CN111551250B - 一种测量光场分布的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量光场分布的方法及装置。利用光阱稳定悬浮微粒，移动光阱使微粒靠近待测光场，利用光电探测器收集微粒在待测光场的三维空间中不同位置的散射光信号，根据散射光强与该位置的光强成正比解算出待测光场的光场分布。测量光场分布的装置，包括激光器、捕获光路、微粒、光电探测器、控制系统和上位机；激光器出射激光，经过捕获光路，出射高度聚焦的捕获光B，形成光阱，捕获微粒；微粒在待测光场A中的某个位置，散射光C被光电探测器收集；光电探测器将散射光信号上传到上位机；上位机根据不同位置处获取的散射光信号解算出待测光场A的光场分布。本发明可精确获得光场的三维光强分布，将光场测量的空间分辨率提升到纳米量级。

Description

一种测量光场分布的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种测量光场分布的方法及装置。
背景技术
光束质量是评价激光束好坏的重要参数，直接影响激光器的应用范围和效率。光束质量测量的关键在于测量光斑能量分布和确定激光束的束宽。常用的光场分布和束腰测量方法有：
（1）套孔法或小孔扫描法：出自国标《激光辐射光束直径测试方法》（GB/T137411992），将孔径为r的光阑放在光路中，并使之略小于光斑半径ω，通过测量有无光阑时的能量比计算透射率T：
Figure 680813DEST_PATH_IMAGE001
根据透射率T，光斑半径表示为：
Figure 4478DEST_PATH_IMAGE002
或者利用小孔探测到归一化的光强分布曲线，然后计算出该处的光斑半径。
（2）刀口法：出自国标《固体激光器测试方法》（GJB5441-2005），将刀口放置于激光器及功率计（或能量计）之间的光轴上，刀口在一个机械平台上沿和光束垂直的x方向移动，逐渐遮挡住输出光斑，进入功率计（或能量计）的功率（或能量）逐渐减小， 探测器测量出的透射激光功率为刀口位置的函数。记录功率计（或能量计） 读数为原始功率（或能量）的84%及16%时的对应几何位置x 1及x 2，
Figure 49794DEST_PATH_IMAGE003
计算x方向的光束直径d x 。
（3）CCD法：出自国标《固体激光器测试方法》（GJB5441-2005），将CCD探头垂直置于光轴处，选择适当的衰减量，并充分利用CCD动态范围， 测量光束横截面的能量（或功率）强度分布，然后按照光强分布的二阶矩计算光束直径。
（4）空心探针测量法：出自国标《工业用大功率激光器光束质量测试评定方法》（GB/T246642009），借助于一个转动的能传输激光束的空心针而起作用。一定速电机带动一
空心探针，探针转动使微孔对光斑进行扫描。空心针一端的侧表面上开有一小孔，在探针扫
过光束截面的瞬时过程中，由小孔进入的激光束通过内空腔被引导至转轴上，由此处的探测器进行检测。转动系统在步进电机控制下可垂直于光束方向平动，随着整个探针支架的平移，就能划出一系列弧线来，同时，高速采样系统对热电探测器输出的信号采样后送入后续电路进行处理。采样过程在扫描光斑的瞬间完成。从而探测到光束横截面上的光强分布，由此扫描出整个光斑的功率密度分布情况。在测量不同强度和不同尺寸的光束时，可选择不同微孔孔径的探针，同时调整平动步长，这样，即可满足测量非聚焦光束的要求，也可以实现对聚焦光斑的测量。
上述各类方法的特点在于，对光场分布测量的空间分辨率受限于测量单元（小孔或像素元）的尺寸。例如，套孔法、小孔扫描法和空心探针测量法的空间分辨率取决于小孔的尺寸，一般测量聚焦光斑时，小孔的直径为15~50μm；测量非聚焦光束时，小孔直径为100~500μm；当小孔尺寸太小时，光学衍射效应会给测量结果带来较大误差，小孔的加工难度也进一步增大；CCD法的空间分辨率取决于像素元的尺寸，通常也是微米量级。
因此这些方法的空间分辨率只能达到微米量级，对于高度聚焦光斑的光场分布，尤其是束腰尺寸小于测量单元的光场，无法直接测量，故很难精确获得光场的三维光强分布。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种测量光场分布的方法及装置。
一种测量光场分布的方法，利用光阱稳定悬浮微粒，移动光阱使微粒靠近待测光场，利用光电探测器收集微粒在待测光场的三维空间中不同位置的散射光信号，根据散射光强与该位置的光强成正比解算出待测光场的光场分布。
所述的光电探测器收集的信号为微粒对待测光场的散射光信号，不包含微粒对捕获光场的散射光信号；
