一种激光器光束质量综合检测装置及方法与流程

1.本发明涉及一种激光器光束质量综合检测装置及方法，属于激光器技术领域。


背景技术：

2.光束质量是描述激光器综合性能的一个重要方面，对激光器的光束质量通常由激光光束的束腰半径ω0、远场发散角θ0以及激光光束质量因子m2来表示，通过对激光输出光斑在不同位置的参数测量来判断激光光束质量。
3.在对束腰半径ω0进行测量时，常用的移动刀口法通过使用刀口扫描装置沿着光束传播方向平行移动刀口，并用探测器里接受光能量。该方法测量范围大，装置结构简单，但是测量的阈值不定且计算复杂。可变光阑法则是使激光器输出激光通过一个圆心和光束轴线重合的可变光阑，这要求光阑中心与激光输出光束的光轴精确对准，在实际操作中也很难做到。
4.另外，在各种应用中对激光束的输出模式有不同的要求，如在定向、精密测量、激光全息等应用中要求激光输出模式为基横模，而在激光测距、稳频等应用中则在基横模输出的同时还要求单纵模输出的激光器，因此，对激光器进行模式检测是激光器光束质量分析的一项基本又重要的性能测试。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种激光器光束质量综合检测装置及方法，结构简单，灵敏度高，使用方便，稳定性好，能够满足绝大多数应用场合。
6.为实现上述目的，本技术提出提供一种激光器光束质量综合检测装置，包括激光器、光学隔离器、光学衰减器、分光棱镜、小孔光阑、接收屏、ccd相机、电动位移平台、第一透镜、第二透镜、f-p扫描干涉仪、光电探头、f-p扫描干涉仪控制器、示波器、计算机；
7.所述的激光器一侧依次设有光学隔离器、光学衰减器、分光棱镜；所述的分光棱镜的一侧出口依次设有小孔光阑、接收屏，所述的接收屏的一侧设有电动位移平台；所述的电动位移平台上设有ccd相机；所述的分光棱镜的另一侧出口依次设有第一透镜、第二透镜、f-p扫描干涉仪、光电探头、f-p扫描干涉仪控制器、示波器；所述的ccd相机、示波器与计算机通过数据传输线连接。
8.进一步的，所述的光学隔离器为波长可调谐的高功率隔离器。
9.进一步的，所述的光学衰减器采用中性密度滤波片，中性密度滤光片由bk7玻璃中掺入吸收材料制成，光束在滤波片内部分被吸收材料吸收。
10.进一步的，所述第一透镜和第二透镜为完全相同的两透镜，以对不同激光器输出大小不同的光斑扩束或聚焦。
11.进一步的，所述的f-p扫描干涉仪为一个无源谐振腔，包括球形凹面反射镜a、球形凹面反射镜b、光电接受放大器、压电陶瓷环、低膨胀系数材料外壳；所述的低膨胀系数材料外壳底部内设有压电陶瓷环，所述的压电陶瓷环设有凹面向上的球形凹面反射镜b；所述的
球形凹面反射镜b底部设有光电接受放大器；所述的低膨胀系数材料外壳的底部设有凹面向下的球形凹面反射镜a。
12.进一步的，所述的f-p扫描干涉仪控制器内含锯齿波发生器、直流偏置电源，为光电探头提供直流工作电压，并将光电探头接收到的电信号送入内置放大器。
13.本发明还请求保护一种激光器光束质量综合检测方法，包括以下步骤：
14.s1.等分光束：待测激光器通过光学隔离器和光学衰减器后，由分光棱镜将待测激光器的输出光分成两束；
15.s2.计算和测量激光光束的远场发散角θ0、激光束腰半径ω0、激光光束质量因子m2；
16.1)计算得到激光光束的远场发散角θ017.所述分光棱镜将经扩束准直的激光分为能量相等的两束光，第一束光经过小孔光阑到达接收屏前，沿着像方焦平面的垂直方向缓慢移动小孔光阑，便能够得到激光光斑在垂直方向上的光强分布曲线；
18.同理沿着像方焦平面的水平方向缓慢移动小孔光阑，能得到激光光斑在水平方向上的光强分布曲线；
19.若光斑中心的光强为i
max
，由所求得的光强分布曲线上可以得到i
max
/e2点到光斑中心的距离，根据远场发散角θ0的公式：
