CN115560849A - 一种高斯激光束发散角测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光检测技术领域，公开了一种高斯激光束发散角测量装置与方法，包括：使待测激光束穿过偏振分光棱镜，正入射进体相位光栅和1/4波片，分成光强比例约为0.25：0.5：0.25的三个光斑，经由反射镜反射再次通过1/4波片和体相位光栅，并由偏振分光棱镜反射至CCD相机中，通过改变具有可移动镜架的反射镜到体相位光栅的距离，得到不同距离x0时零级光斑强度在所有光斑强度中的占比。再根据零级光斑的光强占比与光束发散角的关系，通过公式拟合出待测激光束发散角。
Description
技术领域
本发明涉及激光检测技术领域，涉及一种高斯激光束发散角测量装置与方法。
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。小发散角的激光束有更好的方向性，可以更有效地利用激光能量；发散角大能够迅速扩展光束的覆盖面积，起到宽域探测等作用。因此，精确测量激光光束发散角具有十分重要的意义。
目前，测量激光光束发散角的方法有狭缝扫描法[中国专利号CN91107468.6]、套孔法[中国专利号CN201110317316.X]、CCD测量法[中国专利号CN01108756.0]和基于透射式体布拉格光栅的测量方法[中国专利号CN202011582959.2]等。
狭缝扫描法需要的扫描时间较长，并且在扫描过程中其稳定性与精确度很难得到保证。套孔法在测量时需要人为对准光束与小孔光阑的中心，不仅取决于操作者的个人经验，而且不利于批量测量；CCD测量法是目前比较常规的激光远场发散角检测方法，但测量精度受限于透镜像差和装置的长度；基于透射式体布拉格光栅的测量方法是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，获得待测光束的发散角大小，测量精度可达100微弧度。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于两次通过体相位光栅测量高斯激光束发散角测量装置，通过拟合待测高斯激光束两次通过体相位光栅后零级光斑的光强占比对于等效光栅间距的数据，获得待测激光束的发散角。
为了解决上述技术问题，本发明的技术解决方案如下：
一种高斯激光束发散角测量装置，其特点在于，包括：偏振分光棱镜、体相位光栅、1/4波片、反射镜、消色差透镜和CCD相机；
待测高斯激光束正入射至所述的偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜透射后，依次经所述的体相位光栅和1/4波片后，入射到所述的反射镜，经该反射镜反射后沿原路返回，依次经所述的1/4波片和体相位光栅后，入射到所述的偏振分光棱镜，从其侧方z方向出射，经所述的消色差透镜入射到CCD相机，该CCD相机与计算机相连，用于监测光强分布；沿光路移动所述的反射镜的位置，进而改变该反射镜与所述的体相位光栅后表面的距离x0，获取不同距离x0时零级光斑强度占所有光斑强度的比例P，并拟合计算待测高斯激光束的发散角θ，公式如下：
式中：A为反射镜和体相位光栅对波面造成的畸变影响因子，S为光斑强度周期性变化所对应的反射镜移动的周期距离，θdiff为体相位光栅±1级光和0级光之间的衍射角，L＝2(x0+△x)为两次通过体相位光栅之间的等效距离。其中，△x为体相位光栅出射面0级光与+1级光之间的相位差导致的修正。
优选的，所述的体相位光栅为声光调制器。
优选的，所述的反射镜放置于可移动支架上。
本发明的测量原理是：
待测高斯激光束入射至体相位光栅，所需的体相位光栅是折射率沿z方向余弦变化的光栅，参数设定使出射为3个平面波，分别为+1级、0级和-1级，其强度比为0.25：0.5：0.25。0级光与入射光的传播方向相同，所需体相位光栅的各具体参数可通过耦合波理论计算得到。根据光束通过体相位光栅以及传播过程的变换矩阵，并应用高斯光束的函数形式，得到高斯光束经过一定距离的空间传输与两次光栅衍射后0级光光强随反射镜与所述的体相位光栅后表面的距离x0变化的公式(1)。通过测量不同距离x0时零级光斑强度占所有光斑强度的比例P，利用式(1)进行拟合计算待测高斯激光束的发散角θ。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过拟合待测高斯激光束两次通过体相位光栅后零级光斑的光强占比对于等效光栅间距的数据，可以测量低至10微弧度发散角的高斯激光束，相较于CCD测量法精度更高，测量发散角更小。
附图说明
图1是本发明高斯激光束发散角测量装置的光路图；
图2是本发明高斯激光束发散角测量装置的等效光路图；
图3是本发明高斯激光束发散角测量装置应用实施例的结构示意图；
图4是测得不同x0与0级光斑占比的曲线关系图。
图中：1-偏振分光棱镜、2-体相位光栅、3-1/4波片、4-反射镜、5-第一消色差透镜、6-第一CCD相机、7-激光发射模块、8-第二消色差透镜、9-第二CCD相机、10-滤波片
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
