CN117191198B - 光束质量实时监测装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光束质量实时监测装置及其应用方法，涉及光束质量监测，本申请提供用于将一路待测光束（1）分为多路分支光束的光学平板（2），多个用于将不同分支光束进行汇聚的聚焦透镜（3），多个与聚焦透镜（3）一一对应的用于采集不同分支光束不同离焦量的光斑分布的监测模块（4），聚焦透镜（3）位于在光学平板（2）与对应的监测模块（4）之间。解决现有方法光束质量M2测量时间长、无法实时监测光束质量M2变化，或测试误差大的问题，适合于光束持续出光时间短或者需要对待测光束的光束质量进行较高频率动态监控的应用场合。
Description
技术领域
本申请涉及光束质量监测领域，具体涉及一种光束质量实时监测装置及其应用方法。
背景技术
按照国际标准ISO 11146的要求，基于激光光束宽度分布曲线拟合获取激光光束质量M2的测量方法，需要在光束束腰前后至少三倍瑞利长度的范围不低于10个不同位置获取待测光束的光斑分布。传统方法一般通过多次改变聚焦透镜与光斑分布监测模块的相对位置来实现。其中光斑分布监测模块可以选择CMOS传感器（CMOS为Complementary MetalOxide Semiconductor互补金属氧化物半导体的缩写），也可以选择CCD传感器（CCD为Charge CoupledDevice电荷耦合器件的缩写）。这种方法因为需要多次改变位置，无法同时实现不同位置的光斑分布的一次性采集，测量耗时长，导致无法实现光束质量M2的实时监测，无法适应待测光束持续出光时间短或者需要对待测光束的光束质量进行较高频率动态监控的应用场合的需求。
其他方法如专利CN 109115466 A，需要先前后移动CCD，寻找光斑焦点，再进行两次光斑测量才能获取光束质量M2，无法实时监测光束质量M2。
其他方法如专利CN1800794A基于平板法M2因子实时测量的装置，包括两块不同反射率的平板与CCD组成的多平面成像装置，且上平板反射率为95%，下平板反射率为100%；平板与入射光的角度为45°，在95%反射率的上平板上侧设置CCD靶面读取透射光斑数据。当待测光束在汇聚的状态下入射穿过平板时，汇聚光束在平板间传播时会因光斑不同位置的光程差异，导致多次反射后的入射到CCD的光斑存在较大像差，且该像差与入射光斑直径、入射角度相关联，难以消除。因此基于测量系统引入较大像差的光斑数据拟合计算的M2会出现严重的误差。
因此，本申请考虑一种光束质量实时监测装置，来高效快速准确地获得光束质量M2，以满足待测光束持续出光时间短或者需要对待测光束的光束质量进行较高频率动态监控的应用场合的需求。
发明内容
本申请一种光束质量实时监测装置，解决现有方法光束质量M2测量时间长、无法实时监测光束质量M2变化，或测试误差大的问题。
第一方面，本申请提供一种光束质量实时监测装置，包括：用于将一路待测光束分为多路分支光束的光学平板，多个用于将不同分支光束进行汇聚的聚焦透镜，多个与聚焦透镜一一对应的用于采集不同分支光束汇聚光斑分布的监测模块，聚焦透镜位于在光学平板与对应的监测模块之间。
进一步的，光学平板的两个反射平面至少有一个平面的法线方向相对于待测光束入射方向呈非零度倾角，使得待测光束经光学平板的两个表面多次反射后分为多路分支光束折射出光学平板。
进一步的，根据待测光束的光斑直径，通过设置光学平板的两个反射平面的法线方向与待测光束入射方向的倾角、待测光束入射位置的光学平板的厚度，使多路分支光束在入射至对应的聚焦透镜时，相互之间不重叠。
进一步的，所有聚焦透镜采用消像差设计，所有聚焦透镜参数均一致，具有相同的焦距，且各聚焦透镜与对应监测模块之间的间距可调，各聚焦透镜与对应监测模块之间的间距值不同，所述间距值至少覆盖待测光束聚焦后光腰位置正负三倍瑞利长度的范围，各监测模块接收不同离焦量的光斑分布。
进一步的，聚焦透镜以及对应监测模块的数量至少为十个。
进一步的，在待测光束与光学平板之间设置的衰减片A，实现对待测光束的能量衰减。
进一步的，在光学平板与监测模块之间设置的衰减片B，实现对待测光束的多路分支光束的能量衰减。
