CN1800794A - 激光光束质量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种激光光束质量测量装置，包括聚焦透镜、衰减片、采集光斑的CCD和带有高速采集卡的计算机，其特点是所述的衰减片是一漫散射板，在所述的聚焦透镜和漫散射板之间有一分光器件，该分光器件由与光路成45°平行放置在光路中的第一平板和第二平板构成，该第一平板和第二平板有一错位m，第一平板的内表面的反射率为100％，第二平板内表面的反射率的取值范围为90％～99％，第二平板的外表面镀有增透膜。本发明可以对重复率、高能激光器的光束质量进行准确的测量，它既能对高斯光束进行测量，又能对非高斯光束的光束质量用桶中功率比的方法评价，本发明还具有结构简单、实用和稳定的特点。

Description

激光光束质量测量装置

技术领域

本发明涉及激光，特别是一种激光光束质量测量装置，实用于重复率、高能激光器的光束质量测量。

背景技术

在激光光束质量的测量评价方法中，对高斯光束的M²因子评价方法是目前非常有用和常见的一种光束质量评价方法：

对于非高斯光束一般是采用桶中功率比的方法评价：

$\mathrm{PIB}=\frac{\underset{-b}{\overset{b}{\∫}}{\left|E\right|(r,z)|}^2\mathrm{dr}}{\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{\left|E\right|(r,z)|}^2\mathrm{dr}}$

基于上述方法的激光光束质量测量装置有很多，针对脉冲激光光束质量的测量装置目前比较典型的有下面几种：

一是传统的光束质量测量装置。参见图6，通过一段时间不断移动CCD采集透镜聚焦后在光束束腰两倍瑞利距离内不同位置上的光斑能量分布，用多项式拟和方法得到高斯光束质量评价参数。这是目前激光光束质量中比较成熟的测量技术，这种测量脉冲激光光束质量的在先技术参见[J.A.Ruff，A.E.Siegman.Single-pulse laser beam quality measurements using a CCD camerasystem[J].Appl.Opt，1993，31(24)：4907～4909]。具体的产品可以参见SPIRICON公司的LBA7XXPC系列的光束质量测量仪。这种方法主要用于能量较低的连续激光器的高斯光束光束质量的测量。而且只能测量在时间上相对稳定的激光光束质量。不能做到对脉冲激光光束质量的瞬时测量。

二是基于偏心菲涅尔光栅的光束质量测量装置。参见图7，通过用两块正交的偏心光栅在靶面上得到9束相互之间光程不同的激光光束的光斑图样。在运用上面高斯光束的评价方法评价被测激光的光束质量。在先技术参见[Robert W.Lambert，Rodolpho Corte′s-Marti′nez，Andrew J.Waddie，Jonathan D.Shephard，Mohammad R.Taghizadeh，Alan H.Greenaway，and Duncan P.Hand，Compactoptical system for pulse-to-pulse laser beam quality measurement and applications inlaser machining，APPLIED OPTICS_Vol.43，No.26_10 September 2004]，这种测量方法的问题就是：由于光栅分光后所引入较大的象差和不能正面接受光斑所造成的接收到的光斑能量分布失真；其失真图样可参照图8。除此之外，因为光栅的能量破坏阈值比较低，对高能激光不能直接进行分光。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述在先技术不能对脉冲激光光束做到瞬时测量，在大能量激光光束质量的测量上存在着一定的困难的问题，提供一种激光光束质量测量装置，它应既能对高斯光束进行测量，又能对非高斯光束的光束质量用桶中功率比的方法评价，本发明还应具有结构简单、实用和稳定的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光光束质量测量装置，包括聚焦透镜、衰减片、采集光斑的CCD和带有高速采集卡的计算机，其特征是所述的衰减片是一漫散射板，在所述的聚焦透镜和漫散射板之间有一分光器件，该分光器件由与光路成45°平行放置在光路中的第一平板和第二平板构成，该第一平板和第二平板有一错位m，为叙述方便，在这里，我们将所述的分光器件的两平板相邻的两个表面称为内表面，其中第一平板的内表面的反射率为100％，第二平板内表面的反射率的取值范围为90％～99％，第二平板的外表面镀有增透膜，第一平板和第二平板的位置满足如下关系：

                    d＜m＜2h×tanα

                        L≥10×d

其中：d为经该分光器件后的出射光在漫散射板上的两相邻光斑之间的距离，

      d＞被测光斑在焦斑处束腰大小的 倍；

      m为两平板之间的错位；

      h为两平板之间的距离；

      α为被测光束对第一平板的入射角；

      L为平板的长度。

所述的聚焦透镜为长焦距的聚焦透镜。

所述的第一平板和第二平板也可有有一微小楔角γ，但该γ值的取值范围为0°～1°。

所述的漫散射板主要是用来对分光后的光束成像得到被测激光的光斑，然后再采用所述的带有镜头的CCD对漫散射板上的光斑成像采集。若被测激光光束能量较小时，可采用适当的衰减片替代漫散射板，用所述的CCD(不带镜头)来采集通过衰减片后的光束光斑图样。

