CN111024225B - 一种激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法，以解决现有测量方案没有给出具体的光斑图像复原方法和桶中功率分布曲线获取方案的技术问题。本发明通过高速旋转扫描圆盘带动呈渐开线分布的取样孔阵列对入射激光束进行了整体光斑扫描，并采用一个大面积的光电探测单元获取光强信号，进而得到转动一周的最大功率值即桶中功率值；同时对时序信号进行光斑复原，得到该帧光斑的功率密度分布参数，在光斑图像上按照逐渐改变环围半径的方法获得桶中功率分布相对值，再根据实测得到的桶中最大功率值进行标定，进而得到桶中绝对功率分布曲线。
Description
技术领域
本发明属于激光参数测量技术领域，具体涉及一种激光光束质量参数的测量方法，特别是一种激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法。
背景技术
在激光参数测量中，桶中功率是一个重要的参数，表示激光束向远场发射的能力。桶中功率是指在激光光斑在某一个环围半径内积分后的最大功率值，桶中功率分布曲线则指当环围半径从小到大变化时桶中功率的变化曲线，其代表了激光束在远场的功率集中度和可聚焦能力。
现有的桶中功率分布曲线绝对测量方法是在激光束前设置可变光阑孔，光阑孔后面设置功率计，记录在光阑孔由小到大变化时的功率参数，进而绘制出光斑半径r和功率p的关系，这种方案是只能对空间光束稳定的光斑进行测量，当远场激光光束不稳定时，强光点的位置发生变化，导致无法采用光阑孔捕捉到激光光强最大值，进而影响到测量精度。
申请号为201710131735.1，发明创造名称为基于平板渐开线孔取样的激光光束质量测量装置和方法，提出了基于扫描圆盘渐开线微孔扫描取样的方法，但是并没有给出具体的光斑图像复原方法和桶中功率分布曲线获取方案，如果数据处理中仅仅根据转速、取样孔和光束的几何映射关系计算，由于转速的不稳定，会出现若干帧图像后期光斑的严重变形的问题，影响到后续桶中功率分布曲线的测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量装置及方法，以解决现有测量方案没有给出具体的光斑图像复原方法和桶中功率分布曲线获取方案的技术问题。本发明不仅适用于连续稳定光源，对于空间变换频率不高的其他激光器同样适用。
本发明的技术方案是：
一种激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量装置，其特殊之处在于：包括绕中心转轴高速旋转的扫描圆盘、光电探测单元、探测电路和机壳；
探测电路包括反相器、加法器、数据采集单元和处理单元；
扫描圆盘上设置有一组呈渐开线均匀间隔排布且直径相同的取样孔，待测量远场激光束透过取样孔入射至扫描圆盘另一侧的光电探测单元，在扫描圆盘的边沿上设置有一只定位狭缝，在机壳上与定位狭缝相对应的位置设置有红外对管，红外对管的输出信号经过反相器反向为负信号后，与光电探测单元输出的正信号经过加法器叠加后进入数据采集单元，由处理单元根据数据采集单元采集的数据计算得到桶中功率分布曲线参数。
进一步地，扫描圆盘转动时，定位狭缝到达红外对管的对应位置时，待测量远场激光束入射的位置处于渐开线取样孔阵列中的起始孔和终止孔之间。
进一步地，所述的光电探测单元包括光电探测器，光电探测器的前端设置有积分球。
进一步地，所述的取样孔的孔径不大于待测量远场激光束光斑直径的1/5。
进一步地，相邻两只取样孔中心线的间距大于待测量远场激光束尺度。
进一步地，所述的待测量远场激光束尺度为0.1-5mm，取样孔的孔径为0.01-1mm。
进一步地，定位狭缝的长度为3mm，宽度为0.5mm。
进一步地，扫描圆盘的直径为100mm，转速为100-1kHz。
本发明还提供了一种基于上述的激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量装置测量激光远场桶中功率分布曲线的方法，其特殊之处在于，步骤如下：
【1】采用半径为r0的呈渐开线均匀排布的取样孔阵列扫描整个光斑；
