專利名稱：用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量技術(shù)，尤其是一種使用光譜重心對超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量進行測量的方法。
背景技術(shù)：
光束質(zhì)量是激光應(yīng)用技術(shù)中極為重要的參數(shù)，它是從質(zhì)的方面評價激光特性的性能指標(biāo)，對激光器的設(shè)計、制造、檢測和應(yīng)用等均具有十分重要的指導(dǎo)意義。目前已經(jīng)有很多的方法對激光的光束質(zhì)量進行評價，如M2因子、桶中功率、斯特列爾比等[馮國英，周壽桓，“激光光束質(zhì)量綜合評價的探討，”中國激光，2009,36,1643-1653]，其中M2因子定義為實際光束的光斑半徑與其遠場發(fā)散角的乘積與理想高斯基模光束的相應(yīng)乘積之比，桶中功率為遠場平面內(nèi)實際光束在某一固定半徑的桶內(nèi)的功率與該光源總功率的比值，斯特列爾比定義為實際光束峰值功率與理想光束峰值功率的比值。針對這些方法也有相應(yīng)的光束質(zhì)量測量裝置對其進行測量(如專利號ZL 200620039036.1和200510030096.7的專利所述)。但是這些方法與測量裝置僅適用于傳統(tǒng)的準(zhǔn)單色窄帶光譜激光光源。超連續(xù)譜光源是一種新型的寬譜光源，具有傳統(tǒng)激光相干性好、亮度高、方向性好等優(yōu)點，同時也具有很寬的光譜(通常大于I THZ)。由于超連續(xù)譜光源的寬譜特性，前面介紹的傳統(tǒng)激光光束質(zhì)量的評價方法與測量裝置并不適合對超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量進行評價與測量。目前對超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量進行評價所采取的主要方法是使用濾波的方法(如窄帶濾波片)將超連續(xù)譜光源中的光譜成分濾出，對濾出的窄帶光使用傳統(tǒng)光束質(zhì)量測量裝置進行測量[X.Chenan, X.Zhao, M.N.1slam, F.L.Terry, M.J.Freeman, A.ZakeI, andJ.Mauricio, " 10.5ff Time-Averaged Power Mid-1R Supercontinuum GenerationExtending Beyond 4 μ m With Direct Pulse Pattern Modulation, " IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics, 2009，15，422-434],并沒有對超連續(xù)譜光源的整體光束質(zhì)量進行測量，這樣就不能反映整個光源的特性，失去其整體作為新型的寬光譜光源的價值。除此之外，研究人員也對產(chǎn)生超連續(xù)譜光源的重要非線性介質(zhì)光子晶體光纖的光束質(zhì)量進行了研究，但這一方法同樣也是針對單一波長進行的，并不能反映通過光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜光源的整體光束質(zhì)量[Y.Vidne and M.Rosenbluh，" Spatialmodes in a PCF fiber generated continuum, " Opt.Express, 2005，13，9721-9728]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量裝置及方法，采用該裝置及方法可以將超連續(xù)譜光源作為一個整體對其光束質(zhì)量進行評價與測量，而不是對其光束質(zhì)量進行分波長的測量。本發(fā)明的原理是:首先使用光譜儀對超連續(xù)譜光源的光譜進行測量，根據(jù)測量結(jié)果求得光譜分布的一階矩即光譜重心。使用面陣CCD對超連續(xù)譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量，由測量結(jié)果使用二階矩方法求得近場光斑半徑與遠場發(fā)散角。將光譜重心處的理想高斯基模光束作為參考光束，計算測得的超連續(xù)譜光束參數(shù)積(beamparameter product,記作BPP,即其近場光斑半徑與遠場發(fā)散角的乘積)與參考光束的光束參數(shù)積的比值，定義該比值為SC-M2因子(SC: supercontinuum,超連續(xù)譜),使用該值對超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量進行評價。本發(fā)明具體采用的技術(shù)方案是:一種用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量裝置，包括光譜儀、反射鏡、寬波段分光棱鏡、近場面陣CCD、遠場面陣CCD和用于處理測量信息的計算機；所述光譜儀用于測量所述超連續(xù)譜光源的光譜；所述超連續(xù)譜光源輸出的超連續(xù)譜光束經(jīng)反射鏡進行準(zhǔn)直擴束，再經(jīng)過寬波段分光棱鏡進行分光得到反射光束和透射光束，所述反射光束由近場面陣CXD測量近場光場分布，所述透射光束由遠場面陣CXD測量遠場光場分布，所述遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離大于所述超連續(xù)譜光源光束的瑞利距離；所述計算機根據(jù)所述超連續(xù)譜光源的光譜、所述近場光場分布和所述遠場光場分布計算得到測量結(jié)果。優(yōu)選地，所述遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離為所述超連續(xù)譜光源光束的瑞利距離的10倍。