专利名称：激光束多种参量测试仪的制作方法
技术领域：
本发明是一种激光束多种参量测试仪。其参量主要包括二维激光束强度分布立体图、等强度分布平面图、激光波长、束腰直径、束斑直径、激光功率、光束发散角、激光束亮度等。
现有的技术，对激光束多个参量采用分别测量完成的。(1)激光束的功率用功率计单独测量，例如美国EG&G公司460型激光功率计，美国JodonLaser公司的PM-950型数字激光功率计;(2)光斑尺寸用刀口法，狭缝法和热释电列阵系统测量，例如美国Spiricon公司的LMP-32×32-161型PyroelectricMatrixArrays;(3)激光波长用光谱仪测量。
本发明目的是用一台仪器完成多种激光束参量的测量，如测量激光波长、束腰直径、束斑直径、激光功率、光束发散角、激光束亮度、二维激光束强度分布立体图、等强度分布平面图等。
构成本发明的测试仪的部件包含有氦氖激光器1(附图1)中的标号)，它发出的632nm的红色激光指示光学系统的调整，并做为典型的标准激光束，供参考测量。氦氖激光束通过分束器3、斩波器6、照射到定位反射镜10的中心。然后，光束聚焦通过可变孔径光栏9照射到二维光束扫描器11。经反射，光束照射到单色仪16入射狭缝上。通过单色仪，光束被分光、取样，照射到探测器8。探测器输出的电信号送入锁相放大器14，再到微机显示系统13。斩波器6给出的同步信号也送到锁相放大器。带有两只微型步进电机的二维扫描反射镜组成的二维光束扫描器11，它可以在左右方向和俯仰方向呈弓字形扫描。驱动步进电机的步进电机驱动器15由微机通过程序控制。待测激光器7输出的光束用衰减器5衰减。可插入的准直平面镜4，用于调整待测量的激光束与指示调整的氦氖激光束同光路。
本发明的基本特征是，用微机13控制的二维光束扫描器11，将待测量激光束反射到单色仪16的入射狭缝上，使光束截面在入射狭缝上扫描。单色仪调整到刚好使该波长的激光从出射狭缝射出，并由探测器将光束截面上的光强分布显示在微机屏幕上，呈现出如图2所示的二维强度分布图。经微机对数据处理，列表给出激光波长、束腰直径、束斑直径、激光功率、光束发散角(全角)和激光束亮度等多种参量。如表1所示。
二维光束扫描器是本仪器的关键部件之一，它的二维扫描反射镜带有精密滚珠丝杆和弹性差动的微动机构，同弹簧杠杆原理提高了调整精度。它由二台三相步进电机驱动，可以做左右和俯仰方向的转动。
步进电机驱动器15由微机和步进电机驱动电路构成。可外接三台三相或四相步进电机。通过手动方式或遥控方式使电机以十种不同速度运转。可单次步进，也可在指定范围内连续运行。当前位置由数字显示器指示。
微机13是与IBMPC/XT兼容的Super机型，通过RS-232C通讯接口向步进电机驱动器15发送遥控指令，并读取步进电机驱动器15的状态信息。发送与接收的流程图如图4所示。微机除了指挥控制步进电机驱动器15，还承担光强数据存贮、二维光强分布图形显示和分析处理任务。数据和图形在24针点阵打印机12上输出。这些功能都是通过软件设计完成的，软件设计框图如图5所示。
上述二维光束扫描器或者是分成两个组件，一个做左右方向扫描，称为慢扫描;另一个做垂直方向的光束取样，称为快扫描。慢扫描可以用图1中的二维扫描反射镜进行。快扫描用快速旋转的取样器进行。在附图6中，激光束经慢扫描反射镜17做水平扫描(每秒钟转角2.29°)，光束照射到旋转臂20的小孔19上，小孔直径1mm，在旋转臂内由小直角棱镜18，直径Φ7mm的透镜21和中心小直角棱镜22组成导光系统。最后，取样光束经出射小孔23，照射到探测器8上。旋转臂20在快速步进电机24带动下，以每秒大于100周的频率旋转。慢扫描和快扫描的光斑扫描如图7所示方式取样。
用慢扫描和快扫描组合成二维光束扫描器，可提高二维强度分布的成帧时间到每秒一帧。
本发明用氦氖激光调整仪器光路。使直径1cm左右的光束照射到单色仪入射狭缝上。如果只是用氦氖激光指示调整光路，那么其次就是插入准直平面镜4，使He-Ne激光自准，经分束器3表面反射至待测激光器输出窗口，调整待测激光器光路，使待测激光与He-Ne激光同光路。当退出准直平面镜4时，待测激光沿已调好的He-Ne激光光路进入单色仪。调整单色仪色散元件转角，直到探测器指示有信号输出。如果把He-Ne激光束做个测量对象，那么，不需要插入准直平面镜4。用He-Ne激光引导10μm的CO2激光或其他不可见激光，可迅速调整好测量光路。
分束器3是尖劈状的圆形镜片。使用尖劈形状，能使前后两表面反射的光束分开，消除干扰。分束器材料与待测激光波长和强度有关。
光强度衰减器5，主要用于衰减过份强的待测激光。如果待测激光是线偏振的，可以用布儒斯特角检偏器，通过角度旋转连续调整激光强度。
斩波器6为热释电探测器提供调制信号。如果不用热释电探测器，也可不用斩波器。
探测器8根据待测激光的波长，可以是热释电探测器、光电倍增管、硅光二极管。
可变孔径光栏9是染黑的铝制轮盘，边缘圆周上有不同直径的圆孔，含有所需要的光栏孔径。
定位反射镜10是装在三维调整架上的全反射镜。它起定位、微调光束位置的作用。
