CN112834026B - 基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光检测技术领域，公开了一种基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法，包括：使待测激光光束射向分光镜，分光镜将接受到的光束分束成1:1的两束光，第一束光经过1/4波片后，入射在透射式体布拉格光栅上，转动旋转平台使入射于透射式体布拉格光栅的光束满足布拉格角度发生衍射，衍射光被第一功率计接收，测得最大衍射功率；而第二束光直接被第二功率计接收，测得功率，可以得到光束的衍射效率η’；再根据不同的光束发散角与衍射效率之间的曲线关系可以得出待测激光光束发散角。通过上述方式，本发明能够针对不同的待测光束，通过透射式体布拉格光栅衍射效率与发散角之间的测量关系，精确地得出待测光束的发散角大小。

Description

基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法

技术领域

本发明涉及激光检测技术领域，特别是涉及一种基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法。

背景技术

光束发散角是衡量激光光束质量的一个重要参数，反映了光束在不同距离传输时的发散特性，可作为评价激光器的一个重要指标。在诸多应用领域，如激光雷达、激光测距和激光通信等都要求激光的光束发散角要小。光束发散角小能够有效的利用激光能量，进而可以降低系统接收灵敏度等方面的要求。因此，如何精确的检测激光光束发散角的大小具有十分重要的意义。

目前，采用CCD测量法、套孔法和刀口法实现激光光束发散角的测量。

使用CCD测量法往往要求系统具有更高的精度，在测量中不断的增加衰减片防止聚焦过程中导致CCD相机的损坏，同时要不断地寻找光束的焦点位置，测量效率低下。而且由于CCD的阈值低，强激光测量中，添加更多的衰减片会导致光斑产生变形，影响测量精度。

套孔法在测量的过程中，需要人为实现光束中心与小孔光阑的中心对准，测量过程繁琐且效率低，系统调试存在的误差会引起较大的测试误差。

刀口法测量光束质量时，尤其是高斯光束和极细光束的测量，其测量精度有限，测量误差会对光束质量的测量结果产生影响。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法，能够针对不同的待测光束，通过透射式体布拉格光栅衍射效率与发散角之间的测量关系，精确地得出待测光束的发散角大小。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法，包括如下步骤：

(1)准备好实现方法的装置：发射光源、扩束准直系统、光阑、第一凸透镜、针孔、第二凸透镜、分光镜、1/4波片、透射式体布拉格光栅、旋转平台、第一功率计、第二功率计和光斑图像获取装置；其中，所述射式体布拉格光栅设置在所述旋转平台上；

(2)使所述发射光源发出的光束依次经过所述扩束准直系统、光阑、第一凸透镜、针孔和第二凸透镜后，再射向所述分光镜；

(3)所述分光镜将接受到的光束分束成1:1的两束光，这两束光分别定义为第一束光和第二束光；所述第一束光经过所述1/4波片后，入射在所述透射式体布拉格光栅上，转动所述旋转平台使入射于所述透射式体布拉格光栅的光束满足布拉格角度发生衍射，衍射光被第一功率计接收，测得最大衍射功率为P1；而所述第二束光直接被第二功率计接收，测得功率为P2；此时，可以得到光束的衍射效率η＝P1/P2；

(4)用所述光斑图像获取装置代替所述第二功率计，以接收第二束光的光斑；通过计算机对该光斑图像进行数据处理，并根据光斑半径处在光束峰值强度的1/e2的位置获得光束的光斑半径w；测得所述第二凸透镜与所述针孔之间的距离为z；根据公式tanθ＝w/z，其中，θ为光束的半发散角，可计算获得光束的发散角为2θ；

(5)通过前后移动所述第二凸透镜相对所述分光镜的位置，实现入射于所述透射式体布拉格光栅的光束发散角的改变，然后继续步骤(3)和步骤(4)；这样多次操作后，可以得到多组不同的光束发散角和相对应的衍射效率的数据值，进而能够得到不同的光束发散角与相应衍射效率之间的曲线关系；

