CN202048982U - 一种激光光束参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的激光光束参数测量装置，涉及激光检测应用技术领域，是由测量光路、光程调节装置、指示光路以及图像采集卡3和计算机7构成；测量光路包括聚焦透镜1、直角棱镜A8、直角棱镜B2、直角棱镜C5、光强调节器6和相机4，光程调节装置包括滑块9、一维运动台12和控制器14，指示光路包括指示光源13、反射镜B11、反射镜A10、直角棱镜C5、直角棱镜B2、直角棱镜A8及聚焦透镜1。本实用新型具有便于仪器操作人员调整测量光路、并能提高测量装置的测量精度等特点，适用于光显示、光信息处理、光通讯、光医疗、光制造、光检测等各类激光应用设备中激光器的光束参数测量与评价。

Description

一种激光光束参数测量装置

技术领域

本实用新型涉及激光检测应用技术领域，特别是一种激光光束参数测量装置。

背景技术

随着科学技术的发展，激光技术在国民经济建设中起到了举足轻重的作用。在光显示、光信息处理、光通讯、光医疗、光制造、光检测等领域都有着广泛的应用。目前，激光技术的应用程度已经成为衡量一个国家工业技术先进性的重要标志之一。

激光光束质量则是衡量激光产品性能的重要标准，给出激光光束质量的科学评价，对激光器设计及应用具有极其重要的意义。1988年，Siegman建议采用M²因子描述激光光束质量，M²因子反映了激光近场特性的光束束腰和表示远场特性的发散角，又表征了激光高亮度、高空间相干性和方向性，M²因子法克服了常用的光束质量评价方法的局限，较合理地描述了激光束质量，被国际光学界所公认，并为国际标准化组织(ISO)予以推荐。

目前，美国的Coherent Inc.，Spiricon lnc.，Photon Inc.，Thorlabslnc.，DATARAY lnc.及英国Lambdaphoto Inc.等单位已有商业化的激光光束质量M²因子测量仪，如Photon Inc.公司研制的M²-200、Thorlabs lnc.公司研制的BP-109等。我国的有关科研机构也申报了相应的专利。如中国科学院上海光学精密机械研究所申请的“激光光束质量M²因子实时检测仪”(专利申请号为：200510030096.7)，其构成包括同光路的依次的聚焦透镜、光栅组、光路调整器、CCD，该CCD的输出端通过信号线与计算机相连；该发明既能方便地对激光光束质量M²因子进行实时测量，系统结构又简单紧凑。又如长春理工大学申请的“嵌入式激光光束质量测量装置”(专利申请号为：200810051666.4)，包括光学单元、机械单元和电子学单元水个部分，具有体积小、工作无需个人计算机，使用方便等优点。这些现有的激光光束质量测量仪器，通常探测器件都远离测量窗口，而测量时需要探测器测量光路不同位置处的光斑，这就需要操作人员调整被测激光器出射的激光束在整个测量过程中均处于探测器的探测面上，并保证在探测面的同一位置以减小测量误差。由于多数情况下，测量仪的进光口到探测器之间的光路是密封的，因而，其光路调整较为困难。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种便于仪器操作人员调整测量光路、并能提高测量装置的测量精度的激光光束参数测量仪器。

本实用新型所采取的技术方案是设计一种激光光束参数测量装置：包括测量光路、图像采集卡3以及计算机7；还包括有由滑块9、一维运动台12和控制器14构成的光程调节装置；

