專利名稱：激光光束質(zhì)量測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光，特別是一種激光光束質(zhì)量測量裝置，實(shí)用于重復(fù)率、高能激光器的光束質(zhì)量測量。
背景技術(shù)：
在激光光束質(zhì)量的測量評價(jià)方法中，對高斯光束的M2因子評價(jià)方法是目前非常有用和常見的一種光束質(zhì)量評價(jià)方法 對于非高斯光束一般是采用桶中功率比的方法評價(jià)PIB=∫-bb|E(r,z)|2dr∫-∞+∞|E(r,z)|2dr]]>基于上述方法的激光光束質(zhì)量測量裝置有很多，針對脈沖激光光束質(zhì)量的測量裝置目前比較典型的有下面幾種一是傳統(tǒng)的光束質(zhì)量測量裝置。參見圖6，通過一段時(shí)間不斷移動CCD采集透鏡聚焦后在光束束腰兩倍瑞利距離內(nèi)不同位置上的光斑能量分布，用多項(xiàng)式擬和方法得到高斯光束質(zhì)量評價(jià)參數(shù)。這是目前激光光束質(zhì)量中比較成熟的測量技術(shù)，這種測量脈沖激光光束質(zhì)量的在先技術(shù)參見[J.A.Ruff，A.E.Siegman.Single-pulse laser beam quality measurements using a CCD camerasystem[J].Appl.Opt，1993，31(24)4907～4909]。具體的產(chǎn)品可以參見SPIRICON公司的LBA7XXPC系列的光束質(zhì)量測量儀。這種方法主要用于能量較低的連續(xù)激光器的高斯光束光束質(zhì)量的測量。而且只能測量在時(shí)間上相對穩(wěn)定的激光光束質(zhì)量。不能做到對脈沖激光光束質(zhì)量的瞬時(shí)測量。
二是基于偏心菲涅爾光柵的光束質(zhì)量測量裝置。參見圖7，通過用兩塊正交的偏心光柵在靶面上得到9束相互之間光程不同的激光光束的光斑圖樣。在運(yùn)用上面高斯光束的評價(jià)方法評價(jià)被測激光的光束質(zhì)量。在先技術(shù)參見[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]，這種測量方法的問題就是由于光柵分光后所引入較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；其失真圖樣可參照圖8。除此之外，因?yàn)楣鈻诺哪芰科茐拈撝当容^低，對高能激光不能直接進(jìn)行分光。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是要解決上述在先技術(shù)不能對脈沖激光光束做到瞬時(shí)測量，在大能量激光光束質(zhì)量的測量上存在著一定的困難的問題，提供一種激光光束質(zhì)量測量裝置，它應(yīng)既能對高斯光束進(jìn)行測量，又能對非高斯光束的光束質(zhì)量用桶中功率比的方法評價(jià)，本實(shí)用新型還應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用和穩(wěn)定的特點(diǎn)。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種激光光束質(zhì)量測量裝置，包括聚焦透鏡、衰減片、采集光斑的CCD和帶有高速采集卡的計(jì)算機(jī)，其特征是所述的衰減片是一漫散射板，在所述的聚焦透鏡和漫散射板之間有一分光器件，該分光器件由與光路成45°平行放置在光路中的第一平板和第二平板構(gòu)成，該第一平板和第二平板有一錯位m，為敘述方便，在這里，我們將所述的分光器件的兩平板相鄰的兩個表面稱為內(nèi)表面，其中第一平板的內(nèi)表面的反射率為100％，第二平板內(nèi)表面的反射率的取值范圍為90％～99％，第二平板的外表面鍍有增透膜，第一平板和第二平板的位置滿足如下關(guān)系d＜m＜2h×tanαL≥10×d其中d為經(jīng)該分光器件后的出射光在漫散射板上的兩相鄰光斑之間的距離，d＞被測光斑在焦斑處束腰大小的倍；m為兩平板之間的錯位；h為兩平板之間的距離；α為被測光束對第一平板的入射角；L為平板的長度。
