CN1180232C - 激光光束发散角测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速、简便的测量激光光束发散角的方法。本发明采用被检激光器、光阑、标准镜头、CCD相机和计算机组成的测量装置，用CCD相机接收激光器的光束在标准镜头的后焦面处形成的聚焦光斑的信号，通过计算机处理CCD相机输出的光斑信号，计算出激光器发出的激光光束的远场发散角2θ。本发明提供的方法操作简单，且能同时测量激光在各个不同方向的光束发散角，尤其适合测量小口径、小发散角、以及非径向对称的激光光束。

Description

激光光束发散角测试方法

                             技术领域

本发明涉及一种测试激光光束发散角的方法。

                             背景技术

激光的光束质量、功率的大小直接影响激光器的应用领域，特别是激光的光束质量有时起着决定性的作用。评价激光光束质量最为系统的指标是光参数积，即激光的光束直径与其远场发散角的乘积。其中，激光的光束发散角是一种评价激光器、决定激光器应用领域的重要指标。例如，光束发散角大和本身存在象散的半导体激光器一般仅用于光学读写头、光通信等；而光束发散角小的固体、气体激光器，则被广泛应用于科学实验、光学干涉检测、自由空间光通信、激光测距、激光材料处理以及激光手术。因此，测量激光光束远场发散角应用范围较大。

目前测量激光光束远场发散角的方法主要包括光电二极管探测器测量法：

在激光光束的第一位置处放置一维移动调节架，调节架上放置光电二极管探测器，探测器连接到光强显示器；使探测器沿着某一方向(例如x轴方向)移动，在移动过程中测量出不同位置时的光强值(相对值)，同时记录下该点的位置坐标，直至到探测器无响应为止；由此得到激光束在该方向的光强分布曲线，进而得到激光束光斑的直径大小d₁。把探测器置于激光光束的第二位置处，同理测出在该位置处激光光斑的直径d₂。并限据公式 $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\frac{d_2-d_1}{l}$ 求出光束的远场发散角θ(其中，l为第一位置和第二位置之间的间距)。

上述方法存在如下缺陷：1、无法测量口径太小的激光光束。因为激光光束口径太小，探测器沿着某一方向(例如x轴方向)移动测量激光光斑的次数就很少，致使无法使用上述方法进行测量。2、测量方法烦琐。因为该方法每次只能测量激光光束在某一方向的发散角。若要测量激光光束在另一方向(例如y轴方向)的发散角，则必须再沿着激光光束的另一方向重复上述测量、计算过程。而且该方法对测量方向的移动要求非常严格，若探测器在测量过程中的移动轨迹和所测激光光束的发散角方向不在同一直线，会导致测量结果存在较大误差，尤其对于具有旋转对称的激光光束，更是如此。

                                  发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种快速、简便的测量激光光束发散角的方法。

本发明的目的可通过以下技术措施实现：

——用被检激光器、光阑、标准镜头、CCD相机和计算机组成测量装置；

——使激光器的光束经过光阑后再通过标准镜头，会聚于标准镜头的后焦面上；

——调整CCD相机，使CCD探测器的光敏靶面与标准镜头的后焦面重合；

——将CCD相机的输出连接到计算机；

——通过计算机计算激光器的光束在标准镜头焦面上的聚焦光斑的理论直径大小δ；

——通过CCD相机接收激光器的光束在标准镜头的后焦面处形成的聚焦光斑的信号；

——通过计算机处理CCD相机输出的光斑信号，得到该聚焦光斑的直径大小φ；

——通过计算机计算出激光器发出的激光光束的远场发散角2θ。

本发明相对于现有技术有如下优点：由于本发明提供的方法仅对光斑进行一次测量，因此无论其光斑大小，都不影响测量结果，故能同时测量大、小口径的光束发散角，相对现有技术而言，尤其适合测量高质量的小口径、小发散角的激光光束。同时，由于只需在一处位置采集光斑，因此即使被测激光光束为非径向对称光束，其测量结果也同样正确，故该方法尤其适合测量非径向对称激光光束的光参数。而且，该方法只需在一处位置采集被测激光光束的光斑，通过计算即可获得激光发散角的测试结果，不需要多次移动探测装置进行多次测量，操作简单、方便。由于CCD相机接收的激光光束光斑信号由计算机进行处理，因此可以任意选择光斑的坐标轴完成计算，故能方便地同时测量激光在各个不同方向的光束发散角。

                            附图说明

图1是本发明实施例激光光束发散角测量装置结构示意图。

                         具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例一中，检测激光器的光束发散角采取如下方法：如附图所示，用被检激光器1、光阑2、标准镜头3、CCD相机4和计算机5组成本发明实施例一的检测装置。其中，激光器1发出的激光光束波长为λ＝0.808×10^-3mm；光阑2的孔径为D＝5mm；标准镜头3的焦距为f₁＝250mm。

