本發(fā)明屬于激光性能測(cè)試
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種測(cè)量高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量的裝置，適合在高功率連續(xù)激光領(lǐng)域應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：自1962年第一臺(tái)激光器問(wèn)世以來(lái)，激光器技術(shù)得到迅速發(fā)展，日新月異。光束質(zhì)量M2是描述激光特性的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，定義為實(shí)際光束的束腰發(fā)散角乘積與理想基模高斯光束的束腰發(fā)散角乘積的比值：其中，d1和θ1分別表示實(shí)際光束的束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，d0和θ0分別表示理想基模高斯的束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，且目前主流的光束質(zhì)量M2測(cè)量裝置，是基于光束傳播方程的束寬測(cè)量法，也是ISO標(biāo)準(zhǔn)的推薦方法：通過(guò)一段時(shí)間不斷移動(dòng)光斑測(cè)量器件(CCD或者空心探針等)采集透鏡聚焦后在光束束腰附近不同位置上的光斑能量分布，再用多項(xiàng)式擬合方法(雙曲線擬合)計(jì)算得到高斯光束光束質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)。這是目前激光光束質(zhì)量比較成熟的測(cè)量技術(shù)，具體的產(chǎn)品可以參見Spiricon公司的M2-200s(CCD式)和Primes公司的FM120(空心探針式)。隨著激光器技術(shù)的迅速發(fā)展，輸出功率持續(xù)上升，以光纖激光器為例，目前報(bào)道出的全光纖單模激光器最大輸出功率是美國(guó)IPG公司，達(dá)到了10.5kW。與低功率激光相比，高功率連續(xù)激光的光束質(zhì)量M2測(cè)試更為困難，如果采用CCD式測(cè)量裝置(M2-200s)，由于其承受功率密度低，所需衰減倍數(shù)大、測(cè)試光路復(fù)雜、光學(xué)元件多，會(huì)引入額外的測(cè)量光路誤差；如果采用能承受高功率密度的空心探針法(FM120)，和CCD式測(cè)量裝置類似，其需要沿著光軸不斷移動(dòng)光斑測(cè)量器件(CCD或者空心探針)進(jìn)行光斑分布采集，所需時(shí)間長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，存在一定的局限性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和迫切技術(shù)需求，本發(fā)明提供了一種快速測(cè)量高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量的裝置，能夠快速地對(duì)高斯分布或類高斯分布的高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間短，光學(xué)元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，解決現(xiàn)有技術(shù)在高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量M2測(cè)試中所受到的局限性。一種測(cè)量高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量的裝置，包括聚焦透鏡、多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備；所述聚焦透鏡為長(zhǎng)焦透鏡，用于將待測(cè)準(zhǔn)直光束變?yōu)榫劢构馐⑼渡渲翜y(cè)試區(qū)域；所述多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量測(cè)試區(qū)域的光斑分布；所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備用于對(duì)光斑分布數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到光束質(zhì)量；所述多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備包括多個(gè)空心探針、導(dǎo)軌和控制電路，多個(gè)空心探針置放于導(dǎo)軌上，探針能在導(dǎo)軌上平移，控制電路用于控制空心探針的運(yùn)轉(zhuǎn)，使得多個(gè)空心探針在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持相對(duì)位置不變。進(jìn)一步地，利用所述導(dǎo)軌將所述多個(gè)空心探針沿光軸方向排布，空心探針數(shù)量n)和位置滿足光束質(zhì)量測(cè)試要求(如國(guó)標(biāo)GB/T24664-2009要求：n≥10，接近一半的測(cè)量要在束腰一倍瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)采集，還要有接近一半的測(cè)量在束腰一側(cè)兩倍瑞利范圍外采集)；各空心探針之間角度不同且不會(huì)相互干擾。進(jìn)一步地，所述空心探針包括探針、小孔和轉(zhuǎn)臺(tái)，小孔位于探針頂部，探針固定于能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)上。