所述的测量光路是由聚焦透镜1、直角棱镜A8、直角棱镜B2、直角棱镜C5、光强调节器6和相机4构成；

所述的聚焦透镜1为正透镜；

所述的直角棱镜A8和直角棱镜B2为等腰直角棱镜，其各自的两个直角面上镀有高反射膜；

所述的直角棱镜C5为等腰直角棱镜；

直角棱镜A8装置在滑块9上，滑块9装置在一维运动台12上；相机4、图像采集卡3、计算机7依次连接；计算机7还通过控制器14分别连接光强调节器6和一维运动台12；

聚焦透镜1的光轴呈水平状装置；直角棱镜A8的非直角面朝向聚焦透镜1、并呈垂直方向装置；直角棱镜B2的非直角面呈垂直方向、且与直角棱镜A8的非直角面相对地装置在聚焦透镜1的下部；直角棱镜C5的非直角面对应左下方向、且与水平方向呈45度角装置，其下部装置光强调节器6；相机4装置在光强调节器6的下部。

所述的光强调节器6是吸收型双光楔光强强度连续调节器。

所述的光强调节器6是电光型光强度连续调节器。

直角棱镜A(8)和直角棱镜B(2)的直角面上镀有对400-1100nm波段高反射膜。

所述的相机4为CCD模拟相机或CCD数字相机或CMOS数字相机。

还包括有由指示光源13、反射镜B11、反射镜A10、直角棱镜C5、直角棱镜B2、直角棱镜A8及聚焦透镜1构成的指示光路；反射镜A10装置在直角棱镜C5的右边，其反射面对应左下方向、且与水平方向呈45度角装置，其下部装置反射镜B11；反射镜B11的反射面对应右上方向、且与水平方向呈45度角装置，其右边装置指示光源13；测量光路和指示光路在聚焦透镜1、直角棱镜A8、直角棱镜B2和直角棱镜C5间共光路。

所述的指示光源13为632.8nm波长、TEM₀₀模式输出的氦氖激光器。

本实用新型的激光光束参数测量装置，采用在激光光束参数测量装置内部置入指示光源，并且指示光路与测量装置的测量光路同光轴，从而为测量时调整光路提供参考，便于操作人员进行外部测量光路的调整。此外，该激光光束参数测量装置内部采用吸收型双光楔或电光型光强度连续调节器，提高了相机测量时的采样精度，从而提高了激光光束参数测量精度。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理示意图。

图中：1是聚焦透镜，2是直角棱镜B，3是图像采集卡，4是相机，5是直角棱镜C，6是光强调节器，7是计算机，8是直角棱镜A，9是滑块，10是反射镜A，11是反射镜B，12是一维运动台，13是指示光源，14是控制器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型作进一步的说明。下面的说明是采用例举的方式，但本实用新型的保护范围不应局限于此。

本实施例是由测量光路、光程调节装置、指示光路以及图像采集卡3和计算机7构成。

测量光路包括聚焦透镜1、直角棱镜A8、直角棱镜B2、直角棱镜C5、光强调节器6和相机4，光程调节装置包括滑块9、一维运动台12和控制器14，指示光路包括指示光源13、反射镜B11、反射镜A10、直角棱镜C5、直角棱镜B2、直角棱镜A8及聚焦透镜1。

聚焦透镜1为平凸型正透镜，直角棱镜A8和直角棱镜B2为等腰直角棱镜，其各自的两个直角面上镀有高反射膜(该膜是对400-1100nm波段高反射膜)，直角棱镜C5为等腰直角棱镜，光强调节器6可以是吸收型双光楔光强强度连续调节器(即：由两个吸收型直角光楔斜面平行放置所构成的强度连续调节器)或者是电光型光强度连续调节器或者是其它类型的光强调节器，相机4为CCD模拟相机或CCD数字相机或CMOS相机。(优选1/2英寸Si CCD数字相机，像素8.6umx8.3um，光谱响应范围190-1100nm)，指示光源13为632.8nm波长、TEM₀₀模式输出的氦氖激光器。

直角棱镜A8装置在滑块9上，滑块9装置在一维运动台12(一维运动台12本例采用电控平移台，行程为300mm，重复定位精度为±10um，运动分辨率10um，步进电机步距角为1.8度)上；相机4、图像采集卡3、计算机7由信号线依次连接；计算机7还通过控制器14分别由信号线连接光强调节器6和一维运动台12。

