專利名稱：激光光束質(zhì)量bq因子檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測儀，特別是一種激光光束質(zhì)量BQ因子檢測儀。
背景技術(shù)：
激光光束質(zhì)量.BQ因子——激光束遠(yuǎn)場桶內(nèi)功率比，是描述激光特性的 一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，直接關(guān)系到激光器的應(yīng)用效率，特別是對于相干組束 激光陣列的組束效率來說是一個(gè)重要的指標(biāo)(參見Gregory D. Goodno, Charles R Asman, Jesse Andereg， etc. Brightness-Scaling Potential of Actively Phase-Locked Solid-State Laser Arrays, QUANTUM ELECTRONICS, IEEE, VOL. 13， NO. 3,2007)。 BQ因子的定義為
其中/^是指理想近衍射極限、光束直徑為D的基豐莫光束在發(fā)散 角為A/D內(nèi)的功率與出射功率比值，/為測得的實(shí)際激光光束在發(fā)散角 為A/D內(nèi)的功率與出射功率比值，A指的是待測激光波長，Z)指的是待 檢測激光束直徑。'目前，在高功率激光器光束質(zhì)量評價(jià)中，越來越多采 用BQ來作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。尤其是采用激光陣列相干組束后具有高功率的 激光束，采用BQ可以更加直接、客觀的評價(jià)相干組束效果。
BQ .測量原理如下首先將待測激光器的出射并經(jīng)過7隹直的激光束 (光束直徑為D)經(jīng)一長焦(焦距為/;)、大數(shù)值孔徑的聚焦透鏡，用功 率計(jì)測出過透鏡后的激光功率尸。計(jì)算激光功率為尸，光束寬度為D，
理想基模激光光束經(jīng)焦距為y;的聚焦透鏡后，在透鏡后焦面，即光束腰 斑位置處，以光束中心為圓心，直徑為義y;/z)范圍內(nèi)的激光功率值尸2， 公式如下
3然后，根據(jù)出射激光束寬度D，在通過聚焦透鏡后焦面處放置一小孔，
小孔直徑為4/i/D，小孔中心與光軸重合，測量過該小孔的激光功率/V 再由下式可以計(jì)算出BQ。
本發(fā)明的目的在于提供一種激光光束質(zhì)量BQ因子檢測儀，通過測量激光 光束在遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布，以及特定發(fā)散角內(nèi)輸出功率與整體功率的比值，然后 計(jì)算得到用于評價(jià)激光光束質(zhì)量的BQ因子值。該裝置能夠方便實(shí)時(shí)地對激光 光束質(zhì)量BQ因子進(jìn)行測量，而且結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)用性強(qiáng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種激光光束質(zhì)量BQ因子檢測儀，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括同光路的依次的 第一反光鏡、第二反光鏡、聚焦透鏡、可變孔徑光闌、成像透鏡、分光鏡、 衰減片和CCD，而且所述的聚焦透鏡、可變孔徑光闌、成像透鏡、分光鏡、 衰減片和CCD同光軸，在所述的分光鏡的反射方向設(shè)置功率計(jì)，所述的功率 計(jì)的數(shù)據(jù)線和所述的CCD的數(shù)據(jù)線分別與計(jì)算機(jī)相連，所述的聚焦透鏡的焦 距為fp直徑為Dn所述的成像透鏡的焦距為f2，直徑為D2，所述的聚焦透 鏡和成像透鏡共焦點(diǎn)，所述的可變孔徑光闌的小孔直徑設(shè)定為入fi/D，插設(shè)在 所述的聚焦透鏡和成像透鏡共焦點(diǎn)附近并具有沿光路移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中D 為待測光束直徑，義為待測光束波長，所述的CCD具有沿光軸移動的調(diào)節(jié)機(jī) 構(gòu)，所述的計(jì)算機(jī)具有視頻采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算、激光光束質(zhì)量BQ因子 的數(shù)據(jù)處理程序。'