所述的聚焦透鏡為長焦距的聚焦透鏡。
所述的第一平板和第二平板也可有有一微小楔角γ，但該γ值的取值范圍為0°～1°。
所述的漫散射板主要是用來對分光后的光束成像得到被測激光的光斑，然后再采用所述的帶有鏡頭的CCD對漫散射板上的光斑成像采集。若被測激光光束能量較小時(shí)，可采用適當(dāng)?shù)乃p片替代漫散射板，用所述的CCD(不帶鏡頭)來采集通過衰減片后的光束光斑圖樣。
所述的計(jì)算機(jī)要帶有高速采集卡，能對脈沖光束得光斑進(jìn)行瞬時(shí)采集。采集的光斑圖樣通過計(jì)算機(jī)處理后得到被測激光光束質(zhì)量。具體的計(jì)算如下
通過圖像處理后得到每個光斑的能量分布，采用多項(xiàng)式擬和的方法得到激光的光束質(zhì)量。處理方法如下將CCD定標(biāo)，確定CCD采集的光斑的灰度值與光強(qiáng)的關(guān)系，分別用CCD采集的被測光束的光斑圖樣，使分離后的每個圖片中只有一個光斑，再根據(jù)定標(biāo)得到的光斑灰度值與光強(qiáng)的關(guān)系，得到每個光斑的能量分布，定義光束傳播的方向?yàn)閦軸，以每個光斑中心為原點(diǎn)的光斑圖樣平面為xy平面。針對不同的情況計(jì)算如下對于高斯光束，定義光斑的束腰半徑為D，其值通過下面公式求解σx2=∫∫(x-x‾)2E(x,y,z)dxdy∫∫E(x,y,z)dxdy]]>σy2=∫∫(y-y‾)2E(x,y,z)dxdy∫∫E(x,y,z)dxdy]]>其中x‾=∫∫xE(x,y,z)dxdy∫∫E(x,y,z)dxdy]]>y‾=∫∫yE(x,y,z)dxdy∫∫E(x,y,z)dxdy]]>用二階距法表示x和y方向上的束腰半徑Dx和Dy為Dx＝4σx(z)Dy＝4σy(z)光束束腰的多項(xiàng)式擬和方法將上面處理得到不少于10組的z與Dx，Dy值代入下面的一組公式，Dx2=Ax+Bxz+Cxz2]]>Dy2=Ay+Byz+Cyz2]]>通過計(jì)算可以得到上面方程組的系數(shù)Ax、Bx、Cx，Ay、By、Cy，實(shí)際光束的束腰位置和束腰寬度以及光束質(zhì)量因子Mx2，My2。
Z0x=Bx2Cx,Z0y=By2Cy]]>D0x=Ax-Bx2Cx,D0y=Ay-By2Cy]]>
Mx2=4πD0xDxzλ,My2=4πD0yDyzλ]]>其中Dx，Dy為z距離處的光斑束寬。
對于非高斯光束，桶中功率比定義為PIB=∫-bb|E(r,z)|2dr∫-∞+∞|E(r,z)|2dr]]>在實(shí)際工程中采用β參數(shù)表征光束質(zhì)量，其值由下面公式求得β=AmA0]]>其中，Am，A0分別為當(dāng)PIB＝86.5％時(shí)實(shí)際焦斑處實(shí)際光束和理想光束所對應(yīng)的面積。
本實(shí)用新型將采集所得的每個光斑通過上式求得對應(yīng)的β參數(shù)值，然后利用上面的光束束腰的多項(xiàng)式擬和方法得到焦斑處的β參數(shù)值。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、在本實(shí)用新型中，采用兩塊鍍有不同反射率的平板進(jìn)行分光，并對分光后得到的靶面光斑用CCD采集，最后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行多項(xiàng)式擬和的方法實(shí)現(xiàn)了對脈沖和單次激光器的光束質(zhì)量瞬時(shí)準(zhǔn)確測量。
2、在本實(shí)用新型中，由于采用的是兩塊鍍有不同反射率的平板進(jìn)行分光，使得該裝置對光束能量的要求不是很高——不存在光柵分光所存在的光強(qiáng)破壞的閾值問題。能實(shí)現(xiàn)對大能量激光器光束質(zhì)量進(jìn)行測量。
