一種脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)及其同步控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)，包括光斑測試光路和時鐘同步控制模塊；光斑測試光路包括直線導軌、兩片分束鏡、反射鏡、聚焦鏡、激光衰減器和兩個CCD；第一個分束鏡將入射激光分為兩束，一束進入快速響應(yīng)光電探測器，對其時域信息進行測量；另一束進入測試光路。衰減器對入射激光進行適當?shù)乃p，聚焦鏡實現(xiàn)束腰重造，另一分束鏡將光束分為相互垂直的兩束并分別入射到兩個CCD中進行光斑測量；其中一個CCD測量固定位置光斑大小，另一個CCD通過導軌的運動確定束腰位置，并測量束腰大?。煌ㄟ^這三個量的測量可以獲得經(jīng)重造束腰后的高斯光束解析式，再經(jīng)透鏡變換，得到入射高斯光束的光束質(zhì)量參數(shù)。
【專利說明】-種脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)及其同步控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于脈沖激光光束質(zhì)量測試領(lǐng)域，更具體地，涉及一種脈沖激光光束質(zhì)量 同步測量系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著激光技術(shù)在工業(yè)、科研領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，激光光束質(zhì)量測試技術(shù)的重 要性日益凸顯，使得激光光束質(zhì)量測試設(shè)備的需求也隨之增長。國內(nèi)外越來越多的科研機 構(gòu)和廠商也展開了對激光光束質(zhì)量測試系統(tǒng)的研究開發(fā)。目前市場上已有不少技術(shù)成熟的 商用化激光光束質(zhì)量測量儀器，該些光束質(zhì)量測量儀器主要實現(xiàn)對連續(xù)或脈沖激光的宏觀 束腰寬度、M2和遠場發(fā)散角等光束質(zhì)量指標的準確測量。
[0003] 然而，隨著激光技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，業(yè)界對激光光束質(zhì)量，特別是脈沖激光的測 量提出了更高的要求。為了進一步研究激光加工過程中，光與物質(zhì)相互作用的物理機理，必 須明確單個脈沖的光束質(zhì)量和脈沖激光束的穩(wěn)定性。而目前市場上成熟的光束質(zhì)量測量儀 器無法實現(xiàn)對脈沖激光的單個脈沖的光束質(zhì)量指標的測量，即無法檢測脈沖激光光束質(zhì)量 的穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系 統(tǒng)及方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)對脈沖激光的單個脈沖的光束質(zhì)量指標的測量，無 法檢測脈沖激光光束質(zhì)量的穩(wěn)定性的問題。
[0005] 本發(fā)明提供了一種脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)，用于通過激光脈沖與CCD響 應(yīng)時鐘的同步實現(xiàn)單脈沖光束質(zhì)量測試，包括光斑測試光路和時鐘同步控制模塊；所述光 斑測試光路包括：直線導軌運動臂、直線導軌、反射鏡W及依次設(shè)置在入射激光光路上的 第一分束鏡、衰減系統(tǒng)、聚焦鏡和第二分束鏡；所述直線導軌水平設(shè)置，所述直線導軌運動 臂與所述直線導軌垂直設(shè)置，所述第二分束鏡和所述反射鏡分別固定在所述直線導軌運動 臂的兩端，且所述第二分束鏡與入射激光成45度角，所述反射鏡與所述第二分束鏡相互垂 直，且所述反射鏡和所述第二分束鏡隨著所述直線導軌運動臂整體移動；所述時鐘同步控 制模塊包括；第一CCD相機、第二CCD相機、光電探測器和控制器；所述光電探測器的輸入 端用于接收經(jīng)所述第一分束鏡分束后的垂直光束；所述光電探測器的輸出端與所述第一 CCD相機和第二CCD相機連接，輸出用于觸發(fā)所述第一CCD相機和第二CCD相機電子快口的 電脈沖信號；所述第一CCD相機用于采集經(jīng)過反射鏡輸出的光束；所述第二CCD相機用于 采集經(jīng)過第二分束鏡分束后的水平光束；所述第一CCD相機和第二CCD相機的輸出端將各 自測得的光斑尺寸信息輸出到控制器；所述直線導軌在所述控制器的控制下往復(fù)運動，改 變了所述第一CCD相機與所述聚焦鏡之間的光程，獲得光束的束腰位置和束腰大小，并結(jié) 合所述第二CCD相機測得的固定位置光斑大小獲得入射高斯光束的光束質(zhì)量參數(shù)。