所述的计算机要带有高速采集卡，能对脉冲光束得光斑进行瞬时采集。采集的光斑图样通过计算机处理后得到被测激光光束质量。具体的计算如下：

通过图像处理后得到每个光斑的能量分布，采用多项式拟和的方法得到激光的光束质量。处理方法如下：

将CCD定标，确定CCD采集的光斑的灰度值与光强的关系，分别用CCD采集的被测光束的光斑图样，使分离后的每个图片中只有一个光斑，再根据定标得到的光斑灰度值与光强的关系，得到每个光斑的能量分布，定义光束传播的方向为z轴，以每个光斑中心为原点的光斑图样平面为xy平面。针对不同的情况计算如下：

对于高斯光束，定义光斑的束腰半径为D，其值通过下面公式求解：

${\mathrm{\σ}}_x^2=\frac{\∫\∫{(x-\stackrel{\‾}{x})}^{2}E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}$

${\mathrm{\σ}}_y^2=\frac{{\∫\∫(y-\stackrel{\‾}{y})}^{2}E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}$

其中

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\∫\∫\mathrm{xE}(x,y,z)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}$

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{\∫\∫\mathrm{yE}(x,y,z)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫E(x,y,z)\mathrm{dxdy}}$

用二阶距法表示x和y方向上的束腰半径D_x和D_y为

                    D_x＝4σ_x(z)

                    D_y＝4σ_y(z)

光束束腰的多项式拟和方法：将上面处理得到不少于10组的z与D_x，D_y值代入下面的一组公式，

$D_x^2=A_x+B_{x}z+C_x{z}^2$

$D_y^2=A_y+B_{y}z+C_y{z}^2$

通过计算可以得到上面方程组的系数A_x、B_x、C_x，A_y、B_y、C_y，实际光束的束腰位置和束腰宽度以及光束质量因子M_x ²，M_y ²。

$Z_{0x}=\frac{B_x}{{2C}_x},Z_{0y}=\frac{B_y}{{2C}_y}$

$D_{0x}=\sqrt{A_x-\frac{B_x}{{2C}_x}},D_{0y}=\sqrt{A_y-\frac{B_y}{{2C}_y}}$

${M_x}^2=\frac{{4\mathrm{\πD}}_{0x}{D}_x}{2\mathrm{\λ}},{M_y}^2=\frac{{4\mathrm{\πD}}_{0y}{D}_y}{2\mathrm{\λ}}$

其中D_x，D_y为z距离处的光斑束宽。

对于非高斯光束，桶中功率比定义为：

$\frac{\underset{-b}{\overset{b}{\∫}}{\left|E\right|(r,z)|}^2\mathrm{dr}}{\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{\left|E\right|(r,z)}^2\mathrm{dr}}$

在实际工程中采用β参数表征光束质量，其值由下面公式求得：

$\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{A_m}{A_0}}$

其中，A_m，A₀分别为当PIB＝86.5％时实际焦斑处实际光束和理想光束所对应的面积。

本发明将采集所得的每个光斑通过上式求得对应的β参数值，然后利用上面的光束束腰的多项式拟和方法得到焦斑处的β参数值。

本发明的优点是：

1、在本发明中，采用两块镀有不同反射率的平板进行分光，并对分光后得到的靶面光斑用CCD采集，最后通过计算机进行多项式拟和的方法实现了对脉冲和单次激光器的光束质量瞬时准确测量。

2、在本发明中，由于采用的是两块镀有不同反射率的平板进行分光，使得该装置对光束能量的要求不是很高——不存在光栅分光所存在的光强破坏的阈值问题。能实现对大能量激光器光束质量进行测量。

3、在本发明中，由于最后得到的是焦点或光束束腰附近2倍瑞利距离内的多个光斑，通过多项式拟和，可以得到焦斑处的光斑能量分布，本装置可以利用光束质量评价的方法的桶中功率比的方法来评价一些非高斯光束的光束质量。