3、在本實(shí)用新型中，由于最后得到的是焦點(diǎn)或光束束腰附近2倍瑞利距離內(nèi)的多個光斑，通過多項(xiàng)式擬和，可以得到焦斑處的光斑能量分布，本裝置可以利用光束質(zhì)量評價(jià)的方法的桶中功率比的方法來評價(jià)一些非高斯光束的光束質(zhì)量。
4、在本實(shí)用新型中，由于是采用平板分光，可以調(diào)整平板的尺寸和兩平板的間距，獲得試驗(yàn)所需要的光斑數(shù)目。
5、在本實(shí)用新型中，由于采用的是光束質(zhì)量較好的透鏡聚焦，鍍有不同反射率的平板來分光，整個系統(tǒng)引入的象差相對較少。
6、在本實(shí)用新型中，由于所用器件結(jié)構(gòu)簡單，整個裝置使用穩(wěn)定，便于加工制造。


圖1為本實(shí)用新型激光光束質(zhì)量測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型采用平行平板分光器件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實(shí)用新型采用的兩平板具有一微小楔角γ的分光器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為在CCD上接收到的光斑模板圖。
圖5為光束質(zhì)量擬和的效果圖。
圖6為已有的激光光束質(zhì)量測量裝置圖。
圖7為已有的利用正交的偏心光柵的激光光束質(zhì)量測量裝置圖。
圖8為已有的采用正交偏心光柵方法得到的能量分布圖。
具體的實(shí)施方式下面通過實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
先請參閱圖1，由圖可見，本實(shí)用新型激光光束質(zhì)量測量裝置，包括聚焦透鏡1、衰減片5、采集光斑的CCD6和帶有高速采集卡7的計(jì)算機(jī)8，其特點(diǎn)是所述的衰減片5是一漫散射板，在聚焦透鏡1和漫散射板5之間有一分光器件2，該分光器件2由與光路成45°平行放置在光路中的第一平板3和第二平板4構(gòu)成，該第一平板3和第二平板4有一錯位m，其中第一平板3的內(nèi)表面的反射率為100％，第二平板4內(nèi)表面的反射率的取值范圍為90％～99％，第二平板4的外表面鍍有增透膜，第一平板3和第二平板4的位置滿足如下關(guān)系d＜m＜2h×tanαL≥10×d其中d為經(jīng)該分光器件2后的出射光在漫散射板5上的兩相鄰光斑之間的距離，d＞被測光斑在焦斑處束腰大小的倍；m為兩平板之間的錯位；h為兩平板之間的距離；α為被測光束對第一平板3的入射角；L為平板的長度。
所述的聚焦透鏡1為長焦距的聚焦透鏡。這樣便于后面的裝置安排和滿足對光斑采集所要求得光束束腰2倍瑞利距離的要求。
在分光器件2中，我們定義兩平板相鄰的兩個表面為內(nèi)表面，即第一平板3的上表面和第二平板4的下表面為內(nèi)表面，而第一平板3的下表面和第二平板4的上表面為外表面。被測激光光束經(jīng)過聚焦透鏡1后進(jìn)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之間，經(jīng)多次反射后，被分成多束光束出射。被測光束進(jìn)入兩塊平板間的位置必須如圖1所示，首先在第一平板3的內(nèi)表面上反射。第一平板3的內(nèi)表面為全反射鏡面，表面為增透膜；第二平板4的內(nèi)表面的反射率在90％～99％之間的一個值，外表面為增透膜；鍍增透膜的目的是為了保證測量的準(zhǔn)確性，這樣做的主要目的在于用CCD接收光斑能量分布時(shí)，做到至少10個光斑的能量分布圖樣能夠得以準(zhǔn)確處理，準(zhǔn)確的得到光斑的能量分布，代進(jìn)利用上面所述公式求得光束質(zhì)量參數(shù)。其中第一平板3的反射率近似為R＝100％，第二平板反射率為R與被測光束總的光強(qiáng)為I。在第一平板3上經(jīng)過i次反射后，CCD接收到的第i光斑的光強(qiáng)I(i)與被測光束總的光強(qiáng)I的關(guān)系可由下面的式子表述I(i)＝I×R′所述的分光器件2中兩塊平板的間距h主要取決于靶面上光斑間距d和光束入射角α，同時(shí)也受相鄰的光束光程差l的制約。為此，一是靶面上的光斑要相互分開，不能形成干涉；二是要保證所測得的光斑光程差之和小于兩倍瑞利距離。具體通過下面的計(jì)算可以得到；三是要保證焦點(diǎn)光斑在所測得的光斑的中間位置。