请参阅图1，图1是本发明高斯激光束发散角测量装置的光路图，如图所示，待测激光透射通过偏振分光棱镜1，正入射通过体相位光栅2和1/4波片3。体相位光栅2是折射率沿z方向余弦变化的光栅，参数设定使出射为3个平面波，分别为±1级和0级光。0级光与入射光的传播方向相同，±1级和0级光之间的衍射角均为θdiff，-1级、0级以及+1级的强度比为0.25：0.5：0.25，所需体相位光栅的各具体参数可通过耦合波理论计算得到，参考文献为[H.Kogelnik,"Coupled wave theory for thick hologranm gratings,"BellSyst.Tech.J.48,2909-2947(1969)]、[R.Magnusson and T.K.Gaylord,“Analysis ofmultiwave diffracting by thick gratings,”J.Opt.Soc.Am.67,1165–1170(1977).]和[F.G.Kaspar,“Diffraction by thick periodically stratified gratings withcomplex dielectric constant,”J.Opt.Soc.Am.63,37–45(1973).]。1/4波片3的光轴与光的偏振方向成45度夹角。然后光束由具有x方向可移动镜架的反射镜4反射，对于0级光为正反射。光束第二次射入1/4波片3和体相位光栅2。光束再次从体相位光栅2出射后进入偏振分光棱镜1，并从其侧方z方向出射，随后通过消色差透镜5入射到CCD相机6上，CCD相机6的阵列面位于消色差透镜5的后焦面上。采集获得其光强分布，并计算出零级光斑强度在所有光斑强度中的占比P。
本实施例中体相位光栅用声光调制器里声光晶体的超声光栅来实现。声光调制晶体选用中国电科26所生产的SGT40-780-2TA-T。该声光调制器的0级与±1级之间的衍射角θdiff为7.57×10-3rad。高斯激光束经过该声光调制器之后，被一块平面镜反射使0级光原路返回。±1级和0级光再次穿过这块声光调制器，等效为穿越两块全同的体相位光栅。
请参阅图3，图3是本发明高斯激光束发散角测量装置应用实施例的结构示意图，完成激光束发散角的测量。如图所示，待测激光从激光发射模块7正入射至偏振分光棱镜1，透射进入声光调制器2，得到零级，正负一级三个光斑，随后透射通过1/4波片3。此时撤去具有可移动镜架的反射镜4，光束通过第二消色差透镜8进行傅里叶变换入射到第二CCD相机9的光敏面上，该光敏面在第二消色差透镜8的后焦平面上。此时可在光敏面上看到零级和正负一级三个光斑，利用计算机监测可看到三个光斑的光强比例，并通过调节激光发射模块7的入射角度使得三光斑光强比例约为0.25：0.5：0.25。
得到上述三光斑强度比例后，将具有可移动镜架的反射镜4安装至1/4波片3后，此时光束通过反射镜反射通过1/4波片3并第二次入射声光调制器2，出射后进入偏振分光棱镜1，由于此时光束两次经过1/4波片3，光束的偏振方向旋转了90°，因此光束从偏振分光棱镜1侧方出射，随后分别通过第一消色差透镜5，入射到第一CCD相机6的光敏面上，此屏在第一消色差透镜5的后焦平面上，再通过计算机监测光束的光强分布，并进一步计算出零级光斑强度在所有光斑强度中的占比P。通过移动并记录可移动镜架的反射镜4至声光调制器2后表面的距离x0，可以在第一CCD相机6中看到零级光斑强度呈周期性变化并不断衰减的情况，利用计算机计算得到各种距离x0时零级光斑强度的占比P。
对于数据处理部分，用式(1)进行拟合，同时应用了遗传算法，并将适应度函数替换为正交距离回归方法。其中，对于正交距离方法，由于相邻数据点的横坐标间距相同，数据纵坐标值变化越快其可信度越低，因此对数据点乘以如下的权重因子
其中f'(x)是拟合函数的导数，σ是可调的比例因子，在拟合过程中定为0.01。
根据上述处理方式，对于不同的发散角θ，得到如图4(a)(b)，拟合结果分别为θa＝8.17×10-4±1.45×10-5rad，△x＝4.27mm，A＝0.964，S＝13.92mm；θb＝3.12×10-4±1.23×10-5rad，△x＝4.27mm，A＝0.975，S＝13.92mm。同时，利用第二消色差透镜8和第二CCD相机9直接测量上述两种情况的发散角，其拟合结果分别为θa＝8.10×10-4±6.84×10-6rad，θb＝2.97×10-4±1.96×10-5rad，可见两种方法在误差范围内相吻合。由于本实施例所使用的声光调制器2有效通光孔径对可测高斯光束最大尺寸有限制。但原则上，在现有技术下可以制备通光孔径在厘米量级的体相位光栅，而且光栅常数可以较实施例减小1个数量级。因此，可以测得束宽更宽发散角更小的高斯光束。并且，对于声光调制器2后表面至反射镜4的距离x0也可以提高一个数量级以提高测量精度。保守估计，本发明所提出的测量方法可以测量低至10微弧度发散角的高斯激光束，相较于CCD测量法精度更高，可测发散角更小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种高斯激光束发散角测量装置，其特征在于，包括：偏振分光棱镜、体相位光栅、1/4波片、反射镜、消色差透镜和CCD相机；
待测高斯激光束垂直入射至所述的偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜透射后，依次经所述的体相位光栅和1/4波片后，入射到所述的反射镜，经该反射镜反射后沿原路返回，依次经所述的1/4波片和体相位光栅后，入射到所述的偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜反射后，经所述的消色差透镜入射到CCD相机，该CCD相机与计算机相连，用于监测光强分布；
沿光路移动所述的反射镜的位置，进而改变该反射镜与所述的体相位光栅后表面的距离x0，获取不同距离x0时零级光斑强度占所有光斑强度的比例P，并拟合计算待测高斯激光束的发散角θ，公式如下：
式中：A为反射镜和体相位光栅对波面造成的畸变影响因子，S为光斑强度周期性变化所对应的反射镜移动的周期距离，θdiff为体相位光栅±1级光和0级光之间的衍射角，L＝2(x0+△x)为两次通过体相位光栅之间的等效距离。其中，△x为体相位光栅出射面0级光与+1级光之间的相位差导致的修正。
2.根据权利要求1所述的高斯激光束发散角测量装置，其特征在于，其特征在于，所述的体相位光栅为声光调制器。
3.根据权利要求1所述的高斯激光束发散角测量装置，其特征在于，其特征在于，所述的反射镜放置于可移动支架上。
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