CN112326021A - 一种激光光束性能参数单点测量方法 - Google Patents

一种激光光束性能参数单点测量方法 Download PDF

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王菲
黄一芮
李鸿志
刘长青
李玉瑶
苏忠民
李丽娟
田明
罗宽
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Abstract

本发明公开了一种激光光束性能参数单点测量方法，利用四波横向剪切技术获取一幅四波横向剪切干涉图，采用傅里叶变换法把四波横向剪切干涉图变换到频域，采用频域滤波来获得正一级频谱以及零频，通过傅里叶逆变换获取x向和y方向差分相位，采用差分zernike算法重构待测相位信息，对零频傅里叶逆变换获取光强信息。根据相位信息和光强信息重构复振幅，采用二阶矩法获得该z位置光斑尺寸ω(z)，采取最小二乘法球面拟合获得曲率半径R(z)，根据R(z)和ω(z)计算出远场发散角θ0、束腰光斑尺寸ω0和光束质量因子M2。

Description

一种激光光束性能参数单点测量方法
技术领域
本发明涉及一种激光光束性能参数单点测量方法，属于激光技术领域。
背景技术
随着激光技术在工业、农业、军事及国防安全等领域的广泛应用，激光器光束性能参数的评价与测量引起了人们的关注。以美国Spiricon公司的光束质量因子测量仪为代表的激光光束性能参数的测量仪，主要采用CCD探测器件测量激光光束束腰前后一段距离内若干个点的光斑直径，然后拟合双曲线进而求相应的激光光束性能参数；而采用双曲线拟合的方法测量激光光束性能参数，需要测量瑞利范围内多个点的光斑直径，为了获得较好的拟合精度，通常需要测量十个点以上，如此多次的测量不同位置的光斑直径需要耗费较长的时间，增加较大工作量，同时也引入了一定的误差。
发明内容
针对现有激光光束性能参数测量时误差大、周期长、无法检测光束焦点轴向位置及无法单点测量等问题，本发明的目的在于提出一种激光光束性能参数单点测量方法，通过四波横向剪切干涉法获取被测激光束波前曲率半径R(z)、束宽积、远场发散角θ0、束腰光斑ω0、瑞利长度z0、光束质量因子M2等。
如附图1所示，本发明提供一种激光光束性能参数单点测量方法，包括以下步骤：
步骤一、获取一幅像元数宽度W、像元数长度H的四波横向剪切干涉图像；所述的图像无背景噪声和饱和像元；
所述步骤一中四波横向剪切干涉图是这样获取的：采用一个二维位相光栅将被测激光器的光束进行分束，通过小孔光阑阻挡其他衍射级次的光束，仅让(±1，±1)级次的四支子光束通过，通过一个透镜使四支子光束聚焦在图像传感器的探测面上，从而在图像传感器上得到四波横向剪切干涉图；
步骤二、对四波横向剪切干涉图进行傅里叶变换，得到一幅频谱图，在频域下的四波横向剪切干涉图包含一个中心零频和四对基频，以中心零频中点O为坐标原点，选取水平向右方向为x轴正方向，竖直向上方向为y轴正方向，建立直角坐标系xOy；
步骤三、采用频域滤波的方法分别筛选出x方向和y方向上的正一级频谱以及零级频谱，并进行傅里叶逆变换获取x方向和y方向上的差分相位信息以及光强信息It；
步骤四、利用步骤三得到的x方向和y方向差分相位信息进行最小二乘法拟合，计算出zernike系数，利用zernike系数和zernike多项式重构被测激光束相位信息
Figure BDA0002752704560000011
步骤五、将步骤四中获得的被测激光束相位信息看做一个球面，对这个球面进行最小二乘法球面拟合获取该球面半径，即被测激光束波前曲率半径R(z)；
步骤六、根据获得的光强信息It和相位信息
Figure BDA0002752704560000012
利用公式(1)重构出激光光束的复振幅E(x，y)，并求出复振幅共轭E*(x，y)，根据公式(2)得到光强I(x，y)；
Figure BDA0002752704560000021
I(x,y)＝E(x,y)*E*(x,y) (2)
步骤七、利用公式(3)和(4)计算出激光光斑质心的坐标位置(xc，yc)；
Figure BDA0002752704560000022
Figure BDA0002752704560000023
步骤八、利用公式(5)和(6)计算出该光斑尺寸ωx(z)和ωy(z)；
Figure BDA0002752704560000024
Figure BDA0002752704560000025
步骤九、根据步骤五得到的波前曲率半径R(z)和步骤八得到的该位置光斑尺寸ωx(z)和ωy(z)，由公式(7)至公式(12)求取激光束x向和y向的远场发散角(θ0x、θ0y)、束腰光斑尺寸(ω0x、ω0y)和束腰光斑位置(zx、zy)；
