CN1272774C - 光强度分布测量方法及光强度分布测量装置 - Google Patents

Abstract

一种能更正确地求得从半导体激光器射出的激光束的光强度分布的光强度分布测量方法及光强度分布测量装置，光强度分布测量装置(10)是用来测量从半导体激光器射出的激光束的光强度的光强度检测装置(12)，具有用来测量从半导体激光器(11)射出的激光束与对该光强度检测装置(12)的测量结果用t分布函数算出光强度分布的数据处理装置(13)。

Description

光强度分布测量方法及光强度分布测量装置

技术领域

本发明涉及用于测量从半导体激光器射出的激光束的强度分布的光强度分布测量方法及光强度分布测量装置。

背景技术

在构成对CD和DVD等的光记录媒体进行信息再生记录用的光头装置、光纤维光学系统等的激光光学系统时，形成从半导体激光器射出的激光光束的二维方向的光强度分布，有必要算出光的利用效率、或计算在利用光学系统聚焦时的焦点附近的光点大小。然而在求出激光束的二维光强度分布时，有必要测量多个地方的光强度，并对该测量结果用规定的概率密度函数算出光强度分布。

为此，用来求出激光束的二维方向的光强度分布的光强度分布测量装置如图1所示那样，设有测量从半导体激光器11射出的激光束的多个部位的光强度的光强度检测装置12、和根据该光强度检测装置12的测量结果而算出光强度分布的数据处理装置13。这里，光强度检测装置12具有：将受光的光强度变换成电信号的受光元件121；形成有该受光元件121可检测激光束一部分的针孔或槽的遮光板122，若使光强度检测装置12以半导体激光器11的发光点为中心旋转时，则可检测从发光点到达任意角度的激光强度。

另一方面，数据处理装置13以往是将激光作为按照式(1)所示的高斯分布(正态分布)而将光强度检测装置12的测量结果用高斯分布来算出光强度分布。

(数学公式1)

$y=f\left(x\right|\mathrm{\μ},\mathrm{\σ})=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{\frac{-{(x-\mathrm{\μ})}^2}{{2\mathrm{\σ}}^2}}$ …式(1)

这里，如式(2)所示，光强度分布用激光束的中心附近的最大强度、其位置坐标(δx，δy)、以及从最大强度位置偏向X方向和Y方向时，由相对于最大强度位置为1/2的半幅值(FWHM)的角度位置(∥θ，⊥θ)来表述。

(数学公式2)

$f(x,y)=c^{\stackrel{{-2\·(x-{\mathrm{\δ}}_x)}^2}{{(1.6986\·0.5\·{\mathrm{FWHM}}_X)}^2}}\·c^{\frac{-2\·{(y-{\mathrm{\δ}}_y)}^2}{{(1.6986\·0.5\·{\mathrm{FWIIM}}_y)}^2}}$ …式(2)

然而，以往那样，将激光的强度分布作为按照高斯分布求得的光强度分布与实测值进行比较时，如图3所示，光强度分布曲线的下面部分产生百分之几的误差，存在不能正确求得激光利用效率和光点大小的问题。

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供能正确求出半导体激光出射的激光束的光强度分布的光强度分布测量方法以及光强度分嘏测量装置。

发明内容

为实现上述目的，本发明的用来测量半导体激光器射出的激光束的光强度分布的光强度分布测量方法，其特征在于，测量从所述半导体激光器射出的激光束的多个部位的光强度，并对该测量结果用下面式(3)、(4)表述的t分布函数(学生氏分布/t-分布)算出光强度分布。

(数学公式3)

$y=f\left(x\right|v)=\frac{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v+1}{2}\right)}{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v}{2}\right)}\frac{1}{\sqrt{\mathrm{v\π}}}\frac{1}{{(1+\frac{x^2}{v})}^{\frac{v+1}{2}}}$ …式(3)

(数学公式4)

$\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-t}{t}^{\mathrm{\α}-1}\mathrm{dt}$ …式(4)

另外，本发明的用来测量半导体激光器射出的激光束的光强度分布的光强度分布测量装置，其特征在于，具有：测量所述半导体激光器射出的激光束的多个部位的光强度的光强度检测装置；对该光强度检测装置的测量结果用上式表述的t分布函数算出光强度分布的数据处理装置。

