本發(fā)明屬于激光參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光光束質(zhì)量參數(shù)的測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

在激光參數(shù)測量中，光束質(zhì)量是一個(gè)重要的參數(shù)，表示激光束向遠(yuǎn)場發(fā)射的能力。常見的光束質(zhì)量包括m2因子、β參數(shù)和桶中功率(pib)等，其中pib代表了激光束在遠(yuǎn)場的功率集中度和可聚焦能力。

現(xiàn)有的pib測量方法是采用合適尺寸的光闌孔設(shè)置在光學(xué)調(diào)節(jié)架上，光闌孔后面采用光功率計(jì)探頭測量光功率，通過微調(diào)光闌孔的位置使得獲取的光功率的值最大，即為該激光束的pib值。這種方法存在的問題是當(dāng)激光的光束不穩(wěn)定時(shí)，強(qiáng)光點(diǎn)的位置發(fā)生變化，導(dǎo)致無法采用光闌孔捕捉到激光光強(qiáng)最大值，因此只能適用于連續(xù)輸出的穩(wěn)定激光器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于轉(zhuǎn)筒螺旋線孔取樣的激光光束質(zhì)量測量裝置和方法，不僅適用于連續(xù)穩(wěn)定光源，對于空間變換頻率不高的其他激光器同樣適用。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

基于轉(zhuǎn)筒螺旋線孔取樣的激光光束質(zhì)量測量裝置，其特殊之處是，包括轉(zhuǎn)筒、光電探測器和數(shù)據(jù)采集處理單元，所述的轉(zhuǎn)筒繞轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒的筒壁上至少設(shè)置有一組沿轉(zhuǎn)軸軸線方向呈螺旋線排布的取樣孔，所述的取樣孔的中心線與轉(zhuǎn)軸軸線垂直相交，待測量激光束沿垂直于轉(zhuǎn)軸的軸線方向從轉(zhuǎn)筒外部入射至轉(zhuǎn)筒內(nèi)部的光電探測器，或者待測量激光束沿垂直于轉(zhuǎn)軸的軸線方向從轉(zhuǎn)筒外部入射至轉(zhuǎn)筒內(nèi)部后經(jīng)過轉(zhuǎn)筒內(nèi)部設(shè)置的光學(xué)元件折返后入射至光電探測器，所述的取樣孔的孔徑小于待測量激光束的尺度，所述的數(shù)據(jù)采集處理單元記錄并處理光電探測器的輸出信號(hào)。

為保證測量質(zhì)量，相鄰兩只取樣孔在轉(zhuǎn)筒橫截面上的兩孔中心間距大于待測量激光束的尺度。

上述的光電探測器優(yōu)選大口徑積分球光電探測器；所述的光學(xué)元件優(yōu)選反射鏡。

上述的待測量激光束尺度為0.1‐10mm，取樣孔的孔徑為0.01‐9mm。

上述光電探測器的響應(yīng)時(shí)間優(yōu)選納秒或微秒級(jí)。

為確定測量起始時(shí)間，測量裝置上還可設(shè)置有位置觸發(fā)單元，在轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)到設(shè)定位置時(shí)，觸發(fā)位置觸發(fā)單元輸出觸發(fā)信號(hào)。

上述位置觸發(fā)單元包括紅外對管和遮光片，紅外對管安裝在機(jī)架上，遮光片設(shè)置在安裝轉(zhuǎn)筒上與紅外對管相匹配的位置。

或者，上述位置觸發(fā)單元包括分別設(shè)置在轉(zhuǎn)筒內(nèi)部和外部的定位光源和光敏二極管，在特定的取樣孔轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定的位置時(shí)，定位光源的輸出光入射至光敏二極管。

基于轉(zhuǎn)筒螺旋線孔取樣的激光光束質(zhì)量測量方法，包括以下步驟：

1)待測量激光束穿過勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)筒筒壁上的一組或多組沿轉(zhuǎn)軸軸線方向呈螺旋線排布的取樣孔；所述的取樣孔的中心線與轉(zhuǎn)軸軸線垂直相交，取樣孔的孔徑小于待測量激光束的尺度；

2)光電探測器對穿過每只取樣孔的激光束進(jìn)行高速取樣測量，獲取激光束在不同取樣位置處的功率值；

3)數(shù)據(jù)采集處理單元記錄并處理光電探測器在一個(gè)掃描周期內(nèi)的系列光功率值，根據(jù)采集時(shí)間與平板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)取樣孔的位置關(guān)系，獲得該時(shí)段內(nèi)的桶中功率值。