參見圖3，被測光束進(jìn)入有一定錯位的兩平板時(shí)，在第一平板3上的入射角為α，兩平板在調(diào)整的過程中可以有小角度楔角γ的調(diào)解范圍，γ值應(yīng)介于0°和1°之間。光束在第一平板3上第i次反射后經(jīng)第二平板4出射時(shí)的兩平板的間距hi，相鄰光束在到達(dá)出射平板表面時(shí)的光程差為li，即經(jīng)過在第一平板3上第(i-1)次反射和第i反射的兩相鄰光束的光程差。第二塊板4上表面的出射光相互之間的距離di。兩平板的錯位距離定義為m，m可以在一定范圍調(diào)整。兩平板如圖3所示方向上的長度定義為L。
li＝hi/cos(α-γ×(2×i-1))+hi/cos(α-γ×(2×i-3))di=hi×tan(α-γ×(2×i-1))+hi×tan(α-γ×(2×i-3))cos(γ)×sin(π2-α+(2×i-1)×γ)]]>=hi×tan(α-γ×(2×i-1))+hi×tan(α-γ×(2×i-3))cos(γ)×cos(α+(2×i-1)×γ)]]>當(dāng)i＝0時(shí)，di、hi為d0、h0，m的取值范圍為d0＜m＜2h0×tanαL＝10×d0當(dāng)兩平板平行放置時(shí)，即β＝0時(shí)，參見圖2l＝2×h/cos(α)d＝l×sin(2α)/2＝h×sin(2α)/cos(α)＝2×h×sin(α)m的取值范圍為d＜m＜2h×tanαL＝10×d
首先根據(jù)被測光束在焦點(diǎn)處的光斑大小初步估計(jì)d的值的范圍，滿足d＜被測光斑在焦斑處束腰大小的倍即可，然后設(shè)置d的初始值，h和l的值則可以由上面的公式關(guān)系得到。
先參閱圖1，圖1為本實(shí)用新型激光光束質(zhì)量測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。被測激光器光束經(jīng)過長焦距聚焦透鏡1，進(jìn)入分光器件2，在分光平板3和平板4之間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，此時(shí)相鄰光束到達(dá)與光束垂直的靶面時(shí)相互之間存在一定的光程差，靶面上相鄰光斑的間距，兩光束間的光程差以及分光平板的間距是相互關(guān)聯(lián)的，通過計(jì)算和實(shí)際光路的調(diào)整可以得到最佳結(jié)果。出射光束經(jīng)過漫散射板(衰減片)后進(jìn)入CCD6接收，之后通過數(shù)據(jù)線用高速采集卡采集和通過計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理，重構(gòu)光斑的能量分布和計(jì)算光束質(zhì)量參數(shù)。
具體的實(shí)施例聚焦透鏡1采用f＝1000mm，φ＝100mm長焦距透鏡，分光器件2采用圖2所示平行平板分光，兩平板的尺寸均為120×80×18(mm)；第一平板3的一個表面鍍有99.9％的全反膜，另一個面鍍有針對1.06μm的增透膜，第二平板4的一表面鍍有95％的反射膜，另一個表面鍍上同樣對1.06μm的增透膜。對一He-Ne激光器光束質(zhì)量進(jìn)行測量，因?yàn)樵摷す馄鹘拱吖馐霃皆?mm以內(nèi)，設(shè)置出射光的相鄰光束間距d為1.5mm，入射角α為 兩平板的間距h和到達(dá)平板4出射時(shí)相鄰光束質(zhì)量的光程差l根據(jù)所測量激光束在靶面上的尺寸由下面一組公式求得l＝2×h/cos(α)d＝l×sin(2α)/2＝h×sin(2α)/cos(α)＝2×h×sin(α)接收裝置采用漫散射板5作為靶面，然后調(diào)節(jié)CCD6的光圈，使得漫散射板5上所有有效光斑全部恰好進(jìn)入CCD6的接收范圍。然后將采集7的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)8進(jìn)行處理。