在求激光束的光强度分布时，有必要测量多个部位的光强度并对该测量结果用规定的概率密度函数算出光强度分布，而本发明中，t分布函数作成比高斯分布更接近于实测值，对光强度检测装置的检结果用t分布函数算出光强度分布。因此能求得即使在光强度分布曲线下面部分误差也小的光强度分布，故可正确地求得激光的利用效率和光点尺寸。

本发明在算出所述光强度分布时，对t函数的参数用非线性的最小二乘方法为好。即本发明有关的光强度分布测量装置，所述数据处理装置对t分布函数的各参数用非线性的最小二乘方法为好。对于t分布函数的参数求出根据推定的分布求得的预测值与光强度检测装置的测量结果之间的误差的二乘方和为最小的参数。这时，由于本发明中为用t分布函数表示的必要的参数在对其进行偏微分时一阶偏导数包含参数本身，故不要解析地解出计算式，若使用牛顿法、其改进方法等所谓迭代解法等非线性的最小二乘方法，则可求出t分布函数的参数。

附图说明

图1为光强度分布测量装置的构成图。

图2为表示用本发明的方法算出的光强度分布与实测值进行比较的曲线图。

图3为表示用以往的方法算出的光强度分布与实测值进行比较的曲线图。

具体实施方法

参照附图说明使用本发明的光强度分布测量方法及光强度分布测量装置。

图1为光强度分布测量装置的结构图。图2表示用本发明的方法算出的光强度分布与实测值进行比较的曲线。

图1的光强度分布测量装置10为用来求出半导体激光器11射出的激光束的二维方向的光强度分布的装置，具有：测量从半导体激光器11射出的激光束的多个部位的光强度的光强度检测装置12；根据该光强度检测结果算出光强度分布的数据处理装置13。

光强度检测装置12具有：将受光的光强度变换成电信号的受光零件121；配置于该受光元件121与半导体激光器11之间、形成使受光元件121可检测激光束的一部分的针孔或槽的遮光板122，若使光强度检测装置12以半导体激光器11为中心旋转，则可检测从发光点到达任意角度的激光的强度。

另一方面，本形态中，数据处理装置13具备按以下顺序求出光强度分布的微机以及存储其动作程序等的存储器等，激光作为按照下式(5)、(6)表示的t分布函数，用t分布函数对光强度检测装置的检测结果算出光强度分布。

(数学公式5)

$y=f\left(x\right|v)=\frac{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v+1}{2}\right)}{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v}{2}\right)}\frac{1}{\sqrt{\mathrm{v\π}}}\frac{1}{{(1+\frac{x^2}{v})}^{\frac{v+1}{2}}}$ …式(5)

(数学公式6)

$\mathrm{\Γ}\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-t}{t}^{\mathrm{\α}-1}\mathrm{dt}$ …式(6)

这里，光强度分布，由于需要在从半导体激光器11出射的激光束的二维方向(X方向、Y方向)上求出，故本形态中式(5)变形成下式(7)再用。

(数学公式7)

$f(x,y)=\frac{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v_x+1}{2}\right)}{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v_x}{2}\right)}\frac{1}{\sqrt{v_x\mathrm{\π}}}\frac{1}{{(1+\frac{x^2}{v_x})}^{\frac{v_x+1}{2}}}\·\frac{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v_y+1}{2}\right)}{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v_y}{2}\right)}\frac{1}{\sqrt{v_y\mathrm{\π}}}\frac{1}{{(1+\frac{y^2}{v_y})}^{\frac{v_y+1}{2}}}$ …式(7)

上述(7)中，设自由度(测量点数)为nx、ny时，vx＝nx-1，vy＝ny-1。

这里，如用下式(8)、(9)表示上式的X成分与Y成分，则式(7)表示成式(10)。

(数学公式8)

X成分： $\frac{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v_x+1}{2}\right)}{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v_x}{2}\right)}\frac{1}{\sqrt{v_x\mathrm{\π}}}\frac{1}{{(1+\frac{x^2}{v_x})}^{\frac{v_x+1}{2}}}={\mathrm{TPDF}}_x(v,v_x)$ …式(8)