聚焦透镜1的光轴呈水平状装置；直角棱镜A8的非直角面朝向聚焦透镜1、并呈垂直方向装置；直角棱镜B2的非直角面呈垂直方向、且与直角棱镜A8的非直角面相对地装置在聚焦透镜1的下部；直角棱镜C5的非直角面对应左下方向、且与水平方向呈45度角装置，其下部装置光强调节器6；相机4装置在光强调节器6的下部；反射镜A10装置在直角棱镜C5的右边，其反射面对应左下方向、且与水平方向呈45度角装置，其下部装置反射镜B11；反射镜B11的反射面对应右上方向、且与水平方向呈45度角装置(反射镜A10与反射镜B11平行)，其右边装置指示光源13；测量光路和指示光路在聚焦透镜1、直角棱镜A8、直角棱镜B2和直角棱镜C5间共光路。

使用时，聚焦透镜1、直角棱镜A8、直角棱镜B2、直角棱镜C5、光强调节器6和相机4构成激光光束参数测量装置的测量光路，被测激光器输出的激光束沿着聚焦透镜1的光轴入射，并被聚焦透镜1聚焦，经过直角棱镜A8、直角棱镜B2和直角棱镜C5折转光路后通过光强调节器6，最后入射到相机4的探测面中心，图像采集卡3将相机4采集到的激光光斑图像传送给计算机7，控制器14根据计算机7获得的图像数据来判断相机4是否饱和，并依据判断结果控制光强调节器6，以使得入射激光光斑的强度处于相机4设定的测试范围；测量完一个位置的光斑后，通过一维运动台12带动与滑块9固定在一起的直角棱镜A8沿聚焦透镜1的光轴方向移动来改变聚焦透镜1到相机4间的光程，运动过程中保证相机4的探测面中心始终在聚焦透镜1的光轴上，即被测激光光斑始终位于相机4的探测面中心，从而实现相机4测量轴向不同位置的光斑尺寸，根据设定的双曲线方程来拟合出双曲线方程的系数，然后根据双曲线方程系数与激光束的束腰半径ω₀、发散半角θ、光束参数乘积BPP及光束质量M²因子间关系式来求解出相应的值。

根据光斑光强中心位置与光束强度分布的一阶矩间关系：

$\stackrel{\‾}{x_c}=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}I(x,y)*\mathrm{xdxd}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}I(x,y)\mathrm{dxdy}},$ $\stackrel{\‾}{y_c}=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}I(x,y)*\mathrm{ydxdy}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}I(x,y)\mathrm{dxdy}}$

确定光斑的中心坐标，而后再根据光斑的尺寸与光强度的二阶矩间关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\left(z\right)=2\sqrt{\frac{\∫\∫{(x-{\stackrel{\‾}{x}}_c)}^{2}I(x,y)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫I(x,y)\mathrm{dxdy}}}\\ {\mathrm{\ω}}_y\left(z\right)=2\sqrt{\frac{{\∫\∫(y-{\stackrel{\‾}{y}}_c)}^{2}I(x,y)\mathrm{dxdy}}{\∫\∫I(x,y)\mathrm{dxdy}}}\end{array}\right.$

测量完一个位置的光斑后，通过一维运动台12带动与滑块9固定在一起的直角棱镜A8沿光轴方向移动来改变聚焦透镜1到相机4间的光程，运动过程中保证相机4的探测面中心始终在聚焦透镜1的光轴上，即被测激光光斑始终位于相机4的探测面中心，从而实现相机4测量轴向不同位置的光斑尺寸，根据设定的双曲线方程：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ω}}_x}^2\left(z\right)=A_1{z}^2+B_{1}z+C_1\\ {{\mathrm{\ω}}_y}^2\left(z\right)=A_2{z}^2+B_{2}z+C_2\end{array}\right.$