[0020][0021]
便可以求得激光光束的远场发散角θ0；其中，i
max
/e2点即此时光强降为峰值的1/e2(≈13.5％)时到光斑中心的距离，ωf为光斑半径，f为激光光束的共焦参数；
[0022]
2)收集激光束腰半径ω0[0023]
激光光束的束腰半径ω0可通过ccd相机直接读取；
[0024]
3)激光光束质量因子m2[0025]
根据激光光束质量因子m2表达式：
[0026][0027]
将激光束腰半径ω0及远场发散角θ0上传至计算机，带入公式中，得到激光光束质量因子m2；从而得到激光光束质量因子m2曲线；
[0028]
s3.对待测激光器输出光束的横模模式进行分析测量，以此来判断激光器的输出模式是否符合当前应用场景；
[0029]
所述ccd相机在采集激光光束的参数同时亦可直接观察到激光的横模光斑是否为基横模或高阶横模，以此来判断激光器的输出模式是否符合当前应用场景；
[0030]
s4.对待测激光器输出光束的纵模模式进行分析测量，以此来判断激光器的输出模式是否符合当前应用场景；
[0031]
1)所述分光棱镜将经扩束准直的激光分为能量相等的两束光，第二束光通过第一透镜、第二透镜后入射f-p扫描干涉仪，f-p扫描干涉仪控制器施加一个锯齿波输出信号在f-p扫描干涉仪上，锯齿波电压除了加到f-p扫描干涉仪)的压电陶瓷环上外还同时输送到
示波器上作同步扫描，压电陶瓷环驱动f-p扫描干涉仪的一个反射镜片，使该镜片在轴线方向上作微小的周期性振动，从而使各个激光模式依次通过f-p扫描干涉仪，由光电探头把接收到的光信号转换成电信号，经放大将该信号送到示波器的y轴输入端；
[0032]
所述示波器用以显示经扫描和放大后激光器输出激光的纵模频谱图，由于频谱图的横坐标是相对值，实际计算时可根据示波器中显示的像素坐标进行比较；通过在频谱图中找出2个纵模序列q序和q+1序中所对应的2个峰值的横坐标差值δx，然后分别比较2个序列中相邻峰值横坐标的差值，取其平均值为δxi，则纵模间隔可表示为：
[0033]
δvq=fsr/δx
·
δxi[0034]
式中，fsr为f-p扫描干涉仪的精细常数，r为球形凹面反射镜的反射率；
[0035][0036]
由纵模间隔及频谱图可知激光模式中纵模个数，用以判断激光器输出激光的纵模模式是否符合当前应用场景。
[0037]
有益效果：对激光光束的束腰半径ω0和远场发散角θ0来获取激光光束质量因子m2的参数测量同时，亦能对激光器输出光束的横模和纵模分别进行分析测量，以此对激光器光束质量和模式应用场景进行综合检测；一种激光器光束质量综合检测装置及方法结构简单，灵敏度高，使用方便，稳定性好，能够满足绝大多数应用场合。
附图说明
[0038]
图1为一种激光器光束质量综合检测装置及方法；
[0039]
图2为f-p扫描干涉仪的结构示意图。
[0040]
图中序号说明：1、激光器；2、光学隔离器；3、光学衰减器；4、分光棱镜；5、小孔光阑；6、接收屏；7、ccd相机；8、电动位移平台；9、第一透镜；10、第二透镜；11、f-p扫描干涉仪；12、光电探头；13、f-p扫描干涉仪控制器；14、示波器；15、计算机；16、球形凹面反射镜a；17、球形凹面反射镜b；18、光电接受放大器；19、压电陶瓷环；20、低膨胀系数材料外壳。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图1～2和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本技术做进一步的描述说明。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1所示，本实施例提供一种激光器光束质量综合检测装置，包括激光器1、光学隔离器2、光学衰减器3、分光棱镜4、小孔光阑5、接收屏6、ccd相机7、电动位移平台8、第一透镜9、第二透镜10、f-p扫描干涉仪11、光电探头12、f-p扫描干涉仪控制器13、示波器14、计算机15；