為提高時(shí)間分辨率，步驟2)中同一只取樣孔可對激光束進(jìn)行重疊取樣。

本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果如下：

1、本發(fā)明通過高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)筒帶動(dòng)呈螺旋線分布的取樣孔陣列對入射激光束進(jìn)行了整體光斑掃描，并采用一個(gè)大面積的光電探測器單元獲取光強(qiáng)信號(hào)，通過設(shè)置取樣孔的位置，確保光電探測器只能接收到一個(gè)取樣孔的信號(hào)，使得在一個(gè)光束掃描周期內(nèi)，可以獲得整個(gè)光束的光強(qiáng)分布及光強(qiáng)峰值；通過這種掃描的方式，模擬了傳統(tǒng)的光闌孔沿光束截面上微調(diào)以獲取焦斑中心功率，測量pib的方式。

2、本發(fā)明通過對取樣孔的位置設(shè)置實(shí)現(xiàn)了整個(gè)光束的高空間分辨掃描，由于取樣孔在轉(zhuǎn)軸軸線方向呈螺旋線排布，且相鄰的兩只取樣孔沿轉(zhuǎn)軸軸線方向上的間距可以設(shè)定的較小，同時(shí)選擇響應(yīng)速率快的光電探測器及數(shù)采系統(tǒng)，從而獲得了較高的空間分辨率，可以精細(xì)描繪出光強(qiáng)的空間分布變化，并確保取樣孔可以掃描到最強(qiáng)點(diǎn)即焦斑的光束位置。

3、本發(fā)明轉(zhuǎn)筒的體積和結(jié)構(gòu)緊湊，而且可通過在同一只轉(zhuǎn)筒中設(shè)置多條螺旋線的取樣孔，使得該裝置可實(shí)現(xiàn)khz級(jí)的光束掃描取樣，滿足了光束抖動(dòng)頻率小于khz情況下的光束質(zhì)量取樣測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明激光光束質(zhì)量測量方法和裝置原理示意圖；

圖2為本發(fā)明激光光束質(zhì)量測量裝置的優(yōu)化原理圖；

圖3為本發(fā)明圖1的俯視圖；

圖4為本發(fā)明取樣孔對測量光束掃描示意圖；

圖5為本發(fā)明激光束和取樣孔位置設(shè)置示意圖；

附圖標(biāo)記為：1—激光束；2—取樣孔；3—轉(zhuǎn)筒；4—機(jī)架；5—轉(zhuǎn)軸；6—光電探測器7—取樣光束；11—反射鏡；12—積分球光電探測器；17—定位光源；18—光敏二極管。

具體實(shí)施方式

如圖1‐5所示，本發(fā)明的光束質(zhì)量pib測量裝置包括轉(zhuǎn)筒3、光電探測器6和用于記錄并處理光電探測器輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集處理單元。轉(zhuǎn)筒3通過機(jī)架聯(lián)接轉(zhuǎn)軸5并繞轉(zhuǎn)軸5高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒3的橫截面為圓形，筒壁上設(shè)置有一組沿轉(zhuǎn)軸5軸線方向呈螺旋線排布的取樣孔2，該取樣孔可以是一組螺旋線均勻排布的微孔，也可以增加掃描次數(shù)在一個(gè)轉(zhuǎn)筒上設(shè)置多組螺旋線均勻排布的取樣孔。取樣孔2指向轉(zhuǎn)軸5軸線，取樣孔的中心與轉(zhuǎn)軸5軸線垂直相交，待測量激光束1沿垂直于轉(zhuǎn)軸5的軸線方向從轉(zhuǎn)筒3外部入射至轉(zhuǎn)筒3內(nèi)部的光電探測器6。也可以是激光束1沿垂直于轉(zhuǎn)軸5的軸線方向從轉(zhuǎn)筒3外部入射，經(jīng)過轉(zhuǎn)筒3內(nèi)部設(shè)置的光學(xué)元件——反射鏡11后折返入射至光電探測器6。

如圖3所示，取樣孔2的孔徑小于待測量激光束1的尺度，且相鄰兩只取樣孔2在轉(zhuǎn)筒3橫截面上的間距，即圖3中的a大于待測量激光束1的尺度，這樣可確保在任意時(shí)刻光電探測器6只能接收到通過一只取樣孔2的取樣光束7的信號(hào)。