進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備包括：光束寬度計(jì)算模塊，用于計(jì)算x方向和y方向上的光束寬度dx(z)和dy(z)為dx(z)＝4σx(z)，dy(z)＝4σy(z)，其中，z為光束傳播方向的位置變量，σx(z)的物理含義為z位置處垂直于光軸的xy平面中光強(qiáng)在x方向的分量，σy(z)的物理含義為z位置處垂直于光軸的xy平面中光強(qiáng)在y方向的分量，滿足為光斑中心位置，(x,y,z)為傳播位置z處的垂直于光軸的xy平面的坐標(biāo)，E(x,y,z)為光束的光強(qiáng)分布；光束質(zhì)量擬合模塊，用于將不同位置z與相應(yīng)位置的光束寬度dx(z)、dy(z)值代入公式：dx(z)2＝Ax+Bxz+Cxz2，dy(z)2＝Ay+Byz+Cyz2得到一系列方程組，通過(guò)最小二乘法或者奇異值分解法求得系數(shù)Ax、Bx、Cx，Ay、By、Cy，從而得到實(shí)際光束的束腰位置Z0x、Z0y，束腰寬度d0x、d0y以及x向的光束質(zhì)量Mx2、y向的光束質(zhì)量My2、平均光束質(zhì)量M2：本發(fā)明采用多空心探針對(duì)束腰附近位置的光斑分布進(jìn)行測(cè)量，各空心探針保持相對(duì)恒定，相互之間不干擾，能同時(shí)對(duì)各相應(yīng)位置的光斑分布進(jìn)行測(cè)量，擬合得到光束質(zhì)量M2，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量的快速測(cè)量。具體而言，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：1、各位置采用空心探針法測(cè)試光斑分布，承受功率密度高(可達(dá)到MW/cm2量級(jí))，能實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量的測(cè)量。2、采用多空心探針對(duì)束腰附近位置的光斑分布進(jìn)行測(cè)量，各空心探針保持相對(duì)恒定，相互之間不干擾，能“同時(shí)”對(duì)各相應(yīng)位置的光斑分布進(jìn)行測(cè)量，所需時(shí)間少，能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。3、光學(xué)元件少，只需要采用透鏡進(jìn)行聚焦，整個(gè)系統(tǒng)引入的像差相對(duì)較少。4、由于所用器件少，光學(xué)元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)裝置使用穩(wěn)定，易于加工和制造。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明光束質(zhì)量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明多空心探針測(cè)量相對(duì)位置示意圖(沿光軸方向)。圖4為本發(fā)明單個(gè)空心探針結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為光束質(zhì)量M2多項(xiàng)式擬合曲線。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。圖1為本發(fā)明光束質(zhì)量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。一種快速測(cè)量高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量的裝置，依次包括聚焦透鏡1、多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備2、截止器3和數(shù)據(jù)處理設(shè)備4。所述的聚焦透鏡1為長(zhǎng)焦透鏡，將待測(cè)準(zhǔn)直光束變?yōu)榫劢构馐?；所述的多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備2，測(cè)量光斑分布，由多個(gè)空心探針、導(dǎo)軌、控制電路構(gòu)成，如圖2所示；所述的截止器3用于截止待測(cè)激光束，一般是功率計(jì)等具有激光截止功能的設(shè)備；所述的數(shù)據(jù)處理設(shè)備4用于對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)、顯示等。所述的多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備中，由多個(gè)空心探針、導(dǎo)軌、控制電路構(gòu)成，如圖2所示，多個(gè)空心探針置放于導(dǎo)軌上，探針能在導(dǎo)軌上平移，控制電路控制空心探針的運(yùn)轉(zhuǎn)，使得多個(gè)空心探針在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持相對(duì)位置。所述的多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備中，利用導(dǎo)軌將多個(gè)空心探針沿光軸方向排布，空心探針數(shù)量(等效為測(cè)量位置數(shù)量n)和位置滿足GB/T24664-2009的要求：n≥10，接近一半的測(cè)量要在束腰一倍瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)采集，還要有接近一半的測(cè)量在束腰一側(cè)兩倍瑞利范圍外采集，或者滿足其他標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試方法的要求；在空心探針高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用光、機(jī)、電等方法控制各個(gè)空心探針保持相對(duì)位置不變，如圖3所示，各個(gè)空心探針之間的相對(duì)角度保持恒定不變，如各相鄰探針之間角度相等，或者各空心探針之間角度不同但不會(huì)相互干擾；各個(gè)空心探針分別對(duì)相應(yīng)位置的光斑分布進(jìn)行測(cè)量，基本原理一致，相互獨(dú)立；空心探針高速旋轉(zhuǎn)一周期內(nèi)，其他空心探針會(huì)依次通過(guò)相應(yīng)測(cè)試區(qū)域并測(cè)量，相互之間不干擾，也即這些空心探針在旋轉(zhuǎn)一周期內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)位置的光斑測(cè)量，這種協(xié)同測(cè)量實(shí)現(xiàn)了各空心探針“同時(shí)”對(duì)各相應(yīng)位置的光斑分布進(jìn)行了測(cè)量。