【2】数据采集单元连续采集获得负值同步信号和正值光强信号的交替数据序列；
【3】截取相邻两个同步信号之间的功率数据序列值作为一帧光斑的复原数据；
【4】根据待测量远场激光束的位置、渐开线孔的位置和转盘扫描转速建立几何映射关系，将步骤【3】截取的数据投射至极坐标或直角坐标系，画出待测量远场激光束光强相对分布参数对应的光斑图像；
【5】在光强相对分布参数对应的光斑图像上，遍历整个光斑计算得到不同环围半径圆域内的桶中功率值，绘制得到相对的桶中功率分布曲线；
【6】以取样孔半径r0以及步骤【3】中的最大功率信号值PMAX，对步骤【5】中的桶中功率分布曲线进行绝对定标，得到绝对的桶中功率分布曲线。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明通过高速旋转扫描圆盘带动呈渐开线分布的取样孔阵列对入射待测量远场激光束进行了整体光斑扫描，并采用一个大面积的光电探测单元获取光强信号，进而得到转动一周的最大功率值即桶中功率值；同时对时序信号进行光斑复原，得到该帧光斑的功率密度分布参数，在光斑图像上按照逐渐改变环围半径的方法获得桶中功率分布相对值，再根据实测得到的桶中最大功率值进行标定，进而得到桶中绝对功率分布曲线。
2、本发明在扫描圆盘的外部设置了定位狭缝和红外对管，将红外对管的输出信号经过反向为负信号后，与光电探测单元的输出的正信号经过加法器后进行数据采集和处理，并对定位狭缝、入射激光、渐开线取样孔阵列起始孔和终止孔位置进行了合理设计，避免了同步负信号对光电探测器输出正信号的影响。处理中将两个同步信号之间的数据记为一帧，并按照几何映射关系复原得到光斑图像，克服了单纯依靠转速控制和几何关系来处理数据方法中因转速控制不稳带来的每帧数据偏差问题。此外，采用单通道高速数据采集方便实现了数据的处理，也避免了采用两路高速数据采集需要时间同步及数据融合的缺陷，节约了数据采集成本，简化了计算处理流程，确保了数据的实时性。
3、光电探测单元采用积分球后面布设小面元、快响应光电探测器的方式，这是因为系统的工作原理决定了要对取样的光束进行实时探测需要采用大面积响应元的探测器，而对于光电探测器而言，响应速率随面元的增加而减小，故传统的大面积光电探测器存在响应速率不高的问题。本发明在光电探测器前增加了积分球，通过积分球前面的大口径入射孔接收大面积的入射激光，经积分球内腔光束匀化后再进入出射孔位置处的小面元光电探测器，最终同时兼顾了快响应速率和大面元的测量要求。
附图说明
图1为本发明测量装置的原理示意图。
图2为本发明扫描圆盘的结构示意图。
图3为本发明探测电路的原理示意图。
图4为本发明设想的探测信号及同步信号叠加结果示意图。
图5为本发明试验获取的相邻同步信号之间的探测器信号图。
图6为本发明根据图5数据恢复得到的光斑强度分布图。
图7为本发明根据图5数据绘制的桶中功率分布曲线图。
附图标记为：1—待测量远场激光束；2—取样孔；3—扫描圆盘；5—转轴；6—积分球；7—取样光束；8—光电探测器；9—入射孔；10—出射孔；21—定位狭缝；22—红外对管；23—起始孔；24—终止孔。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明的激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量装置，包括绕中心转轴5高速旋转的扫描圆盘3、光电探测单元、探测电路和机壳(图中未示出)，探测电路包括反相器、加法器、数据采集单元和处理单元；扫描圆盘3上设置有一组呈渐开线均匀排布的取样孔2，待测量远场激光束1透过取样孔2入射至扫描圆盘3另一侧的光电探测单元。
光电探测单元采用积分球6后面布设快响应光电探测器8的方式，这是因为系统的工作原理决定了要对取样的光束进行实时探测需要采用大面积响应元的探测器，而对于光电探测器而言，响应速率随面元的增加而减小，故传统的大面积光电探测器8存在响应速率不高的问题。本发明在光电探测器8前增加了积分球6，通过积分球6前面的大口径入射孔9接收入射激光，经积分球内腔光束匀化后再进入出射孔10位置处的小面元光电探测器8，最终同时兼顾了光电探测单元的响应速率和大面元的测量要求。其中取样孔2的孔径不大于待测量远场激光束1直径的1/5，相邻两只取样孔2之间的间距大于待测量远场激光束1的尺度，确保在任意时刻光电探测单元只能接收到通过一只取样孔2的取样光束7的信号。通常激光远场经过聚焦后待测量远场激光束1的尺度为0.1-5mm，可以是圆形的光束或其他形状的光束，取样孔2的孔径则为0.01-1mm，扫描圆盘3为直径100mm，厚度0.5mm的铜盘，取样孔的数量为100只，转速为100-1kHz。
