CN202938789U

CN202938789U - 激光光束分析仪校准系统

Info

Publication number: CN202938789U
Application number: CN 201220642839
Authority: CN
Inventors: 王艳萍; 马冲
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2022-11-28

Abstract

本实用新型属于仪器校准技术领域，公开了一种激光光束分析仪校准系统,包括激光器、平行光场产生装置、衰减器、具有标准孔径的光阑以及被校激光光束分析仪等，构造的平行光场，经过标准孔径的光阑形成标准束宽的平顶光束，被校激光光束分析仪测量该平顶光束的束宽，比较测量值和光束宽度标准值，实现激光光束分析仪的校准。该系统有效可行，准确稳定，操作简便，解决了激光光束分析仪光束宽度量值的溯源问题，并大大提高了校准精确度。

Description

激光光束分析仪校准系统

技术领域

本实用新型涉及仪器校准技术领域，特别是涉及一种激光光束分析仪校准系统。

背景技术

在近十几年新兴发展的激光微细加工、医用激光源诊断治疗、激光雷达、惯性约束核聚变等高新技术中，对于激光光束聚焦程度，光束模式等光束质量提出了更为严格的要求，同时对激光光束经大气或光学元件的传输特性需要有更为准确的描述和控制。这对于用来衡量激光光束质量，表征激光光束传输特性的激光空域参数的准确有效测量提出了更高要求。激光光束宽度是最基本的激光空域参数，也是确定其他重要空域参数如光束发散角，激光光束传输比因子，激光光束聚焦特征参数值等的必要测量值。

激光光束分析仪是测量光束宽度的常见仪器，激光光束分析仪的校准需求日益增加，但对于激光光束分析仪的校准仍无有效、准确、可靠的校准方法和系统。

实用新型内容

（一）要解决的技术问题

本实用新型提供一种激光光束分析仪的校准系统，用以解决激光光束分析仪，尤其是激光光束分析仪标准装置的量值溯源问题，保证激光光束分析仪测量光束宽度的准确、有效性。

本实用新型还提供一种基于激光光束分析仪校准方法的的系统。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种激光光束分析仪的校准系统，包括激光器、平行光场产生装置、衰减器、具有标准孔径的光阑以及被校激光光束分析仪；

所述平行光场产生装置用于将所述激光器发出的激光束整形成平行光场；

所述衰减器紧贴在所述光阑位于入射光一侧的端面上，用于调节入射到所述光阑上的平行光束的强度，以及减少背景辐射对测量结果的影响；

所述具有标准孔径的光阑紧贴在所述被校激光光束分析仪探测器的传感面上，用于将入射的平行光束整形成标准束宽的平顶光束；

所述被校激光光束分析仪用于测量所述标准束宽的平顶光束。

如上所述的激光光束分析仪校准系统，优选的是，所述平行光场产生装置包括依次设置在校准系统光路上的与所述激光器波长匹配的光纤准直器、单模光纤和光学会聚模块；

所述光纤准直器用于将激光束耦合至所述单模光纤；

所述单模光纤用于形成点光源；

所述光学会聚模块用于将点光源转化为平行光束场。

如上所述的激光光束分析仪测量校准系统，优选的是，所述光阑采用铟钢材料。

如上所述的激光光束分析仪测量校准系统，优选的是，所述激光器为氦氖激光器。

（三）有益效果

本实用新型所提供的激光光束分析仪校准系统，通过构造的平行光场，并经一具有标准孔径的光阑形成光束宽度已知的平顶光束，被校激光光束分析仪测量该平顶光束的束宽，并比较测量值和光束宽度标准值，使得激光光束分析仪光束宽度测量值可直接溯源至计量准确度非常高的长度量值，实现激光光束分析仪的校准。该系统有效可行，准确稳定，操作简便，量值复现性好，解决了激光光束分析仪光束宽度量值的溯源问题，并大大提高了校准精确度。

附图说明

图1为本实用新型实施例一中激光光束分析仪校准系统的组成示意图；

图2为本实用新型实施例一中平行光场产生装置的组成示意图。

其中，1：激光器；2：平行光场产生装置；3：衰减器；4：光阑；5：被校激光光束分析仪；6：图像采集及数据分析系统；7：光纤准直器；8：单模光纤；9：光学会聚装置；10：激光束；11：平行光束场；12：点光源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例一

图1所示为本实用新型实施例中激光光束分析仪校准系统的组成示意图。如图1所示，本实用新型实施例中的激光光束分析仪校准系统包括激光器1、平行光场产生装置2、衰减器3、具有标准孔径的光阑4以及被校激光光束分析仪5。为了减小衍射影响，光阑4必须紧贴在被校激光光束分析仪5探测器的传感面上；平行光场产生装置2用于将激光器1发出的激光束10整形成平行光束场11，得到校准用平行光束；为了使得入射激光的功率密度不超过被校激光光束分析仪5探测器的损伤阈值或工作范围，得到的平行光束需要经过一衰减器3的衰减，然后再经具有标准孔径的光阑4得到标准束宽的平顶光束，其中，平顶光束的光束宽度等于光阑4的孔径。同时，为了减少背景辐射对测量结果的影响，衰减器3需紧贴在光阑4位于入射光一侧的端面上。然后被校激光光束分析仪5测量光束宽度已知的平顶光束的束宽，由于光阑4为平顶光束提供了精确度非常高的标准宽度值，使得校准的不确定度大幅降低。