優(yōu)選地,所述光譜儀的光譜測量范圍包括整個所述超連續(xù)譜光源的光譜范圍。優(yōu)選地，所述反射鏡為鍍金膜的離軸拋物面反射鏡。本發(fā)明還提供一種用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量方法，包括以下步驟:S1.使用光譜儀對所述超連續(xù)譜光源的光譜進行測量，然后根據(jù)測量結(jié)果計算光譜分布的一階矩，得到光譜重心；S2.分別使用面陣CXD對超連續(xù)譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量，對測量結(jié)果分別采用二階矩方法計算得到近場光斑半徑和遠場發(fā)散角，然后計算所述超連續(xù)譜光束的光束參數(shù)積；S3.以步驟SI得到的光譜重心為波長構(gòu)造理想高斯基模光束，計算所述理想高斯基模光束的光束參數(shù)積；S4.將步驟S2得到的超連續(xù)譜光束的的光束參數(shù)積除以步驟S3得到的理想高斯基模光束的光束參數(shù)積的結(jié)果作為用于評價所述超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量的評價因子，對所述超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量進行評價。優(yōu)選地，所述步驟S4中對所述超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量進行評價的步驟包括:根據(jù)所述評價因子與I進行比較，評價因子接近I的光束為質(zhì)量好的光束。優(yōu)選地，所述步驟S2中分別使用面陣C⑶對超連續(xù)譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量的步驟包括:S21.將超連續(xù)譜光源輸出的超連續(xù)譜光束經(jīng)過反射鏡進行準(zhǔn)直擴束；S22.再通過寬波段分光棱鏡進行分光得到反射光束和透射光束；S23.對步驟S22得到的反射光束采用近場面陣CXD測量近場光場分布，并且對所述透射光束采用遠場面陣CCD測量遠場光場分布，所述遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離大于所述超連續(xù)譜光源光束的瑞利距離。優(yōu)選地，所述步驟S23中遠場面陣CXD距離所述反射鏡的距離為所述超連續(xù)譜光束的瑞利距離的10倍。
優(yōu)選地，所述步驟SI中光譜儀的光譜測量范圍包括整個所述超連續(xù)譜光源的光譜范圍。優(yōu)選地，所述步驟S2中的反射鏡為鍍金膜的離軸拋物面反射鏡。本發(fā)明可以達到以下技術(shù)效果:對超連續(xù)譜光源光譜的測量計算其光譜重心，以光譜重心為中心波長構(gòu)建高斯基模光束作為參考光束，通過對超連續(xù)譜光源近場束寬及遠場發(fā)散角的測量，可對寬光譜超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量進行整體評價，而不是僅僅對光源中某些光譜成分的光束質(zhì)量進行評價與測量。


圖1為超連續(xù)譜光源光譜測量示意圖；圖2為本發(fā)明·測量裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明測量方法的流程圖；圖4是本發(fā)明測量方法實施例中測量近場光場分布和遠場光場分布的流程圖。
具體實施例方式圖1所示為超連續(xù)譜光源光譜測量示意圖，圖中超連續(xù)譜輸出端I輸出的超連續(xù)譜由光譜儀2接收并對其光譜進行測量。測量過程中根據(jù)光譜儀2的性能選擇分辨率，并且其光譜測量范圍應(yīng)覆蓋整個超連續(xù)譜光源的光譜范圍，一般為從所測光譜最大值對應(yīng)的波長與小于該最大值60dB的值對應(yīng)的波長之間的范圍。圖2所示為本發(fā)明超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量測量裝置的一個實施例。包括鍍金膜的離軸拋物面反射鏡3、分光棱鏡4、近場面陣CXD 5和遠場面陣(XD6，以及用于處理測量信息的計算機7。圖中加箭頭的實線表示光束。由超連續(xù)譜輸出端I輸出的超連續(xù)譜光束經(jīng)反射鏡3準(zhǔn)直擴束，之后經(jīng)寬波段分光棱鏡4分光，反射光束由近場面陣CCD 5測量近場光場分布，對測量結(jié)果使用二階矩方法可以計算出光場近場光斑大小W。透射光束經(jīng)傳輸十倍的超連續(xù)譜光束瑞利距離即圖中所示的Z=IOL (L為超連續(xù)譜光束瑞利距離)時，光場分布是超連續(xù)譜光束的遠場分布，由遠場面陣CCD6測量，對結(jié)果使用二階矩方法可以計算出光場近場光斑大小，將之除以傳輸距離即可得到光束遠場發(fā)散角Θ。同時根據(jù)超連續(xù)譜光源光譜分布計算得到的光譜重心，然后計算得到超連續(xù)譜光源的整體光束質(zhì)量。圖3和圖4所示為本發(fā)明測量方法的流程圖。本發(fā)明的測量方法的具體技術(shù)方案可以進一步說明如下:首先使用光譜儀對超連續(xù)譜光源的光譜進行測量，測量過程中根據(jù)光譜儀的性能選擇分辨率，并且光譜測量范圍應(yīng)覆蓋整個超連續(xù)譜光源的光譜范圍，一般為從所測光譜最大值對應(yīng)的波長與小于該最大值60dB的值對應(yīng)的波長之間的范圍。對測得的光譜求一階矩，如下式
權(quán)利要求