所述的聚焦透鏡的表面鍍有與激光波長相符的增透介質(zhì)膜，具有較小的 成像誤差，且焦距&》500mm，該聚焦透鏡具有沿軸向前后移動的機(jī)構(gòu)。
所述的可變孔徑光闌的直徑具有精確控制機(jī)構(gòu)
發(fā)明內(nèi)容
所述的成像透鏡的表面鍍有與激光波長相應(yīng)的增透介質(zhì)膜。 所述的計(jì)算機(jī)具有視頻采集卡和求得激光光束質(zhì)量BQ的數(shù)據(jù)處理程序， 該程序包括采用一階距方法計(jì)算光斑中心程序、采用二階距方法計(jì)算光斑直
徑程序、根據(jù)測得過特定小孔直徑后功率的光束質(zhì)量BQ計(jì)算程序和人機(jī)交互
功能部分。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、 適用于不同波長和光束質(zhì)量的激光束的測量。
2、 使用方便靈活，減少了實(shí)際操作的復(fù)雜性。
3、 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、構(gòu)造簡單、制造方便。


圖1為本發(fā)明激光光束質(zhì)量BQ因子檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明檢測儀中數(shù)據(jù)處理程序流程簡圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
先請參閱圖.l，圖1為本發(fā)明激光光束質(zhì)量BQ檢測儀的結(jié)構(gòu)示意 圖。由圖可見，本發(fā)明激光光束質(zhì)量BQ檢測儀的構(gòu)成是在待測激光 器發(fā)出的待測激光束的前進(jìn)方向同光路地依次設(shè)置第一反光鏡1、第二 反光鏡2、聚焦透鏡3 (透鏡焦距為f》、可變孔徑光闌4、成像透鏡5 (透 鏡焦距為f2)、分光鏡6、功率計(jì)7、衰減片8、 CCD9，功率計(jì)的輸出端 數(shù)據(jù)線11和CCD的輸出端數(shù)據(jù)線12分別與計(jì)算機(jī)10相連。具體測量 方法，包括如下步驟
第一步待測激光器出射經(jīng)過準(zhǔn)直的激光束，調(diào)節(jié)第一反光鏡l和 第二反光鏡2，將激光束入射到聚焦透鏡3， CCD9將采集到該光斑圖形 經(jīng)CCD的輸出端數(shù)據(jù)線12傳送至計(jì)算機(jī)10，顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上， 沿光路前后移動CCD9，每移動一次，由軟件計(jì)算出光斑中心的坐標(biāo)，移動CCD9后，如果前后兩次的光斑中心的坐標(biāo)值相同，即可以判定入 射到聚焦透鏡3上的激光束的傳輸軸線與聚焦透鏡3的光軸重合，如果 光斑中心的坐標(biāo)值不相同，則調(diào)整第一反光鏡1和第二反光鏡2，然后 .再重復(fù)上述操作，直至入射光束的傳輸軸線與聚焦透鏡3的光軸重合。 然后，由計(jì)算機(jī)內(nèi)的軟件記錄由功率計(jì)7傳輸給計(jì)算機(jī)的功率值P，這 時(shí)可變孔徑光闌4還沒有放入光路中；
第二步將CCD9沿光路前后移動，由計(jì)算機(jī)10內(nèi)的軟件實(shí)時(shí)地 計(jì)算光斑直徑，然后將CCD9移動出現(xiàn)最小光斑直徑時(shí)的位置，并由計(jì) 算機(jī)記錄下光斑直徑DL，再由軟件計(jì)算出激光器發(fā)射光束的直徑D。