所述的多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備中，單個(gè)空心探針結(jié)構(gòu)示意圖如4所示，主要由探針、小孔、轉(zhuǎn)臺(tái)等構(gòu)成，其中關(guān)鍵器件是進(jìn)行光斑測(cè)試取樣的小孔，根據(jù)應(yīng)用需要其直徑大小一般為十微米量級(jí)，空心探針通過(guò)時(shí)間選通等方式選擇測(cè)試區(qū)域。所述的數(shù)據(jù)處理設(shè)備中，能對(duì)各位置的光斑進(jìn)行采集，采集后的光斑圖樣經(jīng)過(guò)處理后得到待測(cè)激光光束質(zhì)量M2，最后存儲(chǔ)并顯示，處理流程如下：通過(guò)圖像處理后得到各位置處的光斑能量分布，然后采用多項(xiàng)式擬合的方法得到激光的光束質(zhì)量M2。具體處理流程如下：將空心探針初始化設(shè)置后，使其每個(gè)空心探針采集到對(duì)應(yīng)位置的待測(cè)光束(聚焦光束)的光斑圖樣，定義光束傳播的方向?yàn)閦軸，以每個(gè)光斑中心為原點(diǎn)的光斑圖樣平面為xy平面。對(duì)于高斯分布或類高斯分布的激光束，定義激光束x方向光束寬度為dx(z)、y方向光束寬度為dy(z)，其值通過(guò)下面公式求解：其中，E(x,y,z)為光束的光強(qiáng)分布，為光斑中心：用二階矩法計(jì)算x方向和y方向上的光束寬度dx(z)和dy(z)為：dx(z)＝4σx(z)dy(z)＝4σy(z)通過(guò)上述公式和數(shù)據(jù)處理即可得到不同位置z與相應(yīng)位置的光束寬度dx(z)、dy(z)值，計(jì)算光束質(zhì)量M2的多項(xiàng)式擬合方法如下：將上面數(shù)據(jù)處理得到每個(gè)位置的z與相應(yīng)位置光束寬度dx(z)、dy(z)值(n組數(shù)據(jù))帶入下面的公式：得到一系列方程組，通過(guò)最小二乘法或者奇異值分解法求得系數(shù)Ax、Bx、Cx，Ay、By、Cy，從而得到實(shí)際光束的束腰位置Z0x、Z0y，束腰寬度d0x、d0y以及光束質(zhì)量Mx2、My2、M2：由上可得，本發(fā)明的測(cè)量流程如下：1、調(diào)節(jié)光路，并進(jìn)行初始化設(shè)置，使得多空心探針的間距和測(cè)量范圍等保持合適值，能對(duì)待測(cè)光束進(jìn)行有效測(cè)量；2、多空心探針對(duì)相應(yīng)位置的光斑分布進(jìn)行測(cè)量；3、通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到光束質(zhì)量M2。本發(fā)明的技術(shù)方案，核心是基于空心探針原理利用多空心探針對(duì)聚焦光束附近不同位置的光斑分布進(jìn)行測(cè)量，各空心探針保持相對(duì)恒定，相互之間不干擾，能“同時(shí)”對(duì)各相應(yīng)位置的光斑分布進(jìn)行測(cè)量，最后通過(guò)多項(xiàng)式擬合計(jì)算得到光束質(zhì)量M2，測(cè)試時(shí)間短，光學(xué)元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，為高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量M2測(cè)量提供了行之有效的快速測(cè)量方法。實(shí)施例1待測(cè)激光器為準(zhǔn)直輸出的光纖激光器，輸出功率約為1000W；所采用的透鏡為平凸透鏡(融石英)，焦距f＝502mm，聚焦光斑的峰值功率密度約為1MW/cm2量級(jí)；多空心探針光斑測(cè)量設(shè)備的z軸行程為200mm，使得導(dǎo)軌100mm處位置與平凸透鏡距離約500mm；單個(gè)空心探針的最大測(cè)量范圍為8mm×8mm(可選擇為更小測(cè)試范圍)，像素選擇為64×64，其最大承受功率密度約為8MW/cm2。采用圖1所示的光路搭建測(cè)試裝置，首先進(jìn)初始化設(shè)置，主要有設(shè)置各空心探針對(duì)應(yīng)z軸位置、各空心探針的測(cè)試范圍和轉(zhuǎn)速以及靈敏度等參數(shù)，保證其符合測(cè)試測(cè)試要求：測(cè)試面n個(gè)且等間距，n＝11，測(cè)試z軸范圍超過(guò)束腰兩倍瑞利距離，束腰一倍瑞利距離內(nèi)不少于5個(gè)測(cè)試面。初始化完畢后，直接測(cè)試出各位置z處的光斑直徑d，d-z測(cè)試數(shù)據(jù)如下所示：表1d-z測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表z/mmd/mm65.10.79272.40.65979.70.532870.41894.30.329101.60.290108.90.320116.20.404123.50.516130.80.641138.10.774通過(guò)數(shù)據(jù)處理和多項(xiàng)式擬合得到圖5，光束質(zhì)量M2＝4.21。初始化完畢后開始測(cè)試，只需要約10s測(cè)試時(shí)間即采集并處理完數(shù)據(jù)，得到光纖激光器輸出1000W時(shí)的光束質(zhì)量M2＝4.21(一般采用FM120需要時(shí)間約為180s)。采用本專利提出的方法，測(cè)試裝置中光學(xué)元件少，測(cè)試時(shí)間短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。實(shí)施例中能直接對(duì)1000W的光纖激光束進(jìn)行光束質(zhì)量測(cè)量，所需時(shí)間約為10s，因此，本發(fā)明能夠快速地對(duì)高功率連續(xù)激光光束質(zhì)量M2進(jìn)行測(cè)試。實(shí)施例2和實(shí)施例1類似，待測(cè)激光器保持一致，測(cè)量方法保持一致，測(cè)量裝置中只是將聚焦透鏡焦距變?yōu)閒＝800mm，經(jīng)過(guò)初始化后，測(cè)試出d-z測(cè)試數(shù)據(jù)：表2d-z測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表z/mmd/mm91.25027.51.039460.83964.50.658830.519101.50.4641200.516138.50.6591570.838175.51.0281941.238通過(guò)數(shù)據(jù)處理和多項(xiàng)式擬合得到光束質(zhì)量M2＝4.23。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3