一种激光器光束质量单点测量方法

本发明涉及一种激光器光束质量单点测量方法，属于激光技术领域。

背景技术：

激光器由于具有单色性好、相干性好、方向性好和亮度高等特性，已经在国民经济、国防安全等领域取得了广泛的应用。激光束的品质一直是激光器研发、生产和应用工作者关注的焦点。以美国spiricon、thorlabs公司为代表的多点法光束质量测量仪在实践中得到了广泛的应用，该激光光束质量测量仪主要通过沿光束轴向移动图像探测器(如ccd相机、cmos相机)来采样并测量激光束轴向10个以上不同位置的光斑尺寸，且要求至少一半以上的位置位于瑞利范围，然后通过双曲线拟合来获得激光束的光束质量因子。由于轴向位置采样数越多拟合的精度越高，测量精度也越高。由于每次采样都需要沿光束轴向移动图像探测器，测量前需要保证在整个测量过程光束始终垂直入射到图像探测器探测面，测量周期长，光路调整困难，引入的测量误差大，既无法满足对激光光束质量的实时监测，也不适于脉冲激光器光束质量的测量。

技术实现要素：

针对多点法激光光束质量测量误差大、测量周期长、光路调整困难，无法满足对激光光束质量的实时监测等问题，本发明的目的在于提出一种激光器光束质量单点测量方法，通过四波横向剪切干涉法获取远场发散角θ0、束腰光斑ω0、光束质量因子m²等。

如附图1所示，本发明提供一种激光器光束质量单点测量方法，包括以下步骤：

步骤一、获取一幅像元数宽度w、像元数长度h的四波横向剪切干涉图像；所述的图像无背景噪声和饱和像元；

所述步骤一中四波横向剪切干涉图是这样获取的：采用一个二维位相光栅将被测激光器的光束进行分束，利用小孔光阑阻挡其他衍射级次的光束，仅让(±1，±1)级次的四支子光束通过，通过一个透镜使四支子光束聚焦在图像传感器的探测面上，从而在图像传感器上得到四波横向剪切干涉图；

步骤二、对四波横向剪切干涉图进行傅里叶变换得到一幅频谱图，傅里叶变换公式如公式(1)，在频域下的四波横向剪切干涉图包含一个中心零频和四对基频，以中心零频的中点o为坐标原点，选取水平向右方向为x轴正方向，竖直向上方向为y轴正方向，建立直角坐标系xoy；

步骤三、采用频域滤波的方法分别筛选出x方向和y方向上的正一级频谱以及零级频谱，并利用公式(2)进行傅里叶逆变换获得x方向和y方向的相位分布，从而获取x方向和y方向上的差分相位信息δφt以及光强信息it；

步骤四、利用步骤三得到的x方向和y方向差分相位信息δφt进行最小二乘法拟合，计算出zernike系数，利用zernike系数和zernike多项式重构被测激光束相位信息φt；

步骤五、根据获得的光强信息it和相位信息利用公式(3)至公式(5)分别重构出z为0位置的激光束复振幅e0(x，y)、复振幅共轭e0*(x，y)和光强分布i0(x，y)；

i(x,y)＝e(x,y)*e^*(x,y)(5)

步骤六、根据公式(3)和角谱算法公式(6)求取激光束轴向不同位置坐标z的复振幅信息ez(x,y)；

式中λ是激光波长，fx和fy是频域中的傅里叶变换对；

步骤七、根据公式(4)～(6)求取瑞利范围内10个以上不同轴向位置的光强分布iz(x,y)；

步骤八、根据公式(7)求取光束不同轴向位置的光斑尺寸ωx(z)和ωy(z)；

步骤九、把光斑尺寸ωx(z)、ωy(z)和轴向位置坐标z代入公式(8)并借助最小二乘法来拟合系数a、b和c，从而获得x/y向激光束的空间传输曲线方程；

ωx(z)²＝axz²+bxz+cx，ωy(z)²＝ayz²+byz+cy(8)

步骤十、根据公式(9)至公式(11)分别获得激光束x/y向的远场发散角θ0、束腰光斑尺寸ω0和光束质量因子m²。

有益效果：本发明提供的一种激光器光束质量单点测量方法，通过对被测激光束沿轴方向任意一个位置垂轴光斑的探测即可以拟合出激光传输特性曲线方程，进而求出被测激光束的束腰光斑尺寸、远场发散角及光束质量因子，能够实现对激光光束质量的实时监测，还能够适用于脉冲激光束光束质量的测量，具有测量方法简单及测量效率高等优点。

附图说明

图1是一种激光器光束质量单点测量方法流程图。

具体实施方式

实施例1一种激光器光束质量单点测量方法。

如附图1所示，本发明提供一种激光器光束质量单点测量方法，包括以下步骤：

步骤一、获取一幅像元数宽度w、像元数长度h的四波横向剪切干涉图像；所述的图像无背景噪声和饱和像元；

所述步骤一中四波横向剪切干涉图是这样获取的：采用一个二维位相光栅将被测激光器的光束进行分束，利用小孔光阑阻挡其他衍射级次的光束，仅让(±1，±1)级次的四支子光束通过，通过一个透镜使四支子光束聚焦在图像传感器的探测面上，从而在图像传感器上得到四波横向剪切干涉图；

步骤二、对四波横向剪切干涉图进行傅里叶变换得到一幅频谱图，傅里叶变换公式如公式(1)，在频域下的四波横向剪切干涉图包含一个中心零频和四对基频，以中心零频的中点o为坐标原点，选取水平向右方向为x轴正方向，竖直向上方向为y轴正方向，建立直角坐标系xoy；

步骤三、采用频域滤波的方法分别筛选出x方向和y方向上的正一级频谱以及零级频谱，并利用公式(2)进行傅里叶逆变换获得x方向和y方向的相位分布，从而获取x方向和y方向上的差分相位信息δφt以及光强信息it；

步骤四、利用步骤三得到的x方向和y方向差分相位信息δφt进行最小二乘法拟合，计算出zernike系数，利用zernike系数和zernike多项式重构被测激光束相位信息φt；

步骤五、根据获得的光强信息it和相位信息利用公式(3)至公式(5)分别重构出z为0位置的激光束复振幅e0(x，y)、复振幅共轭e0*(x，y)和光强分布i0(x，y)；

i(x,y)＝e(x,y)*e^*(x,y)(5)

步骤六、根据公式(3)和角谱算法公式(6)求取激光束轴向不同位置坐标z的复振幅信息ez(x,y)；

式中λ是激光波长，fx和fy是频域中的傅里叶变换对；

步骤七、根据公式(4)～(6)求取瑞利范围内10个以上不同轴向位置的光强分布iz(x,y)；

步骤八、根据公式(7)求取光束不同轴向位置的光斑尺寸ωx(z)和ωy(z)；

步骤九、把光斑尺寸ωx(z)、ωy(z)和轴向位置坐标z代入公式(8)并借助最小二乘法来拟合系数a、b和c，从而获得x/y向激光束的空间传输曲线方程；

ωx(z)²＝axz²+bxz+cx，ωy(z)²＝ayz²+byz+cy(8)

步骤十、根据公式(9)至公式(11)分别获得激光束x/y向的远场发散角θ0、束腰光斑尺寸ω0和光束质量因子m²。