第三步將可變孔徑光闌4放入聚焦透鏡3后焦面處，并將可變孔徑 光闌4的小孔的直徑設(shè)定為義&ZD， ^為激光波長，為了提高放置的準(zhǔn)確 性，將小孔沿光路前后移動，通過功率計(jì)8觀察，確保可變孔徑光闌4 放置在功率計(jì)8上顯示為最大值時(shí)的位置，此處即為待測光束經(jīng)聚焦透 鏡3后焦面處，即在聚焦透鏡3光束的腰斑位置；
第四步通過數(shù)據(jù)線傳輸線11將功率計(jì)8上的讀數(shù)傳送給計(jì)弇機(jī) IO，再由計(jì)算機(jī)10內(nèi)的檢測儀的軟件計(jì)箅得到待測激光束的光束質(zhì)量的 BQ值。
數(shù)據(jù)處理的流程如圖2所示
計(jì)算機(jī)10接收到CCD9采集到的光斑灰度圖，利用一階矩的子程 序?qū)Π獍叩幕叶葓D進(jìn)行一階矩求解，其物理意義是求解光斑圖中光 強(qiáng)分布的重心， 一般情況下，光斑圖中光強(qiáng)分布重心位置就是光斑的中
心。光斑中心坐標(biāo)的計(jì)算公式如下
<formula>formula see original document page 6</formula>其中/(x,力為U少)處的光強(qiáng)函數(shù)值，(S， 7)即為光斑中心坐標(biāo)。根
據(jù)上面求出的中心坐標(biāo)(；，^)，禾,二階矩求出光斑直徑^，光斑直 徑的計(jì)算公式如下
J"J7(JC， y， z)血辦
其中/(;c,力為(x, >;)處的光強(qiáng)函數(shù)值，根據(jù)聚焦透鏡3的焦距fi，成像 透鏡5的焦距f2和A，可以由下面公式計(jì)算出激光器發(fā)射的激光光束直 徑
￡ f. i'
、2
f,
根據(jù)激光器出射激光功率P，然后利用下面的公式計(jì)算激光功率為尸， 光束寬度為Z)，出射功率為尸的理想的基模光束在發(fā)散角為內(nèi)的功 率值尸2:
尸2 =~^~i~ J rexP(--^"~r)*
然后根據(jù)測量得到的尸i值，由下面BQ的計(jì)算公式計(jì)算得出激光器出射 激光光束的BQ值。
BQ =
下面舉一個(gè)具體實(shí)施例子介紹如下.-
如圖l所示，待測激光器，輸出激光波長為A =1080nm。光束經(jīng)過 第一反射鏡1和第二反射鏡2后，經(jīng)高質(zhì)量聚焦透鏡3聚焦，該聚焦透 鏡3為雙凸透鏡，焦距f產(chǎn)500mm，透鏡直徑D尸50mm，激光束經(jīng)過聚
7焦透鏡3后，通過成像透鏡5 (成像透鏡焦距f2=50mm，透鏡直徑 D2=30mm，成像透鏡的前焦點(diǎn)與聚焦透鏡3的后焦點(diǎn)重合，同光軸)后， 經(jīng)由功率計(jì)8測得功率P-10.6W，以及CCD9采集到光斑圖形，然后經(jīng) 過計(jì)算機(jī)視頻采集卡.，在計(jì)算機(jī)10的顯示器上顯示光斑形狀。首先沿光 軸前后移動CCD9，觀察顯示器上光斑的中心位置變化，調(diào)整第一反射 鏡1和第二反射鏡2，直至CCD9上的光斑的中心位置不發(fā)生改變，再 將CCD9移動至計(jì)算機(jī)10上顯示光斑直徑為最小，測得光斑直徑為Z)l， 計(jì)算出激光器出射激光光束寬度i)，這個(gè)過程中可變孔徑光闌4不放入光 路中。其次，測量沒有加可變孔徑光闌4時(shí)的功率計(jì)8上的數(shù)值P，并將 結(jié)果傳遞給計(jì)算機(jī)10。然后將可變孔徑光闌4放置于聚焦透鏡3后焦面 處，并將可變孔徑光闌4的小孔直徑設(shè)定為"&/0=0.27111111，然后通過觀 察過可變孔徑光闌4后在計(jì)算機(jī)10上顯示的光斑形狀，確定小孔中心是 否與光斑中心重合，并沿光軸方向前后移動可變孔徑光闌4，直至功率計(jì) 上顯示過可變孔徑光闌4小孔的功率為最大值時(shí)，讀取功率i十8上的數(shù) 據(jù)Pi并傳遞給計(jì)算機(jī)10。最后計(jì)算t幾10根據(jù)采集到的光斑寬度Dl、功 率P、P5和距離L，由激光光束質(zhì)量BQ計(jì)算程序計(jì)算得到BQ值為1.73。