单色仪16起三种作用，一是用来测定激光波长，二是通过狭缝宽度调节连续改变入射光强，三是降低探测器的背景噪声。有时不需要测量波长，只希望起后两种作用，这时在光栅盖板上贴上一块平面反射镜，就顺利地达到目的，如不需测定激光波长，也可不用单色仪，直接用探测器接收。
本发明的优点是用一台仪器可以完成多种激光束参量的测量，这些参量包括有;二维光强分布立体图、等强度分布平面图、激光波长、光腰直径、光斑直径、激光功率、光束发散角和激光束亮度。与最先进的美国Spiricon公司的LMP-32×32-161型热释电列阵系统相比，本发明除获得参量多之外，还具有探测器易选择，成本低，图形分辨率高等优点。适用从100nm到1000μm的各种波长激光束参量的测量，易于普及和推广。
。图1.激光束多种参量测试仪组件图。图2.氦氖激光束二维强度分布立体图，上面是线条式，下面是网格式。图3.氦氖激光束等强度分布平面图。上面不加标尺格，下面加标尺格。图4.微机向步进电机驱动器发送指令与接收信息的流程图。图5.软件设计框图。图6.由慢扫描和快扫描两组件构成的二维光束扫描器结构图。图7.慢扫描和快扫描的光斑扫描和取样方式。
最佳实施例结合附图1说明本发明的实施例。腔长260mm的He-Ne激光器1，输出的激光通过BaFz晶体尖劈分束器3(其尖劈夹角1°)和斩波频率为12.5Hz的斩波器6，用曲率半径50cm的镀金定位反射镜10聚焦，再由平面反射镜组成的二维光束扫描器反射扫描得到如图2所示的激光强度分布图和图3所示的等强度分布的平面图，典型的激光束参量测试结果如表1所示。
二维扫描反射镜，在俯仰方向，步进电机每进一步，反射镜转角8.75×10-6rad(～1.8″)，最大扫描范围为17.5mrad;在左右方向，每步转角4.5×10-6rad(～0.93″)，最大扫描范围为72mrad。实验中用的光栅单色仪是GDS-50-2型，其波长分辨率为1A，波长范围为200nm至25μm。可变孔径光栏由4个孔组成，其直径分别是0.5mm、1mm、2mm和3mm，斩波器的频率从10Hz至3000Hz可调。实验中用热释电探测器作接收器件，它的性能如表2所示。步进电机驱动器15是GDS-50-2型光栅单色仪配件MSC扫描控制器。
表1.对氦氖激光束多种参量的测试结果激光速参量(Laser Beam Parameters)HN74912激光波长(Laser Wavelength).6328μm束腰直径(Waist Diameter)*3.46586e-2 cm光斑直径(Beam Diameter)1.69647cm激光功率(Laser Power)1.87412e-3W光束发散角(全角)(Diverge Angle (FW))2.32469mrad亮度(Brightness) 367582. W/cm2rad21991/07/04表2.热释电探测器性能
权利要求
1.一种激光束多种参量测试仪，包含有作为标准和指示光束的氦氖激光器1、分束器3、斩波器6、定位反射镜10、单色仪16和探测器8，其特征在于待测激光束7经过衰减器5衰减后，以准直平面镜4使其待测激光束与标准指示光束的氦氖激光束同光路，通过分束器、斩波器照射到一定位反射镜10的中心，光束被聚焦后通过一可变孔径光栏9，照射到微机控制的二维光束扫描器11上，二维光束扫描器将其光束反射到单色仪16的入射狭缝上，经单色仪分束取样后照射到探测器8上，探测器输出的电信号送入锁相放大器14，再到微机显示控制系统13。
2.根据权利要求1所述的一种激光束多种参量测试仪，其特征在于二维光束扫描器是由两只步进电机驱动器驱动的步进电机带动的能够左右俯仰呈弓字形扫描的二维扫描反射镜所构成;或者是由一步进电机带动的慢扫描反射镜和一步进电机带动的快扫描旋转取样器所构成。
3.根据权利要求1、2所述的一种激光束多种参量测试仪，其特征在于驱动步进电机的步进电机驱动器是由一台微机和产生电机驱动电路所构成，并通过微机程序控制的。
4.根据权利要求1、2所述的一种激光束多种参量测试仪，其特征在于构成二维光束扫描器的二维扫描反射镜带有精密滚珠丝杆和弹性差动的微动机构。
5.根据权利要求1所述的一种激光束多种参量测试仪，其特征在于探测器随其待测激光束的波长而选择，可以是热释电探测器，光电倍增管，硅光二极管。
全文摘要
本发明是一种激光束多种参量测试仪。它由扩束(或缩束)光学系统将激光束光斑尺寸调节到合适的尺寸，用微机控制的二维光束扫描器，使光束截面在单色仪入射狭缝上扫描。单色仪调整到刚好使该波长的激光从出射狭缝射出，由探测器将光束截面上的光强分布逐点显示在微机屏幕上，呈现出三维立体强度分布图。经微机对数据处理，可给出二维激光束强度分布图、等强度分布平面图、激光波长、束腰直径、光束发散角、激光功率、激光亮度等激光束多种参量。
文档编号G01J11/00GK1069574SQ91107468
公开日1993年3月3日 申请日期1991年8月15日 优先权日1991年8月15日
发明者傅恩生, 沈桂荣, 李颖峰, 王兵, 陈磊, 王玉芝, 王之江 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所