如图2和图3所示，数据采集单元在连续采集过程中，受到扫描圆盘3转速不稳的问题，会出现每转一周，也就是每帧采集的数据总量会有所差别，比如按照理论的转速和数据采集系统参数设计，每转动一圈应采集得到1000个数据，但是实际中可能会出现1002个数据，如果按照常规的做法认为每1000个数据应对应到一帧光斑里，按照理论的几何映射关系复原光斑时，前面的几帧光斑数据影响不大，但是转动到100周时，就会出现后面的累积误差很大，第100帧的1000个数据中会有200个数据均与理论不对应，会导致复原的光斑图像严重扭曲失真。
为了克服这个问题，本发明在扫描圆盘3的边沿上设置有一只定位狭缝21，定位狭缝21的长度为3mm，宽度为0.5mm。在机壳上与定位狭缝21相对应的位置设置有红外对管22，红外对管22的输出信号经过反向为负信号后，与光电探测单元的输出的正信号经过加法器后进入数据采集单元，由处理单元计算得到桶中功率分布曲线参数。当采用具有正负电压输入的数据采集卡对图3的电路进行采集时，即可获取如图4所示的光电探测器信号和同步信号的采集结果，其中同步信号由红外对管22产生，在光透过定位狭缝21时为正信号，经过单稳态触发器整形为上升前沿较陡的信号后再经过反相器变为负信号，与光电探测器输出的正信号在加法器中进行叠加，并有意设置定位狭缝21的位置，使得定位狭缝21到达红外对管22的对应位置(也就是红外对管22的光敏元正好处于非遮挡的位置)时，待测量远场激光束1入射的位置处于渐开线阵列取样孔中的起始孔23和终止孔24之间，从而确保红外对管22输出负信号的同时，光电探测器8的输出为零，实现信号的正确叠加。由于调节入射光斑位置时，一般预留一定的余量，确保整个光斑被取样孔进行全光斑扫描，对于传统的高斯光束而言，故会出现如图4所示的结果(横坐标为采集时序，纵坐标为信号功率幅值)，在两个同步信号之间即渐开线阵列取样孔的起始孔23和终止孔24扫描得到的光电探测器8输出接近为零，峰值信号则位于两个同步信号之间。
其中单稳态触发器、反相器、加法器均采用常规的模拟器件搭建而成，其中加法器采用OPA-AD8034和外围器件组成，光电探测器为响应ns的InGaAs或硅光电二极管。
光斑图像复原的步骤如下：
【1】采用半径为r0的呈渐开线均匀排布的取样孔阵列扫描整个光斑；
【2】数据采集单元连续采集获得负值同步信号和正值光强信号的交替数据序列；
【3】截取相邻两个同步信号之间的功率数据序列值作为一帧光斑的复原数据；
【4】根据待测量远场激光束的位置、取样孔的位置和转盘扫描转速建立几何映射关系，将步骤【3】截取的数据投射至极坐标或直角坐标系中，画出待测量远场激光束光强相对分布参数对应的光斑图像；
【5】在光强相对分布参数对应的光斑图像上，遍历整个光斑计算得到不同环围半径圆域内的桶中功率值，绘制得到相对的桶中功率分布曲线；
【6】以取样孔半径r0以及步骤【3】中的最大功率信号值PMAX，对步骤【5】中的桶中功率分布曲线进行绝对定标，得到绝对的桶中功率分布曲线。
图5-图7为采用0.5mm的微孔阵列扫描得到试验结果。其中图5为在两个同步信号之间截取得到的激光光斑序列，横坐标为脉冲序列，纵坐标为经过标定得到的光电探测器输出功率幅值，其中箭头所指的峰值信号代表采用0.5mm的微孔获取的桶中功率值——即0.5mm的环围半径内的最大功率值。根据该序列值进行图像复原，得到了如图6所示的激光光斑，其中光斑的灰度值代表了信号的强度。
在计算桶中功率分布曲线中，按照从小到大改变环围半径r，并遍历搜索整个光斑，获得该环围半径内的最大功率值，最后绘制成如图7所示的曲线，即为桶中功率分布曲线。在光斑图像处理中，由于光斑的强度采用灰度值代替，故根据光斑计算桶中功率分布曲线时只能得到相对值，而本发明恰好在r＝0.5mm时获得了如图4所示的桶中功率绝对值，故将该点对应的功率值用于该曲线的绝对定标，可以得到了整条曲线的绝对功率值，最终实现了桶中功率分布曲线的绝对测量。