4、在本发明中，由于是采用平板分光，可以调整平板的尺寸和两平板的间距，获得试验所需要的光斑数目。

5、在本发明中，由于采用的是光束质量较好的透镜聚焦，镀有不同反射率的平板来分光，整个系统引入的象差相对较少。

6、在本发明中，由于所用器件结构简单，整个装置使用稳定，便于加工制造。

附图说明

图1为本发明激光光束质量测量装置的结构示意图。

图2为本发明采用平行平板分光器件结构示意图。

图3为本发明采用的两平板具有一微小楔角γ的分光器件的结构示意图。

图4为在CCD上接收到的光斑模板图。

图5为光束质量拟和的效果图。

图6为已有的激光光束质量测量装置图。

图7为已有的利用正交的偏心光栅的激光光束质量测量装置图。

图8为已有的采用正交偏心光栅方法得到的能量分布图。

具体的实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明激光光束质量测量装置，包括聚焦透镜1、衰减片5、采集光斑的CCD6和带有高速采集卡7的计算机8，其特点是所述的衰减片5是一漫散射板，在聚焦透镜1和漫散射板5之间有一分光器件2，该分光器件2由与光路成45°平行放置在光路中的第一平板3和第二平板4构成，该第一平板3和第二平板4有一错位m，其中第一平板3的内表面的反射率为100％，第二平板4内表面的反射率的取值范围为90％～99％，第二平板4的外表面镀有增透膜，第一平板3和第二平板4的位置满足如下关系：

                    d＜m＜2h×tanα

                       L≥10×d

其中：d为经该分光器件2后的出射光在漫散射板5上的两相邻光斑之间的

      距离，d＞被测光斑在焦斑处束腰大小的

倍；

      m为两平板之间的错位；

      h为两平板之间的距离；

      α为被测光束对第一平板3的入射角；

      L为平板的长度。

所述的聚焦透镜1为长焦距的聚焦透镜。这样便于后面的装置安排和满足对光斑采集所要求得光束束腰2倍瑞利距离的要求。

在分光器件2中，我们定义两平板相邻的两个表面为内表面，即第一平板3的上表面和第二平板4的下表面为内表面，而第一平板3的下表面和第二平板4的上表面为外表面。被测激光光束经过聚焦透镜1后进入所述的分光器件2，在所述的第一平板3的下表面和第二平板4之间，经多次反射后，被分成多束光束出射。被测光束进入两块平板间的位置必须如图1所示，首先在第一平板3的内表面上反射。第一平板3的内表面为全反射镜面，表面为增透膜；第二平板4的内表面的反射率在90％～99％之间的一个值，外表面为增透膜；镀增透膜的目的是为了保证测量的准确性，这样做的主要目的在于用CCD接收光斑能量分布时，做到至少10个光斑的能量分布图样能够得以准确处理，准确的得到光斑的能量分布，代进利用上面所述公式求得光束质量参数。其中第一平板3的反射率近似为R＝100％，第二平板反射率为R与被测光束总的光强为I。在第一平板3上经过i次反射后，CCD接收到的第i光斑的光强I(i)与被测光束总的光强I的关系可由下面的式子表述：

                    I(i)＝I×Rⁱ

所述的分光器件2中两块平板的间距h主要取决于靶面上光斑间距d和光束入射角α，同时也受相邻的光束光程差l的制约。为此，一是靶面上的光斑要相互分开，不能形成干涉；二是要保证所测得的光斑光程差之和小于两倍瑞利距离。具体通过下面的计算可以得到；三是要保证焦点光斑在所测得的光斑的中间位置。

参见图3，被测光束进入有一定错位的两平板时，在第一平板3上的入射角为α，两平板在调整的过程中可以有小角度楔角γ的调解范围，γ值应介于0°和1°之间。光束在第一平板3上第i次反射后经第二平板4出射时的两平板的间距h_i，相邻光束在到达出射平板表面时的光程差为l_i，即经过在第一平板3上第(i-1)次反射和第i反射的两相邻光束的光程差。第二块板4上表面的出射光相互之间的距离di。两平板的错位距离定义为m，m可以在一定范围调整。两平板如图3所示方向上的长度定义为L。

     l_i＝h_i/cos(α-γ×(2×i-1))+h_i/cos(α-γ×(2×i-3))

$d_i=\frac{h_i\×\tan (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ}\×(2\×i-1))+h_i\×\tan (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ}\×(2\×i-3))}{\cos \left(\mathrm{\γ}\right)}\×\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α}+(2\×i-1)\×\mathrm{\γ})$