将多组Z值及相应的光斑尺寸代入到上述双曲线方程来拟合出双曲线方程的系数。根据双曲线方程中系数A、B、C与激光束参数间关系：

${\mathrm{\ω}}_{0i}=\frac{1}{2}\sqrt{C_i-\frac{{B_i}^2}{4A_i}}$

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{1}{2}\sqrt{A_i}$

${\mathrm{BPP}}_i=\frac{1}{4}\sqrt{A_i{C}_i-\frac{{B_i}^2}{4}}$

${M_i}^2=\frac{\mathrm{\π}}{4\mathrm{\λ}}\sqrt{A_i{C}_i-\frac{{B_i}^2}{4}}$

可以来求解出激光束的参数束腰半径ω_0i、发散半角θ_i、光束参数乘积BPP_i及M_i ²值(注：这里的i是指x和y向)。

指示光源13、反射镜B11、反射镜A10、直角棱镜C5、直角棱镜B2、直角棱镜A8及聚焦透镜1构成激光光束参数测量装置的指示光路，指示光源13输出的光束经过反射镜B11和反射镜A10反射后，透过直角棱镜C5，经过直角棱镜B2和直角棱镜A8折转光路，最后沿着聚焦透镜1的光轴出射，为操作人员提供系统光轴指示光路，以便调整被测激光器输出的光束与测量光路共轴。

本例的聚焦透镜1采用平凸型正透镜，其口径为￠20mm，在632.8nm波长处焦距为600mm，能将被测激光器输出的光束进行聚焦来重新构造激光束的束腰，从而解决了被测激光器输出光束的束腰无法直接进行探测的难题。

本例的直角棱镜A8和直角棱镜B2为等腰直角棱镜，将45度入射的光进行折转，解决了大范围变化光程所带来的系统体积大的问题。

一维运动台12为电控平移台，可以根据控制器14发出的运动控制信号带动滑块9和直角棱镜A8做左右运动，从而改变测量光路的光程，实现对聚焦透镜1后方轴向不同位置激光光斑的测量；

本例的直角棱镜C5为等腰直角棱镜，将以45度角入射的、由直角棱镜B2折转的被测激光束分成两束光，一束光从直角棱镜C5透射，一束光传输方向改变90度转向光强调节器6，既实现对被测激光束强度的衰减，又实现指示光路与测量光路的分离。

本例的光强调节器6在控制器14的控制下，对直角棱镜C5反射的被测激光束的强度进行连续调节。

本例的相机4，将入射的激光光斑转换成电信号，所述图像采集卡3将相机4的电信号转换成图像信号并传送给计算机7进行处理和显示。

本例的指示光源13输出的光经过反射镜B11和反射镜A10进行折转后从直角棱镜C5透射，作为该激光光束参数测量装置的指示光，通过调整反射镜B11和反射镜A10实现指示光光路与测量光路同光轴。

本实用新型的具体测量过程，包括如下步骤：

第一步：开启本测量装置的电源；

第二步：打开计算机及本测量装置的软件操作界面，系统进行自检，自检完毕后跳出自检完毕窗口，并显示系统正常；

第三步：在软件主界面中点击调整光路按钮，此时指示光源开启，则可以观察到从本测量装置内部出射一束红色光线，此红色光线通过聚焦透镜1的中心并沿着聚焦透镜1的光轴出射；开启并调整被测激光器，以保证被测激光器输出的光束与激光光束参数测量装置输出的指示光光路重合。判别依据是在光路中置入用于辅助调光路的带有中心孔的探测卡(此探测卡亦属于测量装置之外的东西，主要用于辅助调光路)，让指示光光斑中心从探测卡中心孔的中心出射，被测激光束照射到探测卡的另一面，若光路中任意两个位置被测激光光斑中心均与探测卡中心孔重合，则表明被测激光器输出的光束与激光光束参数测量装置输出的指示光光路重合，否则，调整激光器输出的光路。为避免误差，可以通过在光路中多找几个位置进行判断，且保证相邻位置间距在20mm以上。光路调整完毕后，在软件主界面再次点击关闭调整光路；

