CN113375914B - 一种用于激光板条面检测的光斑强度分布获取方法 - Google Patents

一种用于激光板条面检测的光斑强度分布获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于激光板条面检测的光斑强度分布获取方法，本发明属于激光板条的质量检测领域，在运用光纤白光干涉测量装置对激光板条进行面检测时，主要依赖自聚焦透镜光纤探头的出射光斑进行面扫描，激光板条受三维位移台把持控制，在连续移动激光板条过程中，基于自聚焦透镜光纤探头出射类高斯光束的特性，在刀口法光斑测量技术的基础上，提出激光板条边缘扫描光斑的反射式测量方法，并将光斑等效为四个相等的扇形区域，获取每个区域对应的一个光斑强度分布参数，同时消除机械回程误差的影响，获取精确的光斑强度分布。

Description

一种用于激光板条面检测的光斑强度分布获取方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光板条面检测的光斑强度分布获取方法，属于激光板条的质量检测领域。
背景技术
激光板条是高功率固体激光器的增益介质，目前以各类稀土元素掺杂的YAG晶体为主，即钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet)，最初起源于YAG晶体棒，随着技术发展现在通常使用板条状键合YAG晶体，主要是通过稀土掺杂YAG晶体与纯YAG键合在一起制备而成的复合结构晶体[Proc.SPIE.1992,1624:2-10.]。基于光纤白光干涉技术对激光板条键合面的测试方法[CN202010488263.7]，是一种无损、可溯源且定量化的高精度检测方法，依赖于光纤探头出射光斑的点式探测，配合位移台的移动控制可实现对激光板条键合面的面扫描。为了解光纤探头出射光束的具体参数，尤其是在待测面上光斑的具体强度分布，有必要在激光板条面扫描前，进行光斑的强度分布测量，有助于明晰光斑的测量面积，也便于后续进一步提高面扫描的光斑分辨率。
现有的光斑或光束强度分布检测方法，主要包括刀口扫描法[Optics Express,2013.21(21):25069.]、光束偏转法[Current Applied Physics,2010.10(3):834-837.]、拍照法[Journal of Applied Physics,1975,46(8):3576-3579.]、针孔/探针检测法[Applied Optics,1978.17(17):2673-2674]、丝带扫描法[Optics&Laser Technology,1976.8(6):273-274.]、狭缝扫描法[Applied Optics,1984.23(14):2227.]、光栅扫描法[Optical Engineering,1979.18(1):70-75]。拍照法是通过图像来实现光斑强度分布测量的方法，属于定性或半定量的测量手段；针孔/探针检测法、光束偏转法、和光栅扫描法的缺点在于比较复杂，对仪器性能参数要求也比较高，还原光斑强度分布的流程也比较繁琐；丝带、狭缝和刀口扫描法原理基本相同，其中刀口法相对简便，丝带和狭缝的分析相对复杂一些，这三者都属于透射式测量方法，都需要解决衍射的误差问题。
发明内容
本发明的目的在于有效解决激光板条测试前光斑的强度分布难以精确获取的问题，基于光纤白光干涉测试装置的自身结构特点，创新性提出激光板条边缘扫描光斑的反射式测量方法，打破现有光斑/光束强度分布检测方法的局限性，同时对比不同方向扫描光斑的变化，将光斑等效为四个扇形区域，分区域获取强度分布参数，同时消除位移台的机械回程误差，为激光板条检测提供更加完善的技术支持。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤一：光纤白光干涉测量装置的调试，激光板条固定于三维位移台，调整位移台控制激光板条靠近或远离光纤探头，激光板条表面位于光纤探头出射光束的束腰位置；
步骤二：激光板条沿x方向移动，光斑自内向外扫过激光板条边缘，直至光斑中心恰好位于激光板条边缘处，通过三维位移台得到移动距离x，光纤白光干涉测量装置测出移动x距离的反射光功率P(x)：
Figure BDA0003101221450000021
其中：P0为光纤探头出射光功率，R为激光板条表面反射率，P为反射回光纤探头内部的光功率，xy平面为激光板条表面；
得到的参数w值记为w1；
步骤三：激光板条沿-x方向移动，光斑自外向内再次扫过光板条边缘，光纤白光干涉测量装置测出移动-x距离的反射光功率P(-(x-α))，与步骤二中P(x)对比得到三维位移台的机械回程误差α；
步骤四：激光板条沿y方向移动，光斑自内向外扫过激光板条边缘，直至光斑中心恰好位于激光板条边缘处，通过三维位移台得到移动距离y，光纤白光干涉测量装置测出移动y距离的反射光功率P(y)，即
Figure BDA0003101221450000022
得到的参数w值记为w2；
步骤五：重复步骤二和步骤四，使光斑自内向外扫过激光板条剩余两边，每次光斑中心恰好位于激光板条边缘处停止，获得光斑强度分布参数w3和w4的值，并通过步骤三的结果消除测量结果中的机械回程误差α，将圆形光斑等分为四个扇形区域，四个扇形的强度分布参数分别为w1、w2、w3和w4，即获得光斑强度分布。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.步骤一中的光纤白光干涉测量装置的调试包括光纤光路和电路驱动的调试，激光板条固定于三维位移台上，固定过程中调整角度保证激光板条待测面严格对准光纤探头；三维位移台受电脑软件驱动，各个方向移动步进量可以由软件获取；光纤探头主要由光纤纤端和自聚焦透镜构成，其出射光束在束腰位置处光斑最小，且可以全部反射回光纤探头。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.巧妙利用待测激光板条的固有结构特点，避免更换其它测量器件，解决了激光板条晶体面扫描过程中，光斑强度分布不能准确测量的问题；2.创新性提出激光板条边缘扫描光斑的反射式测量方法，避免了传统刀口法扫描光斑测量时的衍射问题；3.将光斑等效为四个扇形区域，每个区域对应一个光斑强度分布参数w值，可以更加精确获取光斑强度分布，也便于光斑的对称性分析和光斑分辨率的提升。