本实施例中激光器1可以采用光束质量良好且稳定的氦氖激光器，输出的激光束10进入平行光场产生装置2，以形成平行光束场11。

光阑4则采用热膨胀系数小的材料，如：铟钢材料，保证其已校准过的孔径标准值的稳定性。

在实际应用过程中，需要保证被校激光光束分析仪5探测器的传感面足够大，可以接收平顶光束的整个横截面，其中，未接收到的功率不应超过平顶光束总功率的1%，如：当采用4sigma光束宽度算法时，探测器的传感面直径应大于平顶光束最大宽度的2倍。

为形成平行光束场11，优选平行光场产生装置2包括依次设置在校准系统光路上的与激光器1波长匹配的光纤准直器7、单模光纤8和光学会聚模块9，如图2所示，光线准直器7用于将激光束10耦合至单模光纤8，以在单模光纤8的另一端形成点光源12，再经光学会聚模块9形成宽度远大于光阑4孔径的平行束光场11。其中，光学会聚模块9可以为一凸透镜，而单模光纤8的一端位于凸透镜一侧的焦点处，则经过光学会聚模块9后的激光束10被整形为平行光束场11。

需要说明的是，能够形成平行光场的平行光场产生装置2的实现方式有很多种，并不局限于上述一种，其都属于本实用新型的保护范围。

本实施例中激光光束分析仪校准系统的具体工作过程为：

激光器1发出的激光束10经过平行光场产生装置2形成平行光束场11，然后经衰减器3衰减到适合被校激光光束分析仪5探测器响应的动态范围内，再通过光阑4，产生光束宽度等于光阑4孔径的平顶光束，探测器接收平顶光束，并通过图像采集及数据分析系统6测得光束宽度（采用的光束宽度算法通常有4sigma、移动刀口法、移动狭缝法）。测得的光束宽度与光阑4孔径标准值比较，确定被校激光光束分析仪5光束宽度的修正因子。

实施例二

在实施例一激光光束分析仪测校准系统的基础上，本实用新型实施例还提供一种激光光束分析仪校准方法，包括以下步骤：

S1、将激光器发出的激光束经一平行光场产生装置整形成平行光束场；

具体为，打开激光器，预热，使激光器进入稳定工作状态。对激光器发出的激光束经一平行光场产生装置进行整形，构造平行光束场。

S2、所述平行光束经一衰减器的衰减后，再经过一具有标准孔径的光阑形成标准束宽的平顶光束，其中，所述平行光束的传播方向平行于所述光阑的法线方向，且所述平行光束的场半径大于所述光阑的半径；

为了使入射激光的功率不超过探测器损伤阈值或工作范围，平行光束需要先经一衰减器的衰减，保证入射激光的功率密度适合激光光束分析仪探测器响应的动态范围，然后再经一具有标准孔径的光阑形成标准束宽的平顶光束。

为了减小衍射对测量结果的影响，上述光阑应紧贴在探测器的传感面上。

S3、所述标准激光束垂直入射到激光光束分析仪的探测器传感面上，测量多个平顶光束的光束宽度d_DUT，并取所述多个平顶光束的光束宽度d_DUT的平均值

在激光光束分析仪测量平顶光束的光束宽度时，首先需要用挡屏遮挡入射激光，采集背景图像。然后移去挡屏，连续采集图像，观测图像信号是否过弱（信号峰值应不低于探测器动态范围的50%）或饱和，并通过调整衰减器衰减量或探测器参数，至入射激光信号强度合适。

然后采集一帧或多帧图像，选择光束宽度算法，计算标准激光束的宽度d_DUT。当使用4sigma光束宽度算法时，应选取适当积分区域。重复该步骤测量多次，记录每一次的测量结果d_DUT，取多个测量结果的平均值

一般取6个以上的测量结果d_DUT。

S4、根据公式计算激光光束分析仪的光束宽度修正因子C，完成对激光光束分析仪光束宽度测量值的校准，其中，d_s为所述光阑的孔径值，k为常数。

由于平顶光束为柱形平顶光束，当采用不同激光束宽度算法时需引入修正因子k，即k为常数：当采用4sigma激光束宽度算法时，k取1.000；当采用84%-16%移动刀口激光束宽度算法时，k取1.132；当采用90%-10%移动刀口激光束宽度算法时，k取1.070；当采用移动狭缝激光束宽度算法时，k取0.9909。

由以上实施例可以看出，本实用新型所提供的激光光束分析仪校准系统，通过构造激光束的平行光束场，并经一具有标准孔径的光阑形成标准束宽的平顶光束，被校激光光束分析仪测量该平顶光束的束宽，并比较测量值和光束宽度标准值，使得激光光束分析仪光束宽度测量值可直接溯源至计量准确度非常高的长度量值，实现激光光束分析仪的校准。该系统有效可行，准确稳定，操作简便，量值复现性好，解决了激光光束分析仪光束宽度量值的溯源问题，并大大提高了校准精确度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种激光光束分析仪校准系统，其特征在于，包括激光器、平行光场产生装置、衰减器、具有标准孔径的光阑以及被校激光光束分析仪；

所述平行光场产生装置用于将所述激光器发出的激光束整形成平行光束场；

2.根据权利要求1所述的激光光束分析仪校准系统，其特征在于，所述平行光场产生装置包括依次设置在所述校准系统光路上的与所述激光器波长匹配的光纤准直器、单模光纤和光学会聚模块；

所述光纤准直器用于将激光束耦合至所述单模光纤；

所述单模光纤用于形成点光源；

所述光学会聚模块用于将点光源转化为平行光束场。

3.根据权利要求1所述的激光光束分析仪校准系统，其特征在于，所述光阑采用铟钢材料。

4.根据权利要求1所述的激光光束分析仪校准系统，其特征在于，所述激光器为氦氖激光器。