Figure BDA0002752704560000026
Figure BDA0002752704560000027
Figure BDA0002752704560000028
Figure BDA0002752704560000029
Figure BDA00027527045600000210
Figure BDA00027527045600000211
Figure BDA0002752704560000031
Figure BDA0002752704560000032
步骤十、根据步骤九获得束腰光斑尺寸ω0x和ω0y以及激光束远场发散角θ0x和θ0y，利用公式(13)和(14)求得光束质量因子
Figure BDA0002752704560000033
和
Figure BDA0002752704560000034
有益效果：本发明提供的一种激光光束性能参数单点测量方法，通过对被测激光束沿轴方向任意一个位置垂轴光斑的探测，即可以求出被测激光束的波前曲率半径、束腰光斑尺寸、远场发散角、束宽积及光束质量因子M2，具有测量方法简单及测量效率高等优点。
附图说明
图1是一种激光光束性能参数单点测量方法流程图。
具体实施方式
实施例1一种激光光束性能参数单点测量方法。
如附图1所示，本发明提供一种激光光束性能参数单点测量方法，包括以下步骤：
步骤一、获取一幅像元数宽度W、长度像元数H的四波横向剪切干涉图像；所述的图像无背景噪声和饱和像元；
所述步骤一中四波横向剪切干涉图是这样获取的：采用一个二维位相光栅将被测激光器的光束进行分束，通过小孔光阑阻挡其他衍射级次的光束，仅让(±1，±1)级次的四支子光束通过，通过一个透镜使四支子光束聚焦在图像传感器的探测面上，从而在图像传感器上得到四波横向剪切干涉图；
步骤二、对四波横向剪切干涉图进行傅里叶变换，得到一幅频谱图，在频域下的四波横向剪切干涉图包含一个中心零频和四对基频，以中心零频中点O为坐标原点，选取水平向右方向为x轴正方向，竖直向上方向为y轴正方向，建立直角坐标系xOy；
步骤三、采用频域滤波的方法分别筛选出x方向和y方向上的正一级频谱以及零级频谱，并进行傅里叶逆变换获取x方向和y方向上的差分相位信息以及光强信息It；
步骤四、利用步骤三得到的x方向和y方向差分相位信息进行最小二乘法拟合，计算出zernike系数，利用zernike系数和zernike多项式重构被测激光束相位信息
Figure BDA0002752704560000035
步骤五、步骤四中获得的被测激光束相位信息可以看做一个球面，对这个球面进行最小二乘法球面拟合获取该球面半径，即被测激光束波前曲率半径R(z)；
步骤六、根据获得的光强信息It和相位信息
Figure BDA0002752704560000036
利用公式(1)重构出激光光束的复振幅E(x，y)，并求出复振幅共轭E*(x，y)，根据公式(2)得到光强I(x，y)；
Figure BDA0002752704560000037
I(x,y)＝E(x,y)*E*(x,y) (2)
步骤七、利用公式(3)和(4)计算出激光光斑质心的坐标位置(xc，yc)；
Figure BDA0002752704560000041
Figure BDA0002752704560000042
步骤八、利用公式(5)和(6)计算出该光斑尺寸ωx(z)和ωy(z)；
Figure BDA0002752704560000043
Figure BDA0002752704560000044
步骤九、根据步骤五得到的波前曲率半径R(z)和步骤八得到的该位置光斑尺寸ωx(z)和ωy(z)，由公式(7)至公式(12)求取激光束x向和y向的远场发散角(θ0x、θ0y)、束腰光斑尺寸(ω0x、ω0y)和束腰光斑位置(zx、zy)；
Figure BDA0002752704560000045
Figure BDA0002752704560000046
Figure BDA0002752704560000047
Figure BDA0002752704560000048
Figure BDA0002752704560000049
Figure BDA00027527045600000410
Figure BDA00027527045600000411
Figure BDA0002752704560000051
步骤十、根据步骤九获得束腰光斑尺寸ω0x和ω0y以及激光束远场发散角θ0x和θ0y，利用公式(13)和(14)求得光束质量因子
Figure BDA0002752704560000052
和
Figure BDA0002752704560000053