權(quán)利要求
1、一種激光光束質(zhì)量BQ因子檢測儀，特征在于其構(gòu)成包括依次的同光路的第一反光鏡(1)、第二反光鏡(2)、聚焦透鏡(3)、可變孔徑光闌(4)、成像透鏡(5)、分光鏡(6)、衰減片(7)和CCD(9)，而且所述的聚焦透鏡(3)、可變孔徑光闌(4)、成像透鏡(5)、分光鏡(6)、衰減片(7)和CCD(9)同光軸，在所述的分光鏡(6)的反射方向設(shè)置功率計(jì)(8)，所述的功率計(jì)的數(shù)據(jù)線(11)和所述的CCD的數(shù)據(jù)線(12)分別與計(jì)算機(jī)(10)相連，所述的聚焦透鏡(3)的焦距為f1，直徑為D1，所述的成像透鏡(5)的焦距為f2，直徑為D2，所述的聚焦透鏡(3)和成像透鏡(5)共焦點(diǎn)，所述的可變孔徑光闌(4)的小孔直徑設(shè)定為λf1/D，插設(shè)在所述的聚焦透鏡(3)和成像透鏡(5)共焦點(diǎn)附近并具有沿光路移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中D為待測光束直徑，λ為待測光束波長，所述的CCD(9)具有沿光軸移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述的計(jì)算機(jī)(10)具有視頻采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算激光光束質(zhì)量BQ因子的數(shù)據(jù)處理程序。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束質(zhì)量BQ因子檢測儀，其特征在于所 述的聚焦透鏡(3)的表面鍍有與激光波長相符的增透介質(zhì)膜，具有較小的成 像誤差，且焦距f^500mm，該聚焦透鏡(3)具有沿光軸前后移動的機(jī)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束質(zhì)量BQ因子檢測儀，其特征在于所 述的可變孔徑光闌(4)的直徑具有精確控制機(jī)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光束質(zhì)量BQ因子檢測儀，其特征在于所 述的成像透鏡(5)的表面鍍有與激光波長相應(yīng)的增透介質(zhì)膜。
全文摘要
一種激光光束質(zhì)量BQ因子檢測儀，其構(gòu)成包括同光路的依次的第一反光鏡、第二反光鏡、聚焦透鏡、可變孔徑光闌、成像透鏡、分光鏡、衰減片和CCD，而且所述的聚焦透鏡、可變孔徑光闌、成像透鏡、分光鏡、衰減片和CCD同光軸，在所述的分光鏡的反射方向設(shè)置功率計(jì)，所述的功率計(jì)的數(shù)據(jù)線和所述的CCD的數(shù)據(jù)線分別與計(jì)算機(jī)相連，所述的聚焦透鏡的焦距為f₁，直徑為D₁；所述的聚焦透鏡和成像透鏡共焦點(diǎn)，所述的可變孔徑光闌插設(shè)在所述的聚焦透鏡和成像透鏡共焦點(diǎn)附近并具有沿光路移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述的CCD具有沿光軸移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述的計(jì)算機(jī)具有視頻采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算激光光束質(zhì)量BQ因子的數(shù)據(jù)處理程序。
文檔編號G01J1/10GK101603858SQ20091005482
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者兵 何, 俠 劉, 軍 周, 震 李, 樓祺洪, 煒 王, 董景星, 薛宇豪, 魏運(yùn)榮 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所