一种基于可变聚焦光路的激光光束质量测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于激光光束质量测试领域，更具体地，涉及一种基于可变聚焦光路的激 光光束质量测量装置和方法。
【背景技术】
[0002] 激光产业是二十一世纪的战略性新兴产业，随着激光技术的发展，其在工业、科研 领域的应用越来越广泛。特别是激光的能量型应用，作为一种加工工具，激光加工装备对我 国近年来制造业的转型升级起到了极大的促进作用。对于激光的能量型应用来说，激光的 光束质量是一个非常重要的参数，它是激光装备中光路设计的一个很重要的输入参数，也 很大程度上决定了激光装备最终的性能指标。因此激光光束质量测试技术的重要性日益凸 显，兼具适用范围广和高测量精度的激光光束质量测试设备是市场所急需的。
[0003] 根据高斯光束的双曲线传输特性，将激光束的光斑半径W表示为光程z的函数，A、 B、C分别为方程系数：
[0004] w2(z)=A+Bz+Cz2 (1)
[0005] 现有的激光光束质量测试仪是用单透镜(焦距f)对待测激光束进行聚焦，重造束 腰后，利用直线导轨（行程1)带动感光元件在透镜后焦点附近(也即重造的束腰附近)至少 10个不同的光程处 21测量激光束的光斑半径大小Wl，然后由测得的这组数据(Zl，Wl)根据最 小二乘法拟合出上述双曲线方程的系数A、B、C，则待测激光束的光束质量M 2因子和聚焦后 的束腰半径w由下式给出：
[0006]
[0007]
[0008]
[0009] 其中λ是待测激光束的波长。
[0010] 然而，为了确保测量的准确性，必须满足两个条件：（a)聚焦后的束腰直径必须大 于感光元件的最小光斑测量直径Do; (b)直线导轨的行程至少大于5倍的聚焦后激光束的瑞 利距离。假设待测激光束初始的束腰半径为wo,则上述两条件可用下面的数学不等式表示：
[0011]
[0012]
[0013]
[0014] 显然，对于给定的聚焦透镜焦距f、直线导轨行程1和感光元件最小光斑测量直径 Do,只有一定范围的(M2，wQ)才能满足上述约束不等式，这意味着按现有方法一套给定的激 光光束质量测试设备，其适用的待测激光束范围将受到限制，或者难以保证测量的精度。
【发明内容】
[0015] 针对现有技术无法兼顾广泛适用性和测量精度之间矛盾的缺陷，本发明的目的在 于提供一种基于可变聚焦光路的激光光束质量测量装置和方法，针对不同的待测激光束， 通过可变聚焦光路重造出满足约束条件要求的束腰直径和瑞利距离;可以极大的拓展激光 光束质量测量系统的适用范围，提高测量精度。
[0016] 本发明提供了一种基于可变聚焦光路的激光光束质量测量装置，包括:可变聚焦 模块，感光元件，用于带动所述感光元件移动的第一直线导轨和数据处理模块;可变聚焦模 块用于对接受的待测激光光束进行可变聚焦处理，使得聚焦的位置可调;感光元件，其输入 端用于接收聚焦后的激光，并输出光斑图像数据;数据处理模块，其输入端连接至感光元件 的输出端，第一输出端连接至第一直线导轨的控制端，第二输出端连接至可变聚焦模块的 控制端；用于控制第一直线导轨带动感光元件移动，控制第二直线导轨带动负透镜移动，采 集感光元件在不同位置的光斑图像数据，并对光斑图像数据进行处理后输出激光光束质量 M2因子。
[0017] 更进一步地，所述可变聚焦模块包括依次同光轴设置的负透镜和正透镜，以及用 于带动所述负透镜沿着光轴方向移动的第二直线导轨;通过直线导轨带动负透镜沿光轴方 向运动，改变负透镜和正透镜之间的间距，实现可变聚焦处理。
[0018] 更进一步地，所述负透镜和所述正透镜的表面镀有与激光波长相匹配的增透介质 膜。
[0019] 更进一步地，所述激光光束质量测量装置还包括衰减模块，设置在所述可变聚焦 模块与所述感光元件之间，用于对聚焦后的激光进行衰减。
[0020] 更进一步地，所述数据处理模块包括:控制单元，控制第一直线导轨带动感光元件 移动，控制第二直线导轨带动负透镜移动;采集单元，用于采集感光元件在不同位置的光斑 图像数据；以及处理单元，用于对光斑图像数据进行处理后输出激光光束质量M 2因子。
[0021 ] 更进一步地，所述感光元件可以为C⑶或CMOS。
[0022] 本发明还提供了一种基于上述的激光光束质量测量装置对激光光束质量进行测 量的方法，包括下述步骤：