附图说明
图1反射式激光板条边缘扫描光斑的测试装置示意图；
图2不同参数的光斑强度X方向分布仿真结果；
图3激光板条边缘扫过光斑的反射功率变化仿真结果；
图4激光板条边缘正反两次扫过光斑的反射功率变化仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图4，激光板条是经过键合、表面打磨抛光的规则几何形状晶体，主要是长方体型，以及侧面梯形或平行四边形的长方体型，根据实际应用场景，形状和尺寸会有一定区别。无论是那种形状的激光板条，都具有光学尺度平齐的边缘，可以作为扫描光斑的有效标准边缘。
光纤探头，也称为自聚焦透镜光纤探头，是由光纤纤端连接自聚焦透镜制备而成。光纤纤端出射光场呈发散高斯分布，自聚焦透镜具有很好的准直聚光作用，尺寸相对较小，可以与光纤纤端较好地匹配。这样的光纤探头出射光束近似平行光，但是微观尺度上呈现渐变趋势，从光纤探头出射位置向前逐渐汇聚传输，且在束腰位置处光斑半径最小、能量最集中，然后又逐渐发散。因为光纤探头中自聚焦透镜和光纤纤端的距离波动，或其它因素扰动，会导致光纤探头出射光束的具体参数难以确定，光束照射在待测面上即为光斑，获取光斑的能量分布对于面测量分辨率的提高有重要意义。
将光斑的强度分布视为理想的高斯分布时，具体的强度分布如下：
Figure BDA0003101221450000031
如图2所示，给出了三种不同参数下的光斑中央沿X轴方向的强度分布，w越小，光斑的强度分布呈现越集中的趋势。当激光板条边缘逐渐扫过光斑时，反射回光纤探头的光功率为：
Figure BDA0003101221450000032
如图3所示为三种不同参数下的光斑扫过激光板条边缘，反射光功率的变化情况。当正反方向两次扫过光斑时，可以获取并消除该方向的机械回程误差，如图4所示。除此之外也可以进行其他方向的移动，获取并消除其他方向的机械回程误差，同时也可以用于检测光斑强度分布的中心对称性。
下面结合具体组成给出本发明的实施例：一种用于激光板条面检测的光斑强度分布获取方法，具体实施方式如下：
步骤一，光纤白光干涉测量装置的调试和激光板条的把持固定，如图1所示，激光板条边缘扫描光斑的测试装置包括：激光板条(1)、光纤探头(2)、三维位移台(3)、光纤白光干涉解调系统(4)、软件驱动(5)。测量装置的调试主要针对软件驱动和硬件装置，软件驱动包括三维位移台控制驱动和光纤白光干涉解调系统控制驱动，硬件部分调试包括光纤光路调试和激光板条的把持固定，尤其是要保证激光板条对准光纤探头，即光纤探头出射光束经过激光板条反射能够尽可能完全地返回至光纤探头，被有效接收探测。
通过三维位移台控制激光板条靠近或远离光纤探头，直至激光板条待测面位于光纤探头出射光束的束腰位置处，此时光纤白光干涉测量装置的反射光功率测量结果最大，反射光全部被光纤探头接收，没有损耗，并且此时光斑是最小的。并且严格控制该方向的位置不再变化，确保光斑的强度分布式固定不变。
步骤二，激光板条沿如图1所示的x方向移动，光斑自内向外扫过激光板条边缘，光纤白光干涉测量装置实时记录反射光功率，直至光斑中心恰好位于激光板条边缘处，此时反射光功率下降为初始状态的一半。通过三维位移台得到移动距离x，光纤白光干涉测量装置测出移动x距离的反射光功率P(x)，即
Figure BDA0003101221450000041
可以求出参数w的值，记为w1。此过程连续且光斑反射光功率的采集位置间距相等，在保证位移步进量精准的前提下尽可能紧密地采集反射光功率。为了进一步提高检测准确性，可以在相同的光斑位置处多次采集反射光功率取平均值。
步骤三，保持步骤二的末状态，激光板条沿-x方向移动，光斑自外向内再次扫过光板条边缘，在激光板条改变方向移动时，会造成机械回程误差，因为金属热胀冷缩或老化等因素，三维位移台中丝杆传动的具有一定的不确定性，因此机械回程误差有必要在每次面扫描时进行获取并消除。光纤白光干涉测量装置测出移动-x距离的反射光功率P(-(x-α))，与步骤二中P(x)对比得到三维位移台的机械回程误差α
步骤四，激光板条沿y方向移动，光斑自内向外扫过激光板条边缘，直至光斑中心恰好位于激光板条边缘处，通过三维位移台得到移动距离y，光纤白光干涉测量装置测出移动y距离的反射光功率P(y)，即
Figure BDA0003101221450000042
可以求出参数w的值，记为w2
步骤五，重复步骤二和步骤四，使得光斑自内向外扫过激光板条剩余两边，每次光斑中心恰好位于激光板条边缘处停止，同样获得光斑强度分布参数w3和w4的值，并通过步骤三的结果消除测量结果中的机械回程误差α，将圆形光斑等分为四个扇形区域，四个扇形的强度分布参数分别为w1、w2、w3和w4，即获得光斑强度分布。不同方向的光斑强度分布，可以直接反映出光斑是否中心对称，便于后续进一步提高面扫描的分辨率。
综上，本发明属于激光板条的质量检测领域，具体涉及一种光纤探头出射光斑强度分布的反射式测量方法。在运用光纤白光干涉测量装置对激光板条进行面检测时，主要依赖自聚焦透镜光纤探头的出射光斑进行面扫描，激光板条受三维位移台把持控制，在连续移动激光板条过程中，基于自聚焦透镜光纤探头出射类高斯光束的特性，在刀口法光斑测量技术的基础上，提出激光板条边缘扫描光斑的反射式测量方法，并将光斑等效为四个相等的扇形区域，获取每个区域对应的一个光斑强度分布参数，同时消除机械回程误差的影响，获取精确的光斑强度分布。

