CN112595259A - 一种大光束光功率轮廓分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大光束光功率轮廓分析仪，包括基台、单模保偏光纤光源、扩束准直透镜组、光电探测器阵列和可调光阑；单模保偏光纤光源、扩束准直透镜组、光电探测器阵列、可调光阑沿基台长度方向依次设置，单模保偏光纤光源安装在扩束准直透镜组上，扩束准直透镜组、光电探测器阵列、可调光阑依次安装在基台上并且扩束准直透镜组、光电探测器阵列、可调光阑的高度可调节。本发明能够对大光束的光功率纵向以及横向分布轮廓给与特定精度的测量：固定光电探测器阵列在导轨上的位置不动改变探测器阵列的高度可以实现光束横向功率分布的探测；沿光轴方向移动光电探测器阵列，相同的探测器单元可以实现光束纵向功率分布的探测。

Description

一种大光束光功率轮廓分析仪

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种大光束光功率轮廓分析仪。

背景技术

当利用激光进行精密控制以及精密测量的时候人们往往需要分析激光纵向以及横向的功率分布状况，需要精确控制激光的准直性。在科研领域的冷原子实验方面，需要利用激光来囚禁和冷却原子，为了稳定操控，需要将3对(每对相向传播，总共6束)相互垂直的大直径激光光束分别安排在直角坐标系的3个轴方向上，使进入光束交叉区域的原子始终感受到指向原点(或者说光束交叉中心)的力，这就要求每一对相向传播的光束在各自横截面上光功率必须是平衡的。

目前市场上用于分析激光功率轮廓的仪器大多都采用CCD或者CMOS阵列探测器，测量的动态范围小，并且能测量的光束直径绝大多数都小于1厘米。对于光束直径比较大的状况，一般采用光阑挡光取样，逐点进行功率测量的方式，不仅耗时久、效率低，而且由于激光器输出功率的抖动而导致的测量误差也比较大。对于需要进行准直的情况还需要精确校准激光束方向与探测器前后摆放位置。

发明内容

基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种大光束光功率轮廓分析仪。

本发明提出的一种大光束光功率轮廓分析仪，包括基台、单模保偏光纤光源、扩束准直透镜组、光电探测器阵列和可调光阑；单模保偏光纤光源、扩束准直透镜组、光电探测器阵列、可调光阑沿基台长度方向依次设置，单模保偏光纤光源安装在扩束准直透镜组上，扩束准直透镜组、光电探测器阵列、可调光阑依次安装在基台上并且扩束准直透镜组、光电探测器阵列、可调光阑的高度可调节。

优选的，基台上设有沿其长度方向设置的导轨，导轨上滑动配合安装有第一滑块、第二滑块、第三滑块，扩束准直透镜组、光电探测器阵列、可调光阑分别安装在第一滑块、第二滑块、第三滑块上。

优选的，第一滑块上安装有高度可调节的第一调节杆，第一调节杆顶端安装有俯仰旋转台，扩束准直透镜组安装在俯仰旋转台上并通过调节俯仰旋转台来调节扩束准直透镜组轴线的俯仰角和旋转角。

优选的，第一调节杆包括第一支撑杆和第一套筒，第一套筒竖直设置且其底端与第一滑块连接，第一支撑杆底端嵌装在第一套筒内且第一支撑杆嵌入第一套筒内的深度可调节，俯仰旋转台安装在第一支撑杆上。

优选的，扩束准直透镜组包括柱形筒，柱形筒内固定有两个同轴设置的透镜。

优选的，单模保偏光纤光源的输出端设有光纤耦合头，所述光纤耦合头固定在柱形筒上。

优选的，第二滑块上固定有升降台，升降台上固定有调节板，调节板顶端设有可调狭缝，可调狭缝在竖直方向的宽度可调，光电探测器阵列固定在调节板上并位于可调狭缝远离扩束准直透镜组一侧。

优选的，第三滑块上固定有高度可调节的第二调节杆，可调光阑固定在第二调节杆的顶端。

优选的，第二调节杆包括第二支撑杆和第二套筒，第二套筒竖直设置且其底端与第三滑块连接，第二支撑杆底端嵌装在第二套筒内且第二支撑杆嵌入第二套筒内的深度可调节。

优选的，可调光阑的通光孔直径可调节。

本发明提出的一种大光束光功率轮廓分析仪，能够对大光束的光功率纵向以及横向分布轮廓给与特定精度的测量，固定光电探测器阵列在导轨上的位置不动调节探测器的高度可以实现光束横向功率分布的探测；沿光轴方向移动光电探测器阵列，相同的探测器单元可以实现光束纵向功率分布的探测；所能探测的光束大小取决于所选择的光电探测器阵列，该光电探测器阵列越大，所能探测的光束越大；光电探测器阵列中光电探测单元的大小决定了探测精度，探测单元越小则探测精度越高；通过对比光束纵向功率分布，可以分析光束的准直性。