(6)使待测激光光束射向所述分光镜，然后继续步骤(3)得到该待测激光光束的衍射效率η’；之后再根据步骤(5)得到的不同的光束发散角与衍射效率之间的曲线关系可以得出待测激光光束发散角。

优选的，所述针孔选取的尺寸大小可根据瑞利判据公式Δd＝1.22λf1/D求得；其中，λ为发射光源的发射波长，f1为第一凸透镜的焦距，D为光阑孔径，Δd为针孔直径。

优选的，所述发射光源具体为激光器；所述光斑图像获取装置具体为CCD相机或光斑分析仪。

优选的，所述1/4波片使用偏振片替代，以实现某一方向的偏振光通过。

优选的，所述透射式体布拉格光栅为相位型体布拉格光栅；其光栅厚度大于0.5mm，光栅周期为0.1μm～6μm，折射率调制度大于10ppm，栅线倾斜角为0～90°。

本发明的有益效果是：本发明能够针对不同的待测光束，通过透射式体布拉格光栅衍射效率与发散角之间的测量关系，精确地得出待测光束的发散角大小；且使用的装置简单，误差产生概率比较低，而且精度高。

附图说明

图1是本发明基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法所使用装置的结构示意图；

图2是本发明基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法中的不同的光束发散角与相应衍射效率之间的曲线关系图；

图3是本发明基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法中移动第二凸透镜处于一位置后，使用CCD相机分别接收入射光束的初始光斑形状、经透射式体布拉格光栅透射后的透射光斑形状和经透射式体布拉格光栅衍射后的衍射光斑形状图；

图4是本发明基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法中移动第二凸透镜处于另一位置后，使用CCD相机分别接收入射光束的初始光斑形状、经透射式体布拉格光栅透射后的透射光斑形状和经透射式体布拉格光栅衍射后的衍射光斑形状图；

图5是本发明基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法中移动第二凸透镜处于其它位置后，使用CCD相机分别接收入射光束的初始光斑形状、经透射式体布拉格光栅透射后的透射光斑形状和经透射式体布拉格光栅衍射后的衍射光斑形状图；

图6是验证本发明基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法所使用的三块透射式体布拉格光栅的角度选择性曲线图；

图7是验证本发明基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法时测得不同光束发散角分别与三块不同透射式体布拉格光栅的衍射效率之间的曲线关系图。

附图中各部件的标记如下：1、激光器；2、扩束准直系统；3、光阑；4、第一凸透镜；5、针孔；6、第二凸透镜；7、分光镜；8、1/4波片；9、透射式体布拉格光栅；10、旋转平台；11、第一功率计；12、CCD相机；13、第二功率计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图7，本发明实施例包括：

一种基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法，具体如下：

(1)如图1所示，采用激光器1、扩束准直系统2、光阑3、第一凸透镜4、针孔5、第二凸透镜6、分光镜7、1/4波片8、透射式体布拉格光栅9、旋转平台10、第一功率计11、CCD相机12、第二功率计13组成的装置；所述射式体布拉格光栅9固定安装在所述旋转平台10上，转动所述旋转平台10可使入所述透射式体布拉格光栅9同步转动。所述激光器1发出的激光光束波长λ为1053nm，所述光阑3的孔径D为6mm，所述第一凸透镜4的焦距f1为250mm，所述第二凸透镜6的焦距f2为500mm，所述透射式体布拉格光栅9的周期Λ为3.5μm、厚度t为3.54mm、光栅矢量倾斜角为90°；所述针孔5选取的尺寸大小可根据瑞利判据公式求得

Δd＝1.22λf1/D

其中，D为光阑孔径，λ为激光器1的发射波长，f1为第一凸透镜4的焦距；求出所述针孔5的极限尺寸的直径大小Δd＝0.0535mm。本实施例选取针孔5的直径Δd为0.05mm。