Claims (8)
1.一种激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法，其特征在于：
其采用一种激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量装置，包括绕中心转轴(5)高速旋转的扫描圆盘(3)、光电探测单元、探测电路和机壳；
探测电路包括反相器、加法器、数据采集单元和处理单元；
扫描圆盘(3)上设置有一组呈渐开线均匀间隔排布且直径相同的取样孔(2)，待测量远场激光束(1)透过取样孔(2)入射至扫描圆盘(3)另一侧的光电探测单元，在扫描圆盘(3)的边沿上设置有一只定位狭缝(21)，在机壳上与定位狭缝(21)相对应的位置设置有红外对管(22)，红外对管(22)的输出信号经过反相器反向为负信号后，与光电探测单元输出的正信号经过加法器叠加后进入数据采集单元，由处理单元根据数据采集单元采集的数据计算得到桶中功率分布曲线参数；
所述方法步骤如下：
【1】采用半径为r0的呈渐开线均匀排布的取样孔阵列扫描整个光斑；
【2】数据采集单元连续采集获得负值同步信号和正值光强信号的交替数据序列；
【3】截取相邻两个同步信号之间的功率数据序列值作为一帧光斑的复原数据；
【4】根据待测量远场激光束的位置、渐开线孔的位置和转盘扫描转速建立几何映射关系，将步骤【3】截取的数据投射至极坐标或直角坐标系，画出待测量远场激光束光强相对分布参数对应的光斑图像；
【5】在光强相对分布参数对应的光斑图像上，遍历整个光斑计算得到不同环围半径圆域内的桶中功率值，绘制得到相对的桶中功率分布曲线；
【6】以取样孔半径r0以及步骤【3】中的最大功率信号值PMAX，对步骤【5】中的桶中功率分布曲线进行绝对定标，得到绝对的桶中功率分布曲线。
2.根据权利要求1所述的激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法，其特征在于：
所述扫描圆盘(3)转动时，定位狭缝(21)到达红外对管(22)的对应位置时，待测量远场激光束(1)入射的位置处于渐开线取样孔阵列中的起始孔(23)和终止孔(24)之间。
3.根据权利要求2所述的激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法，其特征在于：
所述的光电探测单元包括光电探测器(8)，光电探测器(8)的前端设置有积分球(6)。
4.根据权利要求3所述的激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法，其特征在于：
所述的取样孔(2)的孔径不大于待测量远场激光束(1)光斑直径的1/5。
5.根据权利要求3或4所述的激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法，其特征在于：
相邻两只取样孔(2)中心线的间距大于待测量远场激光束(1)尺度。
6.根据权利要求5所述的激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法，其特征在于：
所述的待测量远场激光束(1)尺度为0.1-5mm，取样孔(2)的孔径为0.01-1mm。
7.根据权利要求5所述的激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法，其特征在于：
定位狭缝(21)的长度为3mm，宽度为0.5mm。
8.根据权利要求7所述的激光远场桶中功率分布曲线的绝对测量方法，其特征在于：
扫描圆盘(3)的直径为100mm，转速为100-1kHz。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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