[0044]
所述的激光器1一侧依次设有光学隔离器2、光学衰减器3、分光棱镜4；所述的分光棱镜4的一侧出口依次设有小孔光阑5、接收屏6，所述的接收屏6的一侧设有电动位移平台8；所述的电动位移平台8上设有ccd相机7；所述的分光棱镜4的另一侧出口依次设有第一透镜9、第二透镜10、f-p扫描干涉仪11、光电探头12、f-p扫描干涉仪控制器13、示波器14；所述的ccd相机7、示波器14与计算机15通过数据传输线连接。
[0045]
所述的光学隔离器2为波长可调谐的高功率隔离器。
[0046]
所述的光学衰减器3采用中性密度滤波片，中性密度滤光片由bk7玻璃中掺入吸收材料制成，光束在片内部分被材料吸收。
[0047]
所述第一透镜9和第二透镜10为完全相同的两透镜，以对不同激光器输出大小不同的光斑扩束或聚焦。
[0048]
所述的f-p扫描干涉仪11为一个无源谐振腔，包括球形凹面反射镜a 16、球形凹面反射镜b 17、光电接受放大器18、压电陶瓷环19、低膨胀系数材料外壳20；所述的低膨胀系数材料外壳20底部内设有压电陶瓷环19，所述的压电陶瓷环19设有凹面向上的球形凹面反射镜b 17；所述的球形凹面反射镜b 17底部设有光电接受放大器18；所述的低膨胀系数材料外壳20的底部设有凹面向下的球形凹面反射镜a 16。
[0049]
所述的f-p扫描干涉仪控制器13内含锯齿波发生器、直流偏置电源，为光电探头12提供直流工作电压，并将光电探头接收到的电信号送入内置放大器。
[0050]
实施例2
[0051]
一种激光器光束质量综合检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0052]
s1.等分光束：待测激光器1通过光学隔离器2和光学衰减器3后，由分光棱镜4将待测激光器1的输出光分成两束；
[0053]
s2.计算和测量激光光束的远场发散角θ0、激光束腰半径ω0、激光光束质量因子m2；
[0054]
3)计算得到激光光束的远场发散角θ0[0055]
所述分光棱镜4将经扩束准直的激光分为能量相等的两束光，第一束光经过小孔光阑5到达接收屏6前，沿着像方焦平面的垂直方向缓慢移动小孔光阑5，便能够得到激光光斑在垂直方向上的光强分布曲线；
[0056]
同理沿着像方焦平面的水平方向缓慢移动小孔光阑(5)，能得到激光光斑在水平方向上的光强分布曲线；
[0057]
若光斑中心的光强为i
max
，由所求得的光强分布曲线上可以得到i
max
/e2点到光斑中心的距离，根据远场发散角θ0的公式：
[0058][0059]
便可以求得激光光束的远场发散角θ0；其中，i
max
/e2点即此时光强降为峰值的1/e2(≈13.5％)时到光斑中心的距离，ωf为光斑半径，f为激光光束的共焦参数。
[0060]
4)收集激光束腰半径ω0[0061]
激光光束的束腰半径ω0可通过ccd相机直接读取；
[0062]
3)激光光束质量因子m2[0063]
根据激光光束质量因子m2表达式：
[0064][0065]
将激光束腰半径ω0及远场发散角θ0上传至计算机，带入公式中，得到激光光束质量因子m2；从而得到激光光束质量因子m2曲线。
[0066]
s3.对待测激光器(1)输出光束的横模模式进行分析测量，以此来判断激光器的输出模式是否符合当前应用场景；
[0067]
所述ccd相机在采集激光光束的参数同时亦可直接观察到激光的横模光斑是否为基横模或高阶横模，以此来判断激光器的输出模式是否符合当前应用场景；
[0068]
s4.对待测激光器(1)输出光束的纵模模式进行分析测量，以此来判断激光器的输出模式是否符合当前应用场景；
[0069]