为了消除微粒对捕获光场的散射光信号对测量结果的影响，优先从与待测光场不一样的波段中选取光阱捕获光场的波长；如果光阱捕获光场的波长与待测光场的波长相近时，所述的待测光场的波长与光阱捕获光的波长一致时，在光电探测器前添加滤光片，滤除微粒对捕获光的散射光；如果光阱捕获光场的波长与待测光场的波长相同时，使待测光场的光束传播方向与光阱捕获光的传播方向成一定角度，并从捕获光的垂直方向收集微粒对待测光场的散射光信号。
所述的光电探测器将微粒对待测光场的散射光的光强转化为与光强直接相关的物理量，包括光强、光功率和亮度。
所述的微粒对待测光阱进行逐点扫描，对待测光场的测量空间分辨率等于扫描的间隔长度。
一种采用所述的方法的测量光场分布的装置，包括激光器、捕获光路、微粒、光电探测器、控制系统和上位机；激光器出射激光，经过捕获光路，出射高度聚焦的捕获光B，形成光阱，捕获微粒；微粒在待测光场A中的某个位置，散射光C被光电探测器收集；光电探测器将散射光信号上传到上位机；微粒和光电探测器的相对位置固定，控制系统同步控制微粒和光电探测器的位置，使微粒对待测光场A进行逐点扫描；上位机根据不同位置处获取的散射光信号解算出待测光场A的光场分布。
所述的光阱包括单光束光阱或双光束光阱。
所述的光电探测器可采用CCD、CMOS、光强计、光功率计、亮度计。
所述的控制系统的扫描步长决定了所述的装置测量光场的空间分辨率，达到纳米量级。
本发明的有益效果：
可精确获得光场的三维光强分布，将光场测量的空间分辨率提升到纳米量级。
附图说明
图1为本发明装置的一种结构示意图；
如图1所示，激光器1、捕获光路2、微粒3、光电探测器4、控制系统5和上位机6。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。
一种测量光场分布的方法：
利用光阱稳定悬浮微粒，移动光阱使微粒靠近待测光场，利用光电探测器收集微粒在待测光场的三维空间中不同位置的散射光信号，散射光强与该位置的光强成正比，光强越强，散射光信号越强。可通过逐点移动微粒的位置，获取待测光场在三维空间中不同位置的光强。
待测光场中微粒与光波长的比值为：
Figure 350064DEST_PATH_IMAGE004
其中r为微粒的半径，λ为光波长，根据散射理论，当
Figure 430015DEST_PATH_IMAGE005
时，微粒发生瑞利散射；当
Figure 783636DEST_PATH_IMAGE006
时，微粒发生米散射；当
Figure 191615DEST_PATH_IMAGE007
时，微粒可以看成是几何透镜发生散射。不管是那种情况，在某个散射角度方向上的散射光强均与微粒所处位置的光场强度成正比，以瑞利散射为例，散射光强可表示为：
Figure 656094DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure 856131DEST_PATH_IMAGE009
为微粒所处位置的光强，
Figure 990440DEST_PATH_IMAGE010
为散射角度，即光电探测器观测方向与光束传播方向之间的夹角，d为光电探测器与待测微粒之间的距离，n为微粒与环境介质之间的相对折射率。
如图1所示，一种测量光场分布的装置：包括激光器1、捕获光路2、微粒3、光电探测器4、控制系统5和上位机6。
激光器1出射激光，经过捕获光路2，出射高度聚焦的捕获光B，形成光阱，捕获微粒3（图中采用标准微粒）；微粒3在待测光场A中的某个位置，其散射光C被光电探测器4收集；光电探测器4将散射光信号上传到上位机6；微粒3和光电探测器4的相对位置固定，控制系统5同步控制微粒3和光电探测器4的位置，使微粒3对待测光场A进行逐点扫描；上位机6根据不同位置处获取的散射光信号解算出待测光场A的光场分布。
对于本领域技术人员来说，本发明可以有不同的变形。比如：
（1）根据捕获光路的不同，形成的光阱可以是单光束光阱，也可以是双光束光阱。
（2）标准微粒是已知尺寸、密度和散射特性的光学均匀介质微粒，尺寸为纳米到微米量级；微粒的尺寸仅影响探测过程中采用的散射光信号模型和光阱的结构。
（3）光场所在环境可以为液体、空气或真空。
（4）待测光场的波长与光阱捕获光的波长可以一致，也可以不同；如果两者相同，则需要在探测器前添加滤光片，滤除微粒对捕获光的散射光。
（5）待测光场的光束传播方向与光阱捕获光的传播方向可以成任意角度。
（6）光电探测器可以是CCD或CMOS，也可以是光强计、光功率计、亮度计，只要探测器能获得与光强直接相关的物理量即可，可以为光强、光功率和亮度等。