(2)所述激光器1发出激光光束，该激光光束经过所述扩束准直系统2后，穿过所述光阑3上的孔，再经过所述第一凸透镜4，在所述第一凸透镜4的后焦面上聚焦进所述针孔5，通过所述针孔5出射的光束继续经过所述第二凸透镜6，而经所述第二凸透镜6出射的光束通过所述分光镜7进行分束。

(3)所述分光镜将接受到的光束分束成1:1的两束光。经所述分光镜7分束后的第一束光经过1/4波片8后、入射在所述透射式体布拉格光栅9上，转动所述旋转平台10使入射于所述透射式体布拉格光栅9的发散光束满足布拉格角度发生衍射，衍射光被所述第一功率计11接收，从而可测得最大衍射功率为P1，而经分光镜7分束后的第二束光直接被第二功率计13接收，测得功率为P2。因所述分光镜7为1:1分束，故入射到透射式体布拉格光栅9上的功率也为P2；此时，可以得到发散光束的衍射效率η＝P1/P2。

(4)把第二功率计13用CCD相机12代替，以接收第二束光的光斑，通过计算机对该光斑图像进行数据处理，并根据光斑半径处在光束峰值强度的1/e2的位置获得光束的光斑半径w。同时可认为由针孔5出射的光束光斑为初始光斑，近似约等于0，测得第二凸透镜6距离针孔5的距离为z。根据公式tanθ＝w/z，其中，θ为光束的发散角，可计算获得光束的发散角为2θ。

(5)通过前后移动所述第二凸透镜6相对所述分光镜7的位置(即调整所述第二凸透镜6相对所述分光镜7的距离)，实现入射于所述透射式体布拉格光栅9的光束发散角的改变，然后继续步骤(3)和步骤(4)；这样多次操作后，可以得到多组不同的光束发散角和相对应的衍射效率的数据值，进而能够得到不同的光束发散角与相应衍射效率之间的曲线关系，如图2所示。从图2中的数据可以看出，衍射效率是跟随光束发散角的增大而降低，但是衍射效率的下降速率在不同的发散角的范围也呈现出不同的情况。

(6)使待测激光光束射向所述分光镜7，然后继续步骤(3)，可以测得功率P1＝55mW，功率P2＝78mW，因此，得到该待测激光光束的衍射效率η’＝0.705；根据图2中的曲线关系可以精确确定待测激光光束发散角为0.79mrad。

使用CCD相机12分别接收入射光束的初始光斑形状(此时，CCD相机12处于第二功率计13位置时接收到的光斑形状)，经透射式体布拉格光栅9透射后的透射光斑形状(此时，CCD相机12处于如图1所示的位置，以能够拍摄转动所述旋转平台10使入射于所述透射式体布拉格光栅9的发散光束满足布拉格角度发生衍射之前、从所述透射式体布拉格光栅9上射出的光束的光斑形状)和经透射式体布拉格光栅9衍射后的衍射光斑形状(此时，CCD相机12处于第一功率计11位置时接收到的光斑形状)。

图3(a)表示初始入射光束发散角为0.05rad的方形光斑，图3(b)表示该初始光束经透射式体布拉格光栅(周期Λ为3.5μm，厚度t为3.54mm)的衍射光斑，图3(c)表示该初始光束经透射式体布拉格光栅(周期Λ为3.5μm，厚度t为3.54mm)衍射后的透射光斑。

图4(a)表示初始入射光束发散角为0.025rad的方形光斑，图4(b)表示该初始光束经透射式体布拉格光栅(周期Λ为3.5μm，厚度t为3.54mm)的衍射光斑，图4(c)表示该初始光束经透射式体布拉格光栅(周期Λ为3.5μm，厚度t为3.54mm)衍射后的透射光斑。

图5(a)表示初始入射光束发散角为0.01rad的方形光斑，图5(b)表示该初始光束经透射式体布拉格光栅(周期Λ为3.5μm，厚度t为3.54mm)的衍射光斑，图5(c)表示该初始光束经透射式体布拉格光栅(周期Λ为3.5μm，厚度t为3.54mm)衍射后的透射光斑。