1)所述分光棱镜(4)将经扩束准直的激光分为能量相等的两束光，第二束光通过第一透镜(9)、第二透镜(10)后入射f-p扫描干涉仪(11)，f-p扫描干涉仪控制器(13)施加一个锯齿波输出信号在f-p扫描干涉仪(11)上，锯齿波电压除了加到f-p扫描干涉仪(11)的压电陶瓷环(19)上外还同时输送到示波器(14)上作同步扫描，压电陶瓷环(19)驱动f-p扫描干涉仪(11)的一个反射镜片，使该镜片在轴线方向上作微小的周期性振动，从而使各个激光模式依次通过f-p扫描干涉仪(11)，由光电探头(12)把接收到的光信号转换成电信号，经放大将该信号送到示波器(14)的y轴输入端；
[0070]
所述示波器(14)用以显示经扫描和放大后激光器输出激光的纵模频谱图，由于频谱图的横坐标是相对值，实际计算时可根据示波器中显示的像素坐标进行比较；通过在频谱图中找出2个纵模序列q序和q+1序中所对应的2个峰值的横坐标差值δx，然后分别比较2个序列中相邻峰值横坐标的差值，取其平均值为δxi，则纵模间隔可表示为：
[0071]
δvq=fsr/δx
·
δxi[0072]
式中，fsr为f-p扫描干涉仪的精细常数，r为球形凹面反射镜的反射率；
[0073][0074]
由纵模间隔及频谱图可知激光模式中纵模个数，用以判断激光器输出激光的纵模模式是否符合当前应用场景。
[0075]
实施例3
[0076]
所述激光器1发出激光，通过光学隔离器2保证激光不会反射回激光器造成损害，再经由光学衰减器3对激光强度进行衰减，经衰减的激光通过分光棱镜4分为能量相等的两束激光。分束的第一束激光通过小孔光阑5后照射在接收屏6上，电动位移平台8带动ccd相机7在多位置移动并收集激光束腰半径ω0、远场发散角θ0以及激光光束质量因子m2以及横模样式并传输至计算机15。分束的第二束激光通过第一透镜9和第二透镜10扩束准直进入f-p扫描干涉仪11。f-p扫描干涉仪11是一个无源谐振腔，由球形凹面反射镜16、球形凹面反射镜17、光电接受放大器18、压电陶瓷环19和低膨胀系数材料外壳20组成。两块球形凹面反射镜的半径和腔长相等，球形凹面反射镜镀有高反射膜。其中一块球形凹面反射镜16固定位置不变，另一块球形凹面反射镜17固定在可随外加电压变化而变化的压电陶瓷环19上，压电陶瓷环的特性是若在环的外壁上施加一个一定数值的电压，环的长度将随之发生变化，而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关系，此即f-p扫描干涉仪用于扫描的基本条件。20为由低膨胀系数制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜总是处于共焦状态。f-p扫描干涉仪控制器13内含锯齿波发生器，锯齿波电压除了加到f-p扫描干涉仪的压电陶瓷环19上，还同时输送到示波器14的x轴上作同步扫描，锯齿波电压幅度可调。增加一个直流偏置电源，用以改变对腔扫描幅度的起点。探测器电源为光电探头提供直流工作电压，并将
光电探头12接收到的电信号送入内置放大器，经放大后的电信号由信号输出端送到示波器14的y轴。由示波器14显示的纵模频谱图可知激光模式中纵模个数，用以判断激光器输出激光的纵模模式。最后将采集到的频谱图数据传送至计算机15中。
[0077]
电动位移平台8由上位机操控，设置于在不同位置移动使ccd相机7对激光光斑信息分别采集。
[0078]
f-p扫描干涉仪控制器13内含锯齿波发生器，锯齿波电压除了加到f-p扫描干涉仪11的压电陶瓷环20上，锯齿波电压幅度可调。还内置一个直流偏置电源，为光电探头提供直流工作电压，并将光电探头接收到的电信号送入内置放大器。
[0079]
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护。