附图说明

图1为本发明提出的一种大光束光功率轮廓分析仪的结构示意图；

图2为本发明提出的一种大光束光功率轮廓分析仪俯视图；

图3为本发明提出的一种大光束光功率轮廓分析仪测量得到的一维光功率分布图；

图4为本发明提出的一种大光束光功率轮廓分析仪测量得到的横向二维光功率分布图；

图5为本发明提出的一种大光束光功率轮廓分析仪测量得到的纵向光功率分布图。

具体实施方式

参照图1、图2，本发明提出一种大光束光功率轮廓分析仪，包括基台1、单模保偏光纤光源2、扩束准直透镜组3、光电探测器阵列4和可调光阑5；其中：

基台1上设有沿其长度方向设置的导轨6，导轨6上滑动配合安装有第一滑块7、第二滑块8、第三滑块9。第一滑块7、第二滑块8、第三滑块9可以固定也可以沿着导轨6水平滑动，第一滑块7、第二滑块8、第三滑块9的驱动方式可以采用电动也可以采用手动方式。

单模保偏光纤光源2、扩束准直透镜组3、光电探测器阵列4、可调光阑5沿基台1长度方向依次设置，单模保偏光纤光源2安装在扩束准直透镜组3上，扩束准直透镜组3、光电探测器阵列4、可调光阑5分别与第一滑块7、第二滑块8、第三滑块9连接并且扩束准直透镜组3、光电探测器阵列4、可调光阑5的高度可调节。

本实施例中，第一滑块7上安装有高度可调节的第一调节杆10，第一支调节顶端安装有俯仰旋转台11，扩束准直透镜组3安装在俯仰旋转台11上并通过调节俯仰旋转台11来调节扩束准直透镜组3轴线的俯仰角和旋转角；俯仰旋转台11上带两个角度调节旋钮，可以通过角度调节旋钮来改变固定于俯仰旋转台11上的扩束准直透镜组3轴线的俯仰角和旋转角，以调节过扩束准直透镜组3之后的光方向，一般测量过程中需要将光调节为水平且与导轨6的中轴线在一个竖直平面内。

本实施例中，第一调节杆10包括第一支撑杆和第一套筒，第一套筒竖直设置且其底端与第一滑块7连接，第一支撑杆底端嵌装在第一套筒内且第一支撑杆嵌入第一套筒内的深度可调节，俯仰旋转台11安装在第一支撑杆上。

本实施例中，第二滑块8上固定有升降台13，升降台13可以通过调节千分尺来实现高度的精密调节。升降台13上固定有调节板14，调节板14顶端设有可调狭缝，可调狭缝在竖直方向的宽度可调，从而可以在不同高度对光束进行取样；光电探测器阵列4固定在调节板14上并位于可调狭缝远离扩束准直透镜组3一侧。

本实施例中，第三滑块9上固定有高度可调节的第二调节杆15，可调光阑5固定在第二调节杆15的顶端。第二调节杆15包括第二支撑杆和第二套筒，第二套筒竖直设置且其底端与第三滑块9连接，第二支撑杆底端嵌装在第二套筒内且第二支撑杆嵌入第二套筒内的深度可调节。

在具体实施例中，扩束准直透镜组3为共焦的倒置望远镜结构，包括柱形筒301，柱形筒301内固定有两个同轴设置的透镜302。扩束准直透镜组3将单模保偏光纤光源2中输出的细光束扩束到需要的尺寸，同时将扩束后的光进行准直。

在具体实施例中，单模保偏光纤光源2包含光源和耦合光纤，耦合光纤的输出端设有光纤耦合头12，所述光纤耦合头12固定在柱形筒301上，从而将光纤输出端置于扩束准直透镜组3的轴线上。在实际应用中，单模保偏光纤光源2和扩束准直透镜组3可以替换为任何可以调节准直性的光源。

在具体实施例中，光电探测器阵列4面垂直于光轴方向，由多个小型光电探测器紧密排列而成线阵。本实施例分析仪所能探测的光束大小取决于所选择的光电探测器阵列4，光电探测器阵列4越大，所能探测的光束越大，光电探测器阵列中光电探测单元大小决定了探测精度，探测单眼越小则探测越精确。光电探测器阵列4中各个探测单元探测到的光电流可以通过驱动电路瞬间被逐个读取，大大加快了探测速度；滑动光电探测器阵列4，改变光电探测器阵列4的位置进行探测，可以实现光束纵向功率分布；固定第二滑块8、改变狭缝和光电探测器阵列的高度进行多次取样测量可以得到该处光束横向功率分布；固定狭缝高度，改变第二滑块8的位置，可以得到确定高度位置光束的纵向功率分布；根据光束的纵向功率分布可以判断光束的准直性。

在具体实施例中，可调光阑5的通光孔直径可调节，通过沿导轨滑动可以直线改变可调光阑5的位置。固定光阑通光孔径大小和激光束光斑大小相当，通过观察不同位置处通光情况可以粗略判断激光准直性；调节激光束的俯仰角和旋转角使得在不同位置处光阑的通光情况基本相同，可以实现激光束的初步准直。在利用光电探测器阵列4进行测量的过程中可调光阑5可以关闭，放置在与单模保偏光纤光源2相对的导轨6另一侧，用于挡光，从而对人身安全起到保护作用。

