使用的仪器包括平行光管、标准像差板和光束质量β因子测量系统，必要时还需要孔径光阑。
该校准方法的校准原理如下：
平行光管发出的标准平行光束经标准像差板后产生特定的像差类型后，进入光束质量β因子测量系统，此时会得到一个β因子测量值，记为βm。同样平行光管经过标准像差板后，会产生一个β因子标准值，记为βs。
定义校准系数C：C＝βs/βm。
标定的过程为获取光束质量β因子测量系统的校准系数，并将该校准系数赋值给β因子测量系统。
平行光管作为产生标准平行光束的装置，其波长与光束质量测量系统的响应波长相匹配。
标准像差板的作用是提供特定类型的像差，用于将平行光管出射的标准平行光束入射其上并产生一定的像差，进而产生不同的光束质量β因子理论值。标准像差板可以是单一像差类型的像差板如离焦板、球差板，或者是多个单一像差类型的像差板的组合如离焦板和球差板的组合，或者是复合像差板即一个像差板上具有两种及以上不同类型的像差。
标准像差板的像差分布采用激光干涉仪对其面形分布进行检测，并给出前36阶泽尼克多项式的系数，记为ak(k＝1，2……36)。标准像差板的像差分布可以表述为
Zj为第j阶泽尼克多项式。
光束质量β因子测量系统用于对从平行光管发出的标准平行光束经标准像差板后对入射在其上的激光束的光束质量β因子进行测试。光束质量β因子测量系统的接收口径需要与平行光管的光束口径匹配，如果光束不匹配，需要在光束质量β因子测量系统前加入孔径光阑。
孔径光阑的作用为将平行光管的光束口径调整为合适尺寸，以匹配光束质量β因子测量系统的接收口径。
利用该方法对光束质量β因子测量系统的校准过程为：
(1)首先根据光束质量β因子测量系统不同的β因子测量范围和接收口径，选择合适的标准像差板；
(2)然后将标准像差板装入工装夹具后放置在平行光管的传输光路上；
(3)开启平行光管光源，使其发出的标准平行光束经过标准像差板后进入光束质量β因子测量系统；
(4)加载此种标准像差板对应的光束质量β因子标准值βs的计算过程如下：
根据标量衍射理论，光束在光束质量β因子测量系统的探测面上的光强分布为：
式中：λ为激光波长，f为焦距，(x,y)为光束质量β因子测量系统探测面上的坐标，(x0,y0)为标准像差板上的坐标；E(x0,y0)为平行光管出射光束的光强分布，其分布可以通过功率计多点扫描平行光管出射光束的强度得到；
为标准像差板的像差分布，其像差分布数据由激光干涉仪的面形分布测量结果给出，即各阶泽尼克多项式的系数；
(5)根据干涉仪给出的测量结果中的泽尼克系数，拟合得到标准像差板的面形
(6)加载“拟合得到标准像差板的面形
”显示的像差板数据代入步骤(4)所述公式中后，I(x,y)便可通过数值计算的方法获得加载此种标准像差板对应的光束质量β因子测量系统探测面上的光强分布。
(7)从光强分布可以计算得到包含入射光束总能量83.7％的光斑半径，记为r1。理想光束的包含相同能量的远场光斑半径，记为r0，根据β因子的定义，得到标准像差板对应的光束质量β因子标准值βs。
βs＝r1/r0
(8)加载同一标准像差板后得到该标准相差板对应的光束质量β因子测量值βm。
(9)将βs和βm的数值带入公式C＝βs/βm，得到光束质量β因子测量系统的校准系数。
本发明的效果和益处是：
(1)该光束质量β因子测量系统的校准方法，通过在平行光管传输光路上加载标准像差板的方式，可以获得不同量值的β因子标准值，通过此种方法，可以获得光束质量β因子测量系统的校准系数，进而保障光束质量β因子测量系统的量值准确、可靠；
(2)该方法将光束质量β因子测量系统作为一个整体，提出整体标定的思路，有效避免了分单元或分器件标定的复杂性和不确定性，因此具有较好的应用前景和效果。
附图说明
图1光束质量β因子标定原理图。
图2标准像差板面形测量结果。
图3光束质量β因子理论计算值βs。
图4光束质量β因子实测值βm。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种光束质量β因子测量系统的校准方法，该校准方法使用的仪器如说明书附图1所示，包括平行光管、标准像差板和光束质量β因子测量系统，必要时还需要孔径光阑。
平行光管作为产生标准平行光束的装置，其波长与光束质量测量系统的响应波长相匹配。
标准像差板的作用是提供特定类型的像差，用于将平行光管出射的标准平行光束入射在其上并产生一定的像差，进而产生不同的光束质量β因子理论值。标准像差板可以是单一像差类型的像差板如离焦板、球差板，或者是多个单一像差类型的像差板的组合如离焦板和球差板的组合，或者是复合像差板即一个像差板上具有两种及以上不同类型的像差。
光束质量β因子测量系统用于对入射在其上的激光束的光束质量β因子进行测试。光束质量β因子测量系统的接收口径需要与平行光管的光束口径匹配，如果光束口径不匹配，需要在光束质量β因子测量系统前加入孔径光阑。