第四步：点击开始按钮，此时本测量装置进入测试状态，同时跳出一个大窗口，两个小窗口。大窗口显示轴向不同位置所测量到的激光光斑尺寸，并进行双曲线拟合；两个小窗口分别实时显示激光光斑的光强二维分布和光强三维分布。测量完毕后，系统自动生成测试数据报表；

第五步：依次关闭软件主界面和测量装置的电源。

在工作时，要求操作人员佩戴激光防护眼镜，以免使用中反射/散射光入射到人的眼睛而造成损伤。

本实用新型的激光光束参数测量装置，适用于光显示、光信息处理、光通讯、光医疗、光制造、光检测等各类激光应用设备中激光器的光束参数测量与评价。

Claims (7)

1.一种激光光束参数测量装置，包括测量光路和图像采集卡(3)以及计算机(7)；其特征在于：还包括有由滑块(9)、一维运动台(12)和控制器(14)构成的光程调节装置；

所述的测量光路是由聚焦透镜(1)、直角棱镜A(8)、直角棱镜B(2)、直角棱镜C(5)、光强调节器(6)和相机(4)构成；

所述的聚焦透镜(1)为正透镜；

所述的直角棱镜A(8)和直角棱镜B(2)为等腰直角棱镜，其各自的两个直角面上镀有高反射膜；

所述的直角棱镜C(5)为等腰直角棱镜；

直角棱镜A(8)装置在滑块(9)上，滑块(9)装置在一维运动台(12)上；相机(4)、图像采集卡(3)、计算机(7)依次连接；计算机(7)还通过控制器(14)分别连接光强调节器(6)和一维运动台(12)；

聚焦透镜(1)的光轴呈水平状装置；直角棱镜A(8)的非直角面朝向聚焦透镜(1)、并呈垂直方向装置；直角棱镜B(2)的非直角面呈垂直方向、且与直角棱镜A(8)的非直角面相对地装置在聚焦透镜(1)的下部；直角棱镜C(5)的非直角面对应左下方向、且与水平方向呈45度角装置，其下部装置光强调节器(6)；相机(4)装置在光强调节器(6)的下部。

2.根据权利要求1所述的激光光束参数测量装置，其特征在于：所述的光强调节器(6)是由吸收型双光楔光强强度连续调节器。

3.根据权利要求1所述的激光光束参数测量装置，其特征在于：所述的光强调节器(6)是电光型光强度连续调节器。

4.根据权利要求2或3所述的激光光束参数测量装置，其特征在于：直角棱镜A(8)和直角棱镜B(2)的直角面上镀有对400-1100nm波段高反射膜。

5.根据权利要求4所述的激光光束参数测量装置，其特征在于：所述的相机(4)为CCD模拟相机或CCD数字相机或CMOS相机。

6.根据权利要求5所述的激光光束参数测量装置，其特征在于：还包括有由指示光源(13)、反射镜B(11)、反射镜A(10)、直角棱镜C(5)、直角棱镜B(2)、直角棱镜A(8)及聚焦透镜(1)构成的指示光路；反射镜A(10)装置在直角棱镜C(5)的右边，其反射面对应左下方向、且与水平方向呈45度角装置，其下部装置反射镜B(11)；反射镜B(11)的反射面对应右上方向、且与水平方向呈45度角装置，其右边装置指示光源(13)；测量光路和指示光路在聚焦透镜(1)、直角棱镜A(8)、直角棱镜B(2)和直角棱镜C(5)间共光路。

7.根据权利要求6所述的激光光束参数测量装置，其特征在于：所述的指示光源(13)为632.8nm波长、TEM00模式输出的氦氖激光器。

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