通过图3、图4和图5的变化看出，随着光束发散角的减少，衍射光光强度越来越大，透射光光强度越来越小。这说明随着光束发散角的减少，衍射效率增大。并且随着光束发散角的减小，透射光光强和衍射光光强的变小变大的速率加快。

为了考察在不同结构参数的透射式体布拉格光栅中，光束发散角与衍射效率之间的关系是否具有一致性，使用了三块光栅周期和厚度不同的透射式体布拉格光栅，判断不同的情况下使用透射式体布拉格光栅测量光束发散角的可行性。三块透射式体布拉格光栅的参数如表1所示，三块光栅的角度选择性如图6所示，光栅矢量倾斜角均为90°。计算光栅角度选择的第一零值半宽可根据如下公式：

表1三块透射式体布拉格光栅参数

使用上述三块透射式体布拉格光栅，光束发散角与测得的衍射效率之间的关系如图7所示。从图7可以看出，不同结构参数的光栅(光栅参数如表1)中其光束发散角与衍射效率之间的关系具有一致性。因此本发明可以使用透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角，且使用的装置简单，误差产生概率比较低，而且精度高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)准备好实现方法的装置：发射光源、扩束准直系统、光阑、第一凸透镜、针孔、第二凸透镜、分光镜、1/4波片、透射式体布拉格光栅、旋转平台、第一功率计、第二功率计和光斑图像获取装置；其中，所述射式体布拉格光栅设置在所述旋转平台上；

(2)使所述发射光源发出的光束依次经过所述扩束准直系统、光阑、第一凸透镜、针孔和第二凸透镜后，再射向所述分光镜；

(3)所述分光镜将接受到的光束分束成1:1的两束光，这两束光分别定义为第一束光和第二束光；所述第一束光经过所述1/4波片后，入射在所述透射式体布拉格光栅上，转动所述旋转平台使入射于所述透射式体布拉格光栅的光束满足布拉格角度发生衍射，衍射光被第一功率计接收，测得最大衍射功率为P1；而所述第二束光直接被第二功率计接收，测得功率为P2；此时，可以得到光束的衍射效率η＝P1/P2；

(4)用所述光斑图像获取装置代替所述第二功率计，以接收第二束光的光斑；通过计算机对该光斑图像进行数据处理，并根据光斑半径处在光束峰值强度的1/e2的位置获得光束的光斑半径w；测得所述第二凸透镜与所述针孔之间的距离为z；根据公式tanθ＝w/z，其中，θ为光束的半发散角，可计算获得光束的发散角为2θ；

(5)通过前后移动所述第二凸透镜相对所述分光镜的位置，实现入射于所述透射式体布拉格光栅的光束发散角的改变，然后继续步骤(3)和步骤(4)；这样多次操作后，可以得到多组不同的光束发散角和相对应的衍射效率的数据值，进而能够得到不同的光束发散角与相应衍射效率之间的曲线关系；

(6)使待测激光光束射向所述分光镜，然后继续步骤(3)得到该待测激光光束的衍射效率η’；之后再根据步骤(5)得到的不同的光束发散角与衍射效率之间的曲线关系可以得出待测激光光束发散角。

2.根据权利要求1所述的基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法，其特征在于：所述针孔选取的尺寸大小可根据瑞利判据公式Δd＝1.22λf1/D求得；其中，λ为发射光源的发射波长，f1为第一凸透镜的焦距，D为光阑孔径，Δd为针孔直径。

3.根据权利要求1所述的基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法，其特征在于：所述发射光源具体为激光器；所述光斑图像获取装置具体为CCD相机或光斑分析仪。

4.根据权利要求1所述的基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法，其特征在于：所述1/4波片使用偏振片替代，以实现某一方向的偏振光通过。

5.根据权利要求1所述的基于透射式体布拉格光栅测量激光光束发散角的方法，其特征在于：所述透射式体布拉格光栅为相位型体布拉格光栅；其光栅厚度大于0.5mm，光栅周期为0.1μm～6μm，折射率调制度大于10ppm，栅线倾斜角为0～90°。

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