Claims (2)

1.一种用于激光板条面检测的光斑强度分布获取方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：光纤白光干涉测量装置的调试，激光板条固定于三维位移台，调整位移台控制激光板条靠近或远离光纤探头，激光板条表面位于光纤探头出射光束的束腰位置；
步骤二：激光板条沿x方向移动，光斑自内向外扫过激光板条边缘，直至光斑中心恰好位于激光板条边缘处，通过三维位移台得到移动距离x，光纤白光干涉测量装置测出移动x距离的反射光功率P(x)：
Figure FDA0003741199610000011
其中：P0为光纤探头出射光功率，R为激光板条表面反射率，P为反射回光纤探头内部的光功率，xy平面为激光板条表面；
得到的参数w值记为w1；此过程连续且光斑反射光功率的采集位置间距相等，在保证位移步进量精准的前提下紧密地采集反射光功率；在相同的光斑位置处多次采集反射光功率取平均值；
步骤三：激光板条沿-x方向移动，光斑自外向内再次扫过光板条边缘，光纤白光干涉测量装置测出移动-x距离的反射光功率P(-(x-α))，与步骤二中P(x)对比得到三维位移台的机械回程误差α；
步骤四：激光板条沿y方向移动，光斑自内向外扫过激光板条边缘，直至光斑中心恰好位于激光板条边缘处，通过三维位移台得到移动距离y，光纤白光干涉测量装置测出移动y距离的反射光功率P(y)，即
Figure FDA0003741199610000012
得到的参数w值记为w2；
步骤五：重复步骤二和步骤四，使光斑自内向外扫过激光板条剩余两边，每次光斑中心恰好位于激光板条边缘处停止，获得光斑强度分布参数w3和w4的值，并通过步骤三的结果消除测量结果中的机械回程误差α，将圆形光斑等分为四个扇形区域，四个扇形的强度分布参数分别为w1、w2、w3和w4，即获得光斑强度分布。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光板条面检测的光斑强度分布获取方法，其特征在于：步骤一中的光纤白光干涉测量装置的调试包括光纤光路和电路驱动的调试，激光板条固定于三维位移台上，固定过程中调整角度保证激光板条待测面严格对准光纤探头；三维位移台受电脑软件驱动，各个方向移动步进量可以由软件获取；光纤探头主要由光纤纤端和自聚焦透镜构成，其出射光束在束腰位置处光斑最小，且可以全部反射回光纤探头。
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