$=\frac{h_i\×\tan (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ}\×(2\×i-1))+h_i\×\tan (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ}\×(2\×i-3))}{\cos \left(\mathrm{\γ}\right)}\×\cos (\mathrm{\α}+(2\×i-1)\×\mathrm{\γ})$

当i＝0时，d_i、h_i为d₀、h₀，m的取值范围为

                d₀＜m＜2h₀×tanα

                    L＝10×d₀

当两平板平行放置时，即β＝0时，参见图2：

        l＝2×h/cos(α)

        d＝l×sin(2α)/2＝h×sin(2α)/cos(α)＝2×h×sin(α)

m的取值范围为

                d＜m＜2h×tanα

                    L＝10×d

首先根据被测光束在焦点处的光斑大小初步估计d的值的范围，满足d＜被测光斑在焦斑处束腰大小的 倍即可，然后设置d的初始值，h和l的值则可以由上面的公式关系得到。

先参阅图1，图1为本发明激光光束质量测量装置的结构示意图。被测激光器光束经过长焦距聚焦透镜1，进入分光器件2，在分光平板3和平板4之间多次反射后分成不少于10束能量分布相差不大的相互近于平行的聚焦光束射出，此时相邻光束到达与光束垂直的靶面时相互之间存在一定的光程差，靶面上相邻光斑的间距，两光束间的光程差以及分光平板的间距是相互关联的，通过计算和实际光路的调整可以得到最佳结果。出射光束经过漫散射板(衰减片)后进入CCD6接收，之后通过数据线用高速采集卡采集和通过计算机的数据处理，重构光斑的能量分布和计算光束质量参数。

具体的实施例：

聚焦透镜1采用f＝1000mm，φ＝100mm长焦距透镜，分光器件2采用图2所示平行平板分光，两平板的尺寸均为120×80×18(mm)；第一平板3的一个表面镀有99.9％的全反膜，另一个面镀有针对1.06μm的增透膜，第二平板4的一表面镀有95％的反射膜，另一个表面镀上同样对1.06μm的增透膜。对一He-Ne激光器光束质量进行测量，因为该激光器焦斑光束半径在1mm以内，设置出射光的相邻光束间距d为1.5mm，入射角α为

两平板的间距h和到达平板4出射时相邻光束质量的光程差l根据所测量激光束在靶面上的尺寸由下面一组公式求得：

            l＝2×h/cos(α)

            d＝l×sin(2α)/2＝h×sin(2α)/cos(α)＝2×h×sin(α)

接收装置采用漫散射板5作为靶面，然后调节CCD6的光圈，使得漫散射板5上所有有效光斑全部恰好进入CCD6的接收范围。然后将采集7的数据通过计算机8进行处理。

综上所述，本发明采用两块镀有不同反射率的平板分光，采用CCD接收分光后的光斑图样，通过图像处理恢复光斑的能量分布，求得光束质量参数。本发明实现了对重复率、高能激光其光束质量的准确测量，具有结构简单，调整灵活方便，系统稳定实用等特点。

Claims (3)

1、一种激光光束质量测量装置，包括聚焦透镜(1)、衰减片(5)、采集光斑的CCD(6)和带有高速采集卡(7)的计算机(8)，其特征是所述的衰减片(5)是一漫散射板，在聚焦透镜(1)和漫散射板(5)之间有一分光器件(2)，该分光器件(2)由与光路成45°平行放置在光路中的第一平板(3)和第二平板(4)构成，该第一平板(3)和第二平板(4)有一错位m，其中第一平板(3)的内表面的反射率为100％，第二平板(4)内表面的反射率的取值范围为90％～99％，第二平板(4)的外表面镀有增透膜，第一平板(3)和第二平板(4)的位置满足如下关系：

                   d＜m＜2h×tanα

                      L≥10×d

其中：d为经该分光器件(2)后的出射光在漫散射板(5)上的两相邻光斑之间的距离，d＞被测光斑在焦斑处束腰大小的 倍；

m为两平板之间的错位；

h为两平板之间的距离；

α为被测光束对第一平板(3)的入射角；

L为平板的长度。

2、根据权利要求1所述的激光光束质量测量装置，其特征是所述的聚焦透镜(1)为长焦距的聚焦透镜。

3、根据权利要求1所述的激光光束质量测量装置，其特征是所述的第一平板(3)和第二平板(4)有一微小楔角γ，γ值的取值范围为0°～1°。

Images