[0006] 更進一步地，其特征在于，工作時，待測脈沖激光光束經(jīng)第一分束鏡分為相互垂直 的兩束，垂直的一束通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電脈沖信號并觸發(fā)第一CCD相機和第二CCD相 機的電子快口；水平的一束先經(jīng)衰減系統(tǒng)將脈沖能量衰減至微焦量級，再通過聚焦鏡完成 束腰的重造，再通過第二分束鏡分為功率相等的兩束，水平的一束直接進入第二CCD相機， 測量固定位置的光斑大小，垂直的一束經(jīng)45度反射鏡反射后進入第一CCD相機，通過直線 導軌的往復(fù)運動來改變第一CCD相機到聚焦鏡之間的光程來確定光束的束腰位置和束腰 大??；根據(jù)第一CCD相機測得的束腰位置和束腰直徑W及第二CCD相機測得的固定位置光 斑大小獲得入射高斯光束的光束質(zhì)量參數(shù)。
[0007] 更進一步地，所述第二分束鏡為50 ;50分束鏡。
[0008] 更進一步地，所述第一分束鏡為1 ;99分束鏡，經(jīng)所述第一分束鏡分束后，入射光 束功率1 %的光束向垂直方向反射進入光電探測器，入射光束功率99 %的光束透射進入衰 減系統(tǒng)。

【權(quán)利要求】
1. 一種脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)，其特征在于，用于通過激光脈沖與CCD響應(yīng) 時鐘的同步實現(xiàn)單脈沖光束質(zhì)量測試，包括光斑測試光路和時鐘同步控制模塊； 所述光斑測試光路包括：直線導軌運動臂（5)、直線導軌（7)、反射鏡（10)以及依次設(shè) 置在入射激光光路上的第一分束鏡（1)、衰減系統(tǒng)（2)、聚焦鏡（3)和第二分束鏡（4);所述 直線導軌（7)水平設(shè)置，所述直線導軌運動臂（5)與所述直線導軌（7)垂直設(shè)置，所述第二 分束鏡（4)和所述反射鏡（10)分別固定在所述直線導軌運動臂（5)的兩端，且所述第二分 束鏡（4)與入射激光成45度角，所述反射鏡（10)與所述第二分束鏡（4)相互垂直，且所述 反射鏡（10)和所述第二分束鏡（4)隨著所述直線導軌運動臂（5)整體移動； 所述時鐘同步控制模塊包括：第一 CCD相機（9)、第二CCD相機￠)、光電探測器（8)和 控制器（11); 所述光電探測器（8)的輸入端用于接收經(jīng)所述第一分束鏡（1)分束后的垂直光束；所 述光電探測器（8)的輸出端與所述第一 CCD相機（9)和第二CCD相機（6)連接，輸出用于 觸發(fā)所述第一 CCD相機（9)和第二CCD相機（6)電子快門的電脈沖信號； 所述第一 CCD相機（9)用于米集經(jīng)過反射鏡（10)輸出的光束；所述第二CCD相機（6) 用于采集經(jīng)過第二分束鏡（4)分束后的水平光束； 所述第一 CCD相機（9)和第二CCD相機（6)的輸出端將各自測得的光斑尺寸信息輸出 到控制器（11); 所述直線導軌（7)在所述控制器（11)的控制下往復(fù)運動，改變了所述第一 CCD相機 (9)與所述聚焦鏡（3)之間的光程，獲得光束的束腰位置和束腰大小，并結(jié)合所述第二CCD 相機（6)測得的固定位置光斑大小獲得入射高斯光束的光束質(zhì)量參數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)，其特征在于，工作時，待測脈 沖激光光束經(jīng)第一分束鏡（1)分為相互垂直的兩束，垂直的一束通過光電探測器（8)轉(zhuǎn)換 為電脈沖信號并觸發(fā)第一 CCD相機（9)和第二CCD相機￠)的電子快門；水平的一束先經(jīng) 衰減系統(tǒng)（2)將脈沖能量衰減至微焦量級，再通過聚焦鏡（3)完成束腰的重造，再通過第二 分束鏡（4)分為功率相等的兩束，水平的一束直接進入第二CCD相機￠)，測量固定位置的 光斑大小，垂直的一束經(jīng)45度反射鏡（10)反射后進入第一 CCD相機（9)，通過直線導軌（7) 的往復(fù)運動來改變第一 C⑶相機（9)到聚焦鏡（3)之間的光程來確定光束的束腰位置和束 腰大??