孔径光阑的作用为将平行光管的光束口径调整为合适尺寸，以匹配光束质量β因子测量系统的接收口径。
实施例
利用该方法对光束质量β因子测量系统的校准过程为：
(1)首先根据光束质量β因子测量系统不同的β因子测量范围和接收口径，选择合适的标准像差板；
(2)然后将标准像差板装入工装夹具后放置在平行光管的传输光路上；
(3)开启平行光管光源，使其发出的标准平行光束经过标准像差板后进入光束质量β因子测量系统；
(4)加载此种标准像差板对应的光束质量β因子标准值βs的计算过程如下：
根据标量衍射理论，光束在光束质量β因子测量系统的探测面上的光强分布为：
式中：λ为激光波长，f为焦距，(x,y)为光束质量β因子测量系统探测面上的坐标，(x0,y0)为标准像差板上的坐标，E(x0,y0)为平行光管出射光束的光强分布，其分布可以通过功率计多点扫描平行光管出射光束的强度得到。
为标准像差板的像差分布，其像差分布数据由激光干涉仪的面形分布测量结果给出，即各阶泽尼克多项式的系数；
(5)根据干涉仪给出的测量结果中的泽尼克系数，拟合得到标准像差板的面形
如说明书附图2所示。
(6)加载说明书附图2所示显示的像差板数据代入步骤(4)所述公式中后，I(x,y)便可通过数值计算的方法获得加载此种标准像差板对应的光束质量β因子测量系统上探测面上的光强分布，如说明书附图3所示。
(7)从光强分布可以计算得到包含入射光束总能量83.7％的光斑半径，记为r1。理想光束的包含相同能量的远场光斑半径，记为r0，根据β因子的定义，得到标准像差板对应的光束质量β因子标准βs。通过数值计算得到的光束质量β因子标准值βs为3.87。
βs＝r1/r0
(8)加载说明书附图2所示的像差板后对应的光束质量β因子测量系统的测量结果βm如说明书附图4所示，βm为3.84；
(9)将βs和βm的数值带入公式C＝βs/βm，得到光束质量β因子测量系统的校准系数C＝3.87/3.84＝1.01。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (4)
1.一种光束质量β因子测量系统的校准方法，其特征在于，所述校准方法使用的仪器包括平行光管、标准像差板和光束质量β因子测量系统；
具体校准方法如下：
(1)根据光束质量β因子测量系统不同的β因子测量范围和接收口径，选择合适的标准像差板；
(2)将标准像差板装入工装夹具后放置在平行光管的传输光路上；
(3)开启平行光管光源，使其发出的标准平行光束经过标准像差板后进入光束质量β因子测量系统；
(4)加载此种标准像差板对应的光束质量β因子标准值βs的计算过程如下：
根据标量衍射理论，光束在光束质量β因子测量系统的探测面上的光强分布为：
式中：λ为激光波长，f为焦距，(x，y)为光束质量β因子测量系统探测面上的坐标，(x0,y0)为标准像差板上的坐标；E(x0,y0)为平行光管出射光束的光强分布，其分布可以通过功率计多点扫描平行光管出射光束的强度得到；
为标准像差板的像差分布，其像差分布数据由激光干涉仪的面形分布测量结果给出，即各阶泽尼克多项式的系数；
(5)根据干涉仪给出的测量结果中的泽尼克多项式系数，拟合得到标准像差板的面形
(6)加载“拟合得到标准像差板的面形
”显示的像差板数据代入步骤(4)所述公式中后，I(x,y)便可通过数值计算的方法获得加载此种标准像差板对应的光束质量β因子测量系统探测面上的光强分布；
(7)从光强分布可以计算得到包含入射光束总能量83.7％的光斑半径，记为r1，理想光束的包含相同能量的远场光斑半径，记为r0，根据β因子的定义，得到标准像差板对应的光束质量β因子标准值βs＝r1/r0；
(8)加载标准像差板后，得到该标准像差板对应的光束质量β因子测量值βm；
(9)将βm和βs的数值带入公式C＝βs/βm，得到光束质量β因子测量系统的校准系数。
2.根据权利要求1所述的一种光束质量β因子测量系统的校准方法，其特征在于：所述平行光管是产生标准平行光束的装置，其波长与光束质量测量系统的响应波长相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种光束质量β因子测量系统的校准方法，其特征在于：所述标准像差板是单一像差类型的像差板，或者是多个单一像差类型的像差板的组合，或者是复合像差板即一个像差板上具有两种及以上不同类型的像差。
4.根据权利要求1所述的一种光束质量β因子测量系统的校准方法，其特征在于：所述光束质量β因子测量系统的接收口径需要与平行光管的光束口径匹配，如果口径不匹配时，需要在光束质量β因子测量系统前加入孔径光阑。
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