进一步的，对于两个反射平面相互平行的光学平板，该装置测量最大待测光束直径D 0为：
其中，
其中，θ 1为两个反射表面的法线与待测光束入射方向的倾角角度，θ 2为待测光束在光学平板内的折射角角度，n 1为光学平板外介质的折射率，n 2为光学平板折射率。
第二方面，本申请提供一种光束质量实时监测装置的应用方法，基于第一方面任一所述的一种光束质量实时监测装置进行质量分布实时监测的方法步骤为：
顺序设置光学平板、聚焦透镜和监测模块，再将待测光束从光学平板一侧入射，调整聚焦透镜和监测模块之间的间距值，对于不同的分支光束设置不同的间距值，依据监测模块同一时刻接收的待测光束的多个分支光束的不同离焦量的光斑分布，计算光束宽度，通过拟合不同间距值的光束宽度曲线，求出待测光束的实时光束质量。
本申请提供的一种光束质量实时监测装置及其应用方法，运用一整块光学平板实现实现多路分光，监测多路光束，实时监测光束质量，并且待测光束以较小角度入射，减少装置实际占用空间。待测光束出射光学平板后，再通过聚焦透镜 将待测光束汇聚，测量误差小。本申请提供光束质量实时监测装置的应用方法及具体设置步骤，通过同一时刻接收的待测光束的多个分支光束的不同离焦量的光斑分布，求出待测光束的实时光束质量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本申请实施例的限定。在附图中：
图1为本申请一示例性实施例提供的一种光束质量实时监测装置及光路示意图。
图2为本申请一示例性实施例提供的又一种光束质量实时监测装置及光路示意图。
图3为本申请一示例性实施例提供的还一种光束质量实时监测装置的光路局部示意图。
图中：
1、待测光束；2、光学平板；3、聚焦透镜；4、监测模块；5、衰减片A；6、衰减片B。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
现有技术或无法实时监测光束质量M2，或测量系统会引入较大像差导致光束质量M2的计算结果与实际出现严重偏差。
本申请提供的一种光束质量实时监测装置及应用方法，旨在解决现有技术的如上技术问题。本申请的应用场景为光束持续出光时间短或者需要对待测光束的光束质量进行较高频率动态监控的应用场合。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
实施例1：
本申请提供一种光束质量实时监测装置，如图1、图2、图3所示，包括：待测光束1、光学平板2、聚焦透镜3、监测模块4；待测光束1经过光学平板2分为多路分支光束，聚焦透镜3设置在光学平板2与监测模块4之间。其中，所述光学平板2沿入射光路方向的投影覆盖待测光束1，即保证光学平板2接收完整的待测光束1的光斑，避免遗漏，防止测试结果因数据缺少而不精确。光学平板2的两个反射平面相互平行，平面的法线方向相对于待测光束1入射方向呈非零度倾角，优选倾角为10°-20°。
当待测光束1为高能激光时，可能会导致监测模块4中的传感单元因光强过大而出现饱和，影响对待测光束1汇聚光斑尺寸的计算，需要降低入射至监测模块4的光强，如图2所示，这时可以在所述光学平板2前设置衰减片A5或光学平板2与监测模块4之间单独设置的衰减片B6。
监测模块4可以选择CMOS传感器（CMOS为Complementary Metal OxideSemiconductor互补金属氧化物半导体的缩写），也可以选择CCD传感器（CCD为ChargeCoupledDevice电荷耦合器件的缩写）。所选择的CMOS传感器或者CCD传感器需对待测光束1的波段有较好的响应度，以获得高信噪比的信号，保证获取的所选分支光束的焦点光斑强度分布的准确性，进而保证光束质量计算结果的准确性。
实施例2：
在一个具体的测试例中，如图2所示，设置10个聚焦透镜3和10个监测模块4分别位于光学平板2沿着光路方向一侧，光学平板2材料选用熔石英，对应折射率n 2为1.45，取空气折射率n 1=1，光学平板2的两个反射表面平行，其法线与待测光束1入射方向的倾角角度θ 1=10°，光学平板2厚度L 1为100mm，由以下公式：