綜上所述，本實(shí)用新型采用兩塊鍍有不同反射率的平板分光，采用CCD接收分光后的光斑圖樣，通過圖像處理恢復(fù)光斑的能量分布，求得光束質(zhì)量參數(shù)。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了對重復(fù)率、高能激光其光束質(zhì)量的準(zhǔn)確測量，具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整靈活方便，系統(tǒng)穩(wěn)定實(shí)用等特點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種激光光束質(zhì)量測量裝置，包括聚焦透鏡(1)、衰減片(5)、采集光斑的CCD(6)和帶有高速采集卡(7)的計(jì)算機(jī)(8)，其特征是所述的衰減片(5)是一漫散射板，在聚焦透鏡(1)和漫散射板(5)之間有一分光器件(2)，該分光器件(2)由與光路成45°平行放置在光路中的第一平板(3)和第二平板(4)構(gòu)成，該第一平板(3)和第二平板(4)有一錯位m，其中第一平板(3)的內(nèi)表面的反射率為100％，第二平板(4)內(nèi)表面的反射率的取值范圍為90％～99％，第二平板(4)的外表面鍍有增透膜，第一平板(3)和第二平板(4)的位置滿足如下關(guān)系d＜m＜2h×tanαL≥10×d其中d為經(jīng)該分光器件(2)后的出射光在漫散射板(5)上的兩相鄰光斑之間的距離，d＞被測光斑在焦斑處束腰大小的倍；m為兩平板之間的錯位；h為兩平板之間的距離；α為被測光束對第一平板(3)的入射角；L為平板的長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束質(zhì)量測量裝置，其特征是所述的聚焦透鏡(1)為長焦距的聚焦透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束質(zhì)量測量裝置，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值的取值范圍為0°～1°。
專利摘要一種激光光束質(zhì)量測量裝置，包括聚焦透鏡、衰減片、采集光斑的CCD和帶有高速采集卡的計(jì)算機(jī)，其特點(diǎn)是所述的衰減片是一漫散射板，在所述的聚焦透鏡和漫散射板之間有一分光器件，該分光器件由與光路成45°平行放置在光路中的第一平板和第二平板構(gòu)成，該第一平板和第二平板有一錯位m，第一平板的內(nèi)表面的反射率為100％，第二平板內(nèi)表面的反射率的取值范圍為90％～99％，第二平板的外表面鍍有增透膜。本實(shí)用新型可以對重復(fù)率、高能激光器的光束質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，它既能對高斯光束進(jìn)行測量，又能對非高斯光束的光束質(zhì)量用桶中功率比的方法評價(jià)，本實(shí)用新型還具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用和穩(wěn)定的特點(diǎn)。
文檔編號G01J1/00GK2890864SQ20062003903
公開日2007年4月18日 申請日期2006年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月18日
發(fā)明者于永愛, 唐前進(jìn), 張玲玲, 胡企銓 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所