光電探測器6選用大口徑的功率計(jì)，比如積分球光電探測器12，確?？山邮盏秸麄€(gè)待測量激光束1。入射激光束1的尺度為0.1‐10mm，取樣孔2的孔徑則為0.01‐9mm，小于入射激光束1的尺度。

如圖3和4所示，為了提高掃描取樣的空間分辨率，相鄰兩只取樣孔2沿轉(zhuǎn)軸軸線方向上的間距b可以設(shè)置的很小，這樣可以確保測量裝置在垂直方向上具有較高的空間分辨率。同時(shí)選擇響應(yīng)速率快的光電探測器及數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行高速信號(hào)采集，如圖4中同一只取樣孔在激光光束的不同位置上疊加取樣，從而在水平方向上獲得了較高的空間分辨率，最終精細(xì)描繪出光強(qiáng)的空間分布變化，并確保取樣孔可以掃描到最強(qiáng)點(diǎn)的光束位置，也就是說，通過精細(xì)的空間掃描可確保每個(gè)掃描周期捕獲到最大的功率峰值即焦斑中心。

此外為了提高時(shí)間分辨率，轉(zhuǎn)筒3一周的取樣孔可以是一條螺旋線，也可以是多條螺旋線，也就是轉(zhuǎn)筒3每旋轉(zhuǎn)一周，可以對激光束1多次重復(fù)掃描，其目的是在滿足取樣孔和間距的尺寸要求前提下，盡可能提高時(shí)間分辨率，從而確保捕捉到焦斑中心，獲得pib參數(shù)。

如圖5所示，為了給掃描取樣機(jī)構(gòu)提供位置基準(zhǔn)，在測量裝置上設(shè)置有位置觸發(fā)單元，在轉(zhuǎn)筒3轉(zhuǎn)到設(shè)定位置時(shí)輸出觸發(fā)信號(hào)，同步觸發(fā)數(shù)采系統(tǒng)或者是由數(shù)采系統(tǒng)采集該觸發(fā)信號(hào)，用于后續(xù)光束光強(qiáng)分布的圖像復(fù)原。位置觸發(fā)單元可以采用常規(guī)的紅外對管和遮光片，紅外對管安裝在機(jī)架上，遮光片設(shè)置在安裝轉(zhuǎn)筒3上。也可以采用如圖5所示的定位光源17和光敏二極管18，其中定位光源17和光敏二極管18分別設(shè)置在轉(zhuǎn)筒內(nèi)部和外部，在轉(zhuǎn)筒3旋轉(zhuǎn)的大部分時(shí)間內(nèi)，定位光源17的光被遮擋，只有特定高度的取樣孔轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定的位置時(shí)，定位光源17的輸出光入射至光敏二極管18，使得光敏二極管18輸出脈沖信號(hào)，采集和提取該信號(hào)峰值，即可為后續(xù)的圖像復(fù)原軟件提供觸發(fā)信號(hào)或基準(zhǔn)信號(hào)。通過這些設(shè)計(jì)確保該裝置可實(shí)現(xiàn)khz的光束掃描取樣，滿足了光束抖動(dòng)頻率小于khz情況下的光束質(zhì)量pib參數(shù)測量。

利用上述測量裝置對激光束進(jìn)行光束質(zhì)量的測量方法，包括以下步驟：

【1】光路調(diào)節(jié)：按照如圖1或2所示的光路布置入射激光和測量裝置，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)筒，使得待測量激光束入射至取樣孔，并調(diào)節(jié)光電探測器的位置，確保光電探測器可獲取整個(gè)待測量激光束；

【2】開啟轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，開啟光電探測器及數(shù)據(jù)采集處理單元；

【3】加載激光束，數(shù)據(jù)采集處理單元計(jì)算獲取每個(gè)光束掃描周期內(nèi)的最大光強(qiáng)值，即為該時(shí)段內(nèi)的桶中功率值；

【4】數(shù)據(jù)采集處理單元根據(jù)取樣孔和光束的幾何映射關(guān)系，得到激光束光強(qiáng)的時(shí)空分布參數(shù)。

本發(fā)明的測量裝置通過更換不同取樣孔徑的平板實(shí)現(xiàn)系列pib值的測量，比如激光束直徑為d，取樣孔選擇0.1d、0.2d……0.9d系列直徑，只需要不同的平板，其他器件保持不變，即可實(shí)現(xiàn)激光束系列pib值的測量。