1.一種用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量裝置，其特征在于:包括光譜儀(2)、反射鏡(3)、寬波段分光棱鏡(4)、近場面陣CXD (5)、遠場面陣CXD (6)和用于處理測量信息的計算機(7);所述光譜儀(2)用于測量所述超連續(xù)譜光源的光譜；所述超連續(xù)譜光源輸出的超連續(xù)譜光束經(jīng)反射鏡(3)進行準(zhǔn)直擴束，再經(jīng)過寬波段分光棱鏡(4)進行分光得到反射光束和透射光束，所述反射光束由近場面陣(XD (5)測量近場光場分布，所述透射光束由遠場面陣CXD (6)測量遠場光場分布；所述遠場面陣CXD (6)距離所述反射鏡(3)的距離大于所述超連續(xù)譜光源光束的瑞利距離；所述計算機(7)根據(jù)所述超連續(xù)譜光源的光譜、所述近場光場分布和所 述遠場光場分布計算得到測量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量裝置，其特征在于:所述遠場面陣CCD (6)距離所述反射鏡(3)的距離為所述超連續(xù)譜光源光束的瑞利距離的10倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量裝置，其特征在于:所述光譜儀(2)的光譜測量范圍包括整個所述超連續(xù)譜光源的光譜范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量裝置，其特征在于:所述反射鏡(3)為鍍金膜的離軸拋物面反射鏡。
5.一種用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量方法，其特征在于包括以下步驟: 51.使用光譜儀對所述超連續(xù)譜光源的光譜進行測量，然后根據(jù)測量結(jié)果計算光譜分布的一階矩，得到光譜重心； 52.分別使用面陣CCD對超連續(xù)譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量，對測量結(jié)果分別采用二階矩方法計算得到近場光斑半徑和遠場發(fā)散角，然后計算所述超連續(xù)譜光束的光束參數(shù)積； 53.以步驟SI得到的光譜重心為波長構(gòu)造理想高斯基模光束，計算所述理想高斯基模光束的光束參數(shù)積； 54.將步驟S2得到的超連續(xù)譜光束的的光束參數(shù)積除以步驟S3得到的理想高斯基模光束的光束參數(shù)積的結(jié)果作為用于評價所述超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量的評價因子，對所述超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量進行評價。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量方法，其特征在于:所述步驟S4中對所述超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量進行評價的步驟包括:根據(jù)所述評價因子與I進行比較，評價因子接近I的光束為質(zhì)量好的光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量方法，其特征在于:所述步驟S2中分別使用面陣CCD對超連續(xù)譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量的步驟包括: 521.將超連續(xù)譜光源輸出的超連續(xù)譜光束經(jīng)過反射鏡進行準(zhǔn)直擴束； 522.再通過寬波段分光棱鏡進行分光得到反射光束和透射光束； 523.對步驟S22得到的反射光束采用近場面陣CCD測量近場光場分布，并且對所述透射光束采用遠場面陣CCD測量遠場光場分布，所述遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離大于所述超連續(xù)譜光源光束的瑞利距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量方法，其特征在于:所述步驟S23中遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離為所述超連續(xù)譜光束的瑞利距離的10倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量方法，其特征在于:所述步驟SI中光譜儀的光譜測量范圍包括整個所述超連續(xù)譜光源的光譜范圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量方法，其特征在于:所述步驟S2中的反 射鏡為鍍金膜的離軸拋物面反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量技術(shù)，提供一種用于測量超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量的測量裝置和方法。測量裝置包括光譜儀、反射鏡、寬波段分光棱鏡、近場面陣CCD、遠場面陣CCD和用于處理測量信息的計算機。測量方法包括使用光譜儀對超連續(xù)譜光源的光譜進行測量，根據(jù)測量結(jié)果求得光譜重心；使用面陣CCD對近場光場分布以及遠場光場分布進行測量，求得近場光斑半徑與遠場發(fā)散角；構(gòu)造理想高斯基模光束，計算SC-M2因子，使用SC-M2因子對超連續(xù)譜光源光束質(zhì)量進行評價。本發(fā)明可以對寬光譜超連續(xù)譜光源的光束質(zhì)量進行整體評價，而不是僅僅對光源中某些光譜成分的光束質(zhì)量進行評價與測量。
文檔編號G01J3/28GK103148941SQ20131007475
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月10日
發(fā)明者靳愛軍, 侯靜, 張斌, 陳勝平, 王澤鋒, 劉文廣, 姜宗福 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)