Claims (2)

1.一种激光光束性能参数单点测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取一幅像元数宽度W、像元数长度H的四波横向剪切干涉图像；
步骤二、对四波横向剪切干涉图进行傅里叶变换，得到一幅频谱图，在频域下的四波横向剪切干涉图包含一个中心零频和四对基频，以中心零频中点O为坐标原点，选取水平向右方向为x轴正方向，竖直向上方向为y轴正方向，建立直角坐标系xOy；
步骤三、采用频域滤波的方法分别筛选出x方向和y方向上的正一级频谱以及零级频谱，并进行傅里叶逆变换获取x方向和y方向上的差分相位信息以及光强信息It；
步骤四、利用步骤三得到的x方向和y方向差分相位信息进行最小二乘法拟合，计算出zernike系数，利用zernike系数和zernike多项式重构被测激光束相位信息
Figure FDA0002752704550000018
步骤五、将步骤四中获得的被测激光束相位信息看做一个球面，对这个球面进行最小二乘法球面拟合获取该球面半径，即被测激光束波前曲率半径R(z)；
步骤六、根据获得的光强信息It和相位信息
Figure FDA0002752704550000019
利用公式(1)重构出激光光束的复振幅E(x，y)，并求出复振幅共轭E*(x，y)，根据公式(2)得到光强I(x，y)；
Figure FDA0002752704550000011
I(x,y)＝E(x,y)*E*(x,y) (2)
步骤七、利用公式(3)和(4)计算出激光光斑质心的坐标位置(xc，yc)；
Figure FDA0002752704550000012
Figure FDA0002752704550000013
步骤八、利用公式(5)和(6)计算出该光斑尺寸ωx(z)和ωy(z)；
Figure FDA0002752704550000014
Figure FDA0002752704550000015
步骤九、根据步骤五得到的波前曲率半径R(z)和步骤八得到的该位置光斑尺寸ωx(z)和ωy(z)，由公式(7)至公式(12)求取激光束x向和y向的远场发散角(θ0x、θ0y)、束腰光斑尺寸(ω0x、ω0y)和束腰光斑位置(zx、zy)；
Figure FDA0002752704550000016
Figure FDA0002752704550000017
Figure FDA0002752704550000021
Figure FDA0002752704550000022
Figure FDA0002752704550000023
Figure FDA0002752704550000024
Figure FDA0002752704550000025
Figure FDA0002752704550000026
步骤十、根据步骤九获得束腰光斑尺寸ω0x和ω0y以及激光束远场发散角θ0x和θ0y，利用公式(13)和(14)求得光束质量因子
Figure FDA0002752704550000027
和
Figure FDA0002752704550000028
2.如权利要求1所述的一种激光光束性能参数单点测量方法，其特征在于：所述步骤九中，利用波前曲率半径R(z)和该位置光斑尺寸ωx(z)和ωy(z)，由公式(7)至公式(12)求取激光束x向和y向的远场发散角(θ0x、θ0y)、束腰光斑尺寸(ω0x、ω0y)和束腰光斑位置(zx、zy)。
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