如附图所示，激光器1发出的激光光束经过光阑2后，再通过标准镜头3，在标准镜头3的后焦面处形成聚焦光斑。

调整CCD相机4，使CCD相机4的CCD探测器的光敏靶面与标准镜头3的后焦面重合，聚焦光斑位于CCD探测器的光敏靶面上。

将CCD相机4的输出连接到计算机5。

计算激光器1发出的光束在标准镜头3后焦面上的聚焦光斑的理论直径大小δ₁：

根据瑞利判据的公式δ＝1.22λf/D①，(其中，D为光阑孔径，λ为被测激光波长，f为标准镜头的焦距)，将实施例一中，激光器1发出的激光光束波长λ＝0.808×10^-3mm；光阑2的孔径D₁＝5mm；标准镜头3的焦距f₁＝250mm代入①式，通过计算机进行计算，求出激光光束在标准镜头3的后焦面上的聚焦光斑的理论直径大小δ₁＝0.049mm。

通过CCD相机4接收激光器1发出的激光光束在标准镜头3的后焦面处形成的聚焦光斑的信号。

通过计算机5处理CCD相机输出的聚焦光斑信号，求取聚焦光斑的直径大小φ₁：

通过计算机5处理CCD相机4接收的激光器1发出的激光光束在标准镜头3的后焦面处形成的聚焦光斑信号，得到激光器的光束聚焦光斑的整个二维光强分布。根据需要，取出所需测量方向的激光光强一维分布曲线，从分布曲线上把光强下降到最大值的1/e²(即0.136)处的曲线起、止点包络的大小作为激光束在此位置的光斑直径大小φ₁＝4.410mm。

计算激光光束的远场发散角2θ₁：

根据几何光学成像规律，通过公式 $\mathrm{\θ}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\mathrm{\φ}-\mathrm{\δ}}{2f}$ ②(式中，θ为激光光束的远场发散角；φ为激光器1发出的激光光束在标准镜头3的后焦面处形成的聚焦光斑的直径大小；δ为激光光束在标准镜头3的后焦面上的聚焦光斑的理论直径大小)，计算光束的远场发散角2θ₁：将前面计算出的结果δ₁＝0.049mm，φ₁＝4.410mm，以及标准镜头3的焦距f₁＝250mm代入②式，通过计算机进行计算，求出θ₁＝0.5°＝9.5毫弧度：即计算出激光光束的远场发散角2θ₁＝1°，即19毫弧度。

本发明实施例二的测量装置如附图所示。检测激光器的光束发散角采取如下方法：用被检激光器1、方孔光阑2、标准镜头3、CCD相机4和计算机5组成检测装置。其中，激光器1发出的激光光束束波长为λ＝0.808×10^-3mm；方孔光阑2的边长为L＝10mm；标准镜头3的焦距为f₁＝250mm。

如附图所示，激光器1发出的理想准直光束经过光阑2后，再通过标准镜头3，在标准镜头3的后焦面处形成聚焦光斑。

调整CCD相机4，使CCD相机4的CCD探测器的光敏靶面与标准镜头3的后焦面重合，聚焦光斑位于CCD探测器的光敏靶面上。

将CCD相机4的输出连接到计算机5。

计算激光器材的光束在标准镜头3后焦面上的聚焦光斑的理论直径大小δ₂：

根据公式δ₂＝1.22λf/L③，将实施例二中，激光器1发出的激光光束波长λ＝0.808×10^-3mm，方孔光阑2的边长为L＝10mm，标准镜头3的焦距f₁＝250mm代入③式，通过计算机进行计算，求出激光器1的光束在标准镜头3的后焦面上的聚焦光斑的理论直径大小δ₂＝0.025mm。

通过CCD相机4接收激光器1发出的激光光束在标准镜头3的后焦面处形成的聚焦光斑的信号。

通过计算机5处理CCD相机4输出的聚焦光斑信号，求取该光斑的直径大小φ₂：

通过计算机处理CCD相机4接收的激光器1发出的激光光束在标准镜头3的后焦面处形成的聚焦光斑信号，得到激光光束聚焦光斑的整个二维光强分布。根据需要，取出所需测量方向的激光光强维分布曲线，从分布曲线上把光强下降到最大值的1/e²(即0.136)处的曲线起止点包络的大小作为激光器1的光束在此位置的光斑直径大小φ₂＝2.520mm。

计算激光器1的光束的远场发散角2θ₂：

根据实施例一中所述的公式②，计算光束的远场发散角2θ₂：将前面计算出的结果δ₂＝0.025mm，φ₂＝2.520mm，以及标准镜头3的焦距f₁＝250mm代入②式，通过计算机进行计算，求出θ₂＝0.286°＝5毫弧度，即计算出激光器1的光束的远场发散角2θ₂＝0.56°，即10毫弧度。

Claims (1)

1、一种激光光束发散角的测试方法，其特征在于通过以下步骤完成：

——用被检激光器(1)、光阑(2)、标准镜头(3)、CCD相机(4)和计算机(5)组成测量装置；

——使激光器(1)的光束经过光阑(2)后再通过标准镜头(3)，会聚于标准镜头(3)的后焦面上；

——调整CCD相机(4)，使其CCD相机(4)的光敏靶面与标准镜头(3)的后焦面重合；

——将CCD相机(4)的输出连接到计算机(5)；

——通过计算机(5)计算激光器(1)的光束在标准镜头(3)后焦面上的聚焦光斑的理论直径大小δ；

——通过CCD相机(4)接收激光器(1)的光束在标准镜头(3)的后焦面处形成的聚焦光斑的信号；

——通过计算机(5)处理CCD相机(4)输出的光斑信号，得到该聚焦光斑的直径大小φ；

——通过计算机(5)计算出激光器(1)发出的激光光束的远场发散角2θ。

Images