（7）光电探测器收集散射光的散射角度范围可以为0-180℃，散射角度为0℃时对应于前向散射光，散射角度为90℃时对应于正侧向散射光，散射角度为180℃时对应于后（背）向散射光。
（8）在测量不同尺寸的光束时，可选择不同尺寸的微粒，同时调整控制系统的扫描步长。扫描步长和微粒尺寸共同决定了测量光场的空间分辨率，一般可达到nm量级。
应用实施例
待测光场A为532nm激光经过一数值孔径NA=0.9的显微物镜后的聚焦光场，具有类高
斯分布，其理论束腰尺寸和瑞利距离均不足1μm，小于一般小孔或CCD相机像素元的尺寸，因此无法利用一般的方法测量其光场分布，可利用本发明提供的方法测量其光场分布，特别是标定其束腰尺寸。
激光器1采用1064nm单模激光器，捕获光路2包括一对准直透镜、一对反射镜和一个聚焦物镜；激光器1出射的激光经捕获光路的扩束准直和聚焦后形成单光束光阱；选用标称直径为50nm的二氧化硅微球标准样品；光电探测器4选用发光二极管光强计，在其探头上方加入一块滤光片，滤除散射光中波长为1064nm的杂散光，只接收待测光场的散射光；光强计将探测信号输入到上位机中进行处理；控制系统5为步进电机控制系统，通过控制捕获光路2中光学元件的位置并带动光强计，使二氧化硅微粒与光强计在测量过程中的相对位置保持不变。
单光束光阱捕获单个二氧化硅微粒，靠近待测光场；当微粒位于待测光场束腰平面内，步进电机系统带动微粒和光强计垂直于待测光场的光轴方向运动，上位机收集整个束腰平面内不同位置处的散射光信号，可以获取束腰平面内的光场分布；步进电机系统的扫描步长为5nm，小于待测光场的束腰尺寸，因此可以精准获取待测光场的束腰信息。
微粒沿光轴方向运动一定位移，重复上述步骤，可以获得不同光束横截面上的光场分布；基于不同光束横截面的光场分布，可以获取待测光场在三维空间中不同位置的光强。
最后所应说明的是，以上实施例和阐述仅用以说明本发明的技术方案而非进行限制。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，不脱离本发明技术方案公开的精神和范围的，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围当中。

Claims (5)

1.一种测量光场分布的方法，其特征在于，利用光阱稳定悬浮微粒，移动光阱使微粒靠近待测光场，利用光电探测器收集微粒在待测光场的三维空间中不同位置的散射光信号，根据散射光强与该位置的光强成正比解算出待测光场的光场分布；
所述的光电探测器收集的信号为微粒对待测光场的散射光信号，不包含微粒对捕获光场的散射光信号；
为了消除微粒对捕获光场的散射光信号对测量结果的影响，优先从与待测光场不一样的波段中选取光阱捕获光场的波长；如果光阱捕获光场的波长与待测光场的波长相近时，所述的待测光场的波长与光阱捕获光的波长一致时，在光电探测器前添加滤光片，滤除微粒对捕获光的散射光；如果光阱捕获光场的波长与待测光场的波长相同时，使待测光场的光束传播方向与光阱捕获光的传播方向成一定角度，并从捕获光的垂直方向收集微粒对待测光场的散射光信号；
所述的光电探测器将微粒对待测光场的散射光的光强转化为与光强直接相关的物理量，包括光强、光功率和亮度；
所述的微粒对待测光场进行逐点扫描，对待测光场的测量空间分辨率等于扫描的间隔长度。
2.一种采用如权利要求1所述的方法的测量光场分布的装置，其特征在于，包括激光器、捕获光路、微粒、光电探测器、控制系统和上位机；
激光器出射激光，经过捕获光路，出射高度聚焦的捕获光B，形成光阱，捕获微粒；微粒在待测光场A中的某个位置，散射光C被光电探测器收集；光电探测器将散射光信号上传到上位机；微粒和光电探测器的相对位置固定，控制系统同步控制微粒和光电探测器的位置，使微粒对待测光场A进行逐点扫描；上位机根据不同位置处获取的散射光信号解算出待测光场A的光场分布。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的光阱包括单光束光阱或双光束光阱。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的光电探测器可采用CCD、CMOS、光强计、光功率计、亮度计。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的控制系统的扫描步长决定了所述的装置测量光场的空间分辨率，达到纳米量级。
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