本发明的具体工作方法如下：

对于大光束的光功率轮廓分析，分为横向功率分布测量和纵向功率分布测量；按附图1安装好各元器件，并摆放好第一滑块7、第二滑块8、第三滑块9的相对位置，固定第一滑块7：

横向功率分布测量：

(1)PD阵列处一维光功率分布测量：固定光束，调节光电探测器阵列4和调节板14整体的高度至光束覆盖区域，通过光电探测器阵列4的驱动电路按序逐个读取阵列单元中探测器的探测值便可得到阵列处的一维光功率分布；对于高斯光束而言，根据一维光功率分布情况利用高斯拟合可以非常方便地得到其束腰大小。如图3所示，为64个宽度为0.8mm阵列单元探测得到的一维光功率分布，其束腰大小为5.79mm。

(2)二维光功率分布测量：固定光束以及第二滑块8在导轨6上的位置，调节光电探测器阵列4和调节板14整体的高度(调节步进为探测单元竖直方向的分辨率)，逐点测量便可以得到整个光束的横向功率分布。如图4为64个宽度为0.8mm阵列单元探测得到的二维光功率分布，其竖直方向分辨率为0.8mm。

纵向光功率分布测量：

固定可调节狭缝的宽度以及光电探测器阵列4和调节板14整体的高度，滑动第二滑块8，改变第一滑块7和第二滑块8的间距，相同阵列单元探测到的结果即为光束功率的纵向分布。对于高斯激光光束而言，垂直于激光束的纵向位置处任意一个一维光功率分布会有所不同，但是其束腰值是一样的。因而，通过测量不同纵向位置处的束腰大小可以衡量激光束的发散情况。如图5所示，为光电探测器阵列4和调节板14整体的纵向位置(初始位置定为0)得到的光功率一维分布情况，对应的束腰大小分别为1.25mm，3.50mm和5.79mm，根据三次测量之间的距离可以得到光束发散角为0.29°。因而，利用本发明测量纵向光功率分布的情况可以非常方便地对光束准直性给出指导(准直性好的光束其任意纵向位置处的束腰应该保持一致)。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，包括基台(1)、单模保偏光纤光源(2)、扩束准直透镜组(3)、光电探测器阵列(4)和可调光阑(5)；单模保偏光纤光源(2)、扩束准直透镜组(3)、光电探测器阵列(4)、可调光阑(5)沿基台(1)长度方向依次设置，单模保偏光纤光源(2)安装在扩束准直透镜组(3)上，扩束准直透镜组(3)、光电探测器阵列(4)、可调光阑(5)依次安装在基台(1)上并且扩束准直透镜组(3)、光电探测器阵列(4)、可调光阑(5)的高度可调节。

2.根据权利要求1所述的大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，基台(1)上设有沿其长度方向设置的导轨(6)，导轨(6)上滑动配合安装有第一滑块(7)、第二滑块(8)、第三滑块(9)，扩束准直透镜组(3)、光电探测器阵列(4)、可调光阑(5)分别安装在第一滑块(7)、第二滑块(8)、第三滑块(9)上。

3.根据权利要求2所述的大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，第一滑块(7)上安装有高度可调节的第一调节杆(10)，第一调节杆(10)顶端安装有俯仰旋转台(11)，扩束准直透镜组(3)安装在俯仰旋转台(11)上并通过调节俯仰旋转台(11)来调节扩束准直透镜组(3)轴线的俯仰角和旋转角。

4.根据权利要求3所述的大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，第一调节杆(10)包括第一支撑杆和第一套筒，第一套筒竖直设置且其底端与第一滑块(7)连接，第一支撑杆底端嵌装在第一套筒内且第一支撑杆嵌入第一套筒内的深度可调节，俯仰旋转台(11)安装在第一支撑杆上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，扩束准直透镜组(3)包括柱形筒(301)，柱形筒(301)内固定有两个同轴设置的透镜(302)。

6.根据权利要求5所述的大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，单模保偏光纤光源(2)的输出端设有光纤耦合头(12)，所述光纤耦合头(12)固定在柱形筒(301)上。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，第二滑块(8)上固定有升降台(13)，升降台(13)上固定有调节板(14)，调节板(14)顶端设有可调狭缝，可调狭缝在竖直方向的宽度可调，光电探测器阵列(4)固定在调节板(14)上并位于可调狭缝远离扩束准直透镜组(3)一侧。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，第三滑块(9)上固定有高度可调节的第二调节杆(15)，可调光阑(5)固定在第二调节杆(15)的顶端。

9.根据权利要求8所述的大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，第二调节杆(15)包括第二支撑杆和第二套筒，第二套筒竖直设置且其底端与第三滑块(9)连接，第二支撑杆底端嵌装在第二套筒内且第二支撑杆嵌入第二套筒内的深度可调节。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的大光束光功率轮廓分析仪，其特征在于，可调光阑(5)的通光孔直径可调节。

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