(数学公式9)

Y成分： $\frac{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v_y+1}{2}\right)}{\mathrm{\Γ}\left(\frac{v_y}{2}\right)}\frac{1}{\sqrt{v_y\mathrm{\π}}}\frac{1}{{(1+\frac{y^2}{v_y})}^{\frac{v_y+1}{2}}}={\mathrm{TPDF}}_y(y,v_y)$ …式(9)

(数学公式10)

f(x，y)＝TPDF_x(x，v_x)·TPDF_y(y，v_y)…式(10)

另外，为了表述激光束的从最高强度的中心的偏移，以下式(11)那样代入X轴方向和Y轴方向的各自偏置值δx、δy。

(数学公式11)

f(x，y)＝TPDF_x(x-δ_x，v_x)·TPDF_y(y-δ_y，v_y)…式(11)

通常将最高强度归化为1来表示，故将式(11)的右边除以TPDF的最高值，则可归化成如式(12)所示。

(数学公式12)

$f(x,y)=\frac{{\mathrm{TPDF}}_x(x-{\mathrm{\δ}}_x,v_x)}{T{\mathrm{PDF}}_x(x_0,v_x)}\·\frac{{\mathrm{TPDF}}_y(y-{\mathrm{\δ}}_y,v_y)}{{\mathrm{TPDF}}_y(y_0,v_y)}$ …式(12)

决定激光束的发散角的系数如式(13)所示，可在式(12)中将系数αx，αy加到各变量x，y上来表示。

(数学公式13)

$f(x,y)=\frac{{\mathrm{TPDF}}_x({\mathrm{\α}}_x\·x-{\mathrm{\δ}}_x,v_x)}{{\mathrm{TPDF}}_x(x_0,v_x)}\·\frac{{\mathrm{TPDF}}_y({\mathrm{\α}}_y\·y-{\mathrm{\δ}}_y,v_y)}{{\mathrm{TPDF}}_y(y_0,v_y)}$ …式(13)

这样，可表现激光光束的二维方向的光强度分布。

这里，对于上式需要求出各参数δx、δy、Vx、Vy、αx、αy，本形态中对t分布函数的各参数使用非线性的最小二乘法。即对于t分布函数的参数求出根据推定的分布求得的预测值与光强度检测装置的测量结果之间的残差的二乘法和为最小的参数，然而这时，由于各参数在对其进行偏微分时一阶偏导数包含参数本身，故不要解析地求出计算式。因此本形态中，采用牛顿法、其改进方法等所谓迭代解法。对于这样的非线性最小二乘法，详细记载于Dennis，J.E.，Jr，“Nonlinear Least Squares(非线性最小二乘法)”，数字分析中的当前动态，D.Jacobs编辑，Academic Press出版，pp.269-312，1977。

如此，对多个部位的光强度的测量结果，用t分布概率密度函数算出在X方向和Y方向的光强度分布，将其算出结果与实测值进行比较，可求得如图1所示那样的即使在光强度分布曲线的下面部分误差也小的光强度分布。故此可正确地求出激光的利用效率和光点大小。

如上所述，本发明中，测量从半导体激光器射出的激光束的多个部位的光强度，对该测量结果用t分布函数算出光强度分布。因此，由于即使在光强度分布曲线的下面部分也能求得误差小的光强度分布，故能正确地求出激光的利用效率和光点大小。

Claims (4)

1.一种光强度分布测量方法，用来测量从半导体激光器射出的激光束的光强度分布，其特征在于：

测量从所述半导体激光器射出的激光束的多个部位的光强度，将该测量结果用t分布函数算出光强度分布。

2.如权利要求1所述的光强度分布测量方法，其特征在于，在算出所述光强度分布时，对于t分布函数的参数采用非线性的最小二乘法。

3.一种光强度分布测量装置，用来测量从半导体激光器射出的激光束的光强度分布，其特征在于，具有：

测量从所述半导体激光器射出的激光束的多个部位的光强度的光强度检测装置；将该光强度检测装置的测量结果用t分布函数算出光强度分布的数据处理装置。

4.如权利要求3所述的光强度分布测量装置，其特征在于，所述数据处理装置，对t分布函数的各参数采用非线性的最小二乘法。

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