；根據(jù)第一 CCD相機（9)測得的束腰位置和束腰直徑以及第二CCD相機（6)測得的 固定位置光斑大小獲得入射高斯光束的光束質(zhì)量參數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二分 束鏡⑷為50 :50分束鏡。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一分 束鏡⑴為1:99分束鏡，經(jīng)所述第一分束鏡⑴分束后，入射光束功率1%的光束向垂直方 向反射進入光電探測器（8)，入射光束功率99 %的光束透射進入衰減系統(tǒng)（2)。
5. 如權(quán)利要求1-4任一項所述的脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)，其特征在于，所述 光束質(zhì)量參數(shù)包括束腰半徑、遠場發(fā)散角、光束參數(shù)積和光束質(zhì)量因子；

其中，f為聚焦鏡的像方焦距，Z為聚焦鏡到激光器輸出端的距離，A為第一 CXD相機測 得的束腰半徑，B為第二CCD相機測得的光斑半徑，C為第一 CCD相機捕捉到束腰時與第二 C⑶相機的光程差。
6. -種脈沖激光光束質(zhì)量同步測量方法，其特征在于，包括下述步驟： 將待測脈沖激光光束分為相互垂直的兩束，垂直的一束光轉(zhuǎn)換為用于控制第一 CCD相 機（9)和第二CCD相機（6)的電脈沖信號； 將水平的一束光的脈沖能量衰減至微焦量級后被聚焦，再分為功率相等的兩束，水平 的一束直接被第二C⑶相機（6)采集，用于測量固定位置的光斑大小，垂直的一束經(jīng)45度 反射后被第一 CCD相機（9)米集； 通過控制直線導軌（7)的往復(fù)運動來改變第一CCD相機（9)到聚焦鏡（3)之間的光程， 獲得光束的束腰位置和束腰大小； 根據(jù)第一 CCD相機（9)測得的束腰位置和束腰直徑以及第二CCD相機（6)測得的固定 位置光斑大小獲得入射高斯光束的光束質(zhì)量參數(shù)。
7. 如權(quán)利要求6所述的脈沖激光光束質(zhì)量同步測量方法，其特征在于，在一次測量過 程中，先將采樣的光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，并以此觸發(fā)第一 CCD相機（9)和第二CCD 相機（6)的電子快門，使得第一 CCD相機（9)和第二CCD相機（6)在一次積分時間內(nèi)只捕 獲一個激光脈沖，從而實現(xiàn)單脈沖光束質(zhì)量測量。
8. -種基于權(quán)利要求1所述的脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)的同步控制方法，其特 征在于，包括下述步驟： 在一次測量過程中，通過光電探測器將光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，并采用所述電 脈沖信號觸發(fā)兩個CCD相機的電子快門，使得兩個CCD相機在一次積分時間內(nèi)只捕獲一個 激光脈沖，從而實現(xiàn)單脈沖光束質(zhì)量測量。
9. 一種基于權(quán)利要求1所述的脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)的同步控制方法，其特 征在于，包括下述步驟： 在一次測量過程中，第一 CCD相機發(fā)出與其電子快門同步的脈沖信號分別觸發(fā)第二 CCD相機和待測激光器，實現(xiàn)兩個CCD的快門與激光脈沖同步，從而實現(xiàn)單脈沖光束質(zhì)量測 量。
10. -種基于權(quán)利要求1所述的脈沖激光光束質(zhì)量同步測量系統(tǒng)的同步控制方法，其 特征在于，包括下述步驟： 在一次測量過程中，利用控制器產(chǎn)生的時鐘信號，同步控制激光器和兩個CCD相機的 電子快門，保證兩個CCD相機在一次積分時間內(nèi)只捕獲一個激光脈沖，從而實現(xiàn)單脈沖光 束質(zhì)量測量。
【文檔編號】G01J11/00GK104359564SQ201410665216
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】左強, 張庸, 閆阿澤, 喬穎, 于海濤, 姚曉峰 申請人:湖北三江航天紅峰控制有限公司