其中，
可计算出允许的最大待测直径为23.76mm。设置聚焦透镜3与待测分支光束同轴，聚焦透镜3焦距f为400mm，聚焦透镜3与监测模块4距离分别为367mm，373mm，……，415mm，421mm，间距差值为6mm。监测模块4同一时刻接收的待测光束1的10分支光束的光斑分布，并计算出光束宽度，通过拟合不同间距值的光束宽度曲线，求出待测光束1的实时光束质量。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法或装置。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由上面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。
Claims (9)
1.一种光束质量实时监测装置，其特征在于，包括：
一路待测光束（1）；
用于将一路待测光束（1）分为多路分支光束的光学平板（2）；
多个用于将不同分支光束进行汇聚的聚焦透镜（3）；
多个与聚焦透镜（3）一一对应的用于采集不同分支光束不同离焦量的光斑分布的监测模块（4）；聚焦透镜（3）位于在光学平板（2）与对应的监测模块（4）之间；
光学平板（2）为一整块熔石英的光学平板；
光学平板（2）的两个反射平面至少有一个平面的法线方向相对于待测光束（1）入射方向呈非零度倾角，使得待测光束（1）经光学平板（2）的两个表面多次反射后分为多路分支光束折射出光学平板（2）。
2.根据权利要求1所述的一种光束质量实时监测装置，其特征在于，根据待测光束（1）的光斑直径，通过设置光学平板（2）的两个反射平面的法线方向与待测光束（1）入射方向的倾角、待测光束（1）入射位置的光学平板（2）的厚度，使多路分支光束在入射至对应的聚焦透镜（3）时，相互之间不重叠。
3.根据权利要求1所述的一种光束质量实时监测装置，其特征在于，所有聚焦透镜（3）采用消像差设计，所有聚焦透镜（3）参数均一致，具有相同的焦距。
4.根据权利要求1所述的一种光束质量实时监测装置，其特征在于，各聚焦透镜（3）与对应监测模块（4）之间的间距可调，各聚焦透镜（3）与对应监测模块（4）之间的间距值不同，所述间距值至少覆盖待测光束（1）聚焦后光腰位置正负三倍瑞利长度的范围，各监测模块（4）接收不同离焦量的光斑分布。
5.根据权利要求1所述的一种光束质量实时监测装置，其特征在于，聚焦透镜（3）以及对应监测模块（4）的数量至少为十个。
6.根据权利要求1所述的一种光束质量实时监测装置，其特征在于，还包括：在待测光束（1）与光学平板（2）之间设置的衰减片A（5），实现对待测光束（1）的能量衰减。
7.根据权利要求1所述的一种光束质量实时监测装置，其特征在于，还包括：在光学平板（2）与监测模块（4）之间设置的衰减片B（6），实现对待测光束（1）的多路分支光束的能量衰减。
8.根据权利要求2所述的一种光束质量实时监测装置，其特征在于，对于两个反射平面相互平行的光学平板（2），该装置测量最大待测光束（1）直径D 0为：
其中，
其中，θ 1为两个反射表面的法线与待测光束（1）入射方向的倾角角度，θ 2为待测光束（1）在光学平板（2）内的折射角角度，n 1为光学平板（2）外介质的折射率，n 2为光学平板（2）折射率，L 1为光学平板（2）的厚度。
9.一种光束质量实时监测装置的应用方法，其特征在于，应用如权利要求1-8任一所述的一种光束质量实时监测装置进行质量分布实时监测的方法步骤为：
顺序设置光学平板（2）、聚焦透镜（3）和监测模块（4），再将待测光束（1）从光学平板（2）一侧入射，调整聚焦透镜（3）和监测模块（4）之间的间距值，对于不同的分支光束设置不同的间距值，依据监测模块（4）同一时刻接收的待测光束（1）的多个分支光束的不同离焦量的光斑分布，计算光束宽度，通过拟合不同间距值的光束宽度曲线，求出待测光束（1）的实时光束质量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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