[0023] (1)控制第一直线导轨带动感光元件沿光轴移动，在导轨行程范围内至少10个不 同光程处21测量经可变聚焦模块聚焦后的光斑图像数据，并对光斑图像数据进行处理后获 得激光光束半径Wi，
[0024] 根据所述光程Zl和激光光束半径^计算待测激光束的光束质量Μ2因子和聚焦后的 束腰半径
[0025] 根据待测激光束的光束质量Μ2和聚焦后的束腰半径wf获得入射激光束初始的束腰 半径并将光束质量M 2和束腰半径wo组合后获得待测激光束光束质量参数的第一组值 (M2,wo)i；
[0026] (2)根据第一组值(12，《〇)1计算负透镜和正透镜之间间距(T，通过数据处理模块控 制第二直线导轨带动负透镜移动到目标距离处；
[0027] (3)重复步骤(1)得到待测激光束光束质量参数的第二组值(M2，w0)2;
[0028] (4)计算第二组值(M2，wo)2与第一组值(M^woh的相对误差，并与误差控制因子ε相 比较；若
ε，则获得待测激光束的光束质量参数（M2，w q)2;S ;，则根据入射激光束光束质量第二组参数(M2，Wq)2,重复步骤(2) 全步骤(4)。
[0029] 更进一步地，根据以下公式计算得到入射激光束初始的束腰半径wo:
[0032] 更进一步地，根据上述公式以Z 获得负透镜和正透镜之间间 ρ· 距d7。
[0033] 本发明即是通过引入可变聚焦光路，利用第一直线导轨带动负透镜运动，改变负 透镜和正透镜之间的间距d来实现上述目的，以同时保证激光光束质量测试装置的广泛适 应性和高测量精度。
【附图说明】
[0034] 图1是本发明实施例提供的基于可变聚焦光路的激光光束质量测量装置的结构示 意图；
[0035]图2是本发明实施例提供的基于可变聚焦光路的激光光束质量测量装置测量方法 的实现流程图；
[0036] 1为负透镜，2为正透镜，3为衰减模块，4为感光元件，5为第二直线导轨，6为第一直 线导轨，7为数据处理模块。
【具体实施方式】
[0037]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0038] 本发明提供的一种基于可变聚焦光路的激光光束质量测量装置，包括依次的同光 轴的负透镜、正透镜、衰减模块和感光元件，用于带动负透镜移动的第一直线导轨、带动感 光元件移动的第二直线导轨和用于系统控制分析的数据处理模块。负透镜、正透镜、衰减模 块、感光元件在同一光轴上;所述的感光元件的数据线、第一直线导轨的控制线和所述的第 二直线导轨的控制线分别与数据处理模块相连。数据处理模块具有图像数据采集卡、控制 卡和计算激光光束质量M 2因子的数据处理程序，实现对两个直线导轨的运动进行控制，进 而精确控制负透镜和感光元件的空间位置，实现对感光元件所成激光束光斑图像数据的采 集分析，获得激光束光斑大小，实现对激光束光束质量M 2因子的计算。
[0039] 在本发明实施例中，第二直线导轨用于带动负透镜沿光轴方向运动，并精确定位 负透镜的位置。衰减模块能对入射激光功率进行衰减，且可根据入射激光功率的大小选择 合适衰减倍率的衰减片进行更换。第一直线导轨用于带动感光元件沿光轴方向运动，并精 确定位感光元件的位置。感光元件能对入射激光束的光斑大小进行分析计算;直线导轨可 以带着感光元件沿光轴方向运动，并精确定位感光元件的位置，从而实现在至少10个不同 的光程处对激光束光斑大小进行测量。数据处理模块具有图像数据采集卡、控制卡和计算 激光光束质量M 2因子的数据处理程序，通过数据线与感光元件相连，通过控制线与第二直 线导轨相连，通过控制线与直线导轨(6)相连，实现对第二直线导轨和第一直线导轨的运动 进行控制，进而精确控制负透镜和感光元件的位置，实现对感光元件获取的光斑图像数据 的采集分析，获得激光束光斑大小，实现对激光束光束质量M 2因子的计算。
[0040] 在本发明实施例中，fi为负透镜的焦距;f2为正透镜的焦距;d为负透镜和正透镜之 间的间距;h为第一直线导轨的行程;1 2为第二直线导轨的行程。根据高斯激光束的q参数表 示理论，将待测激光束在负透镜入射前表面处的q参数qo表示为下式：
[0041 ]
(4)
[0042]其中do为激光出射口到负透镜的距离，λ是待测激光束的波长，WQ为待测激光束的 初始束腰半径，Μ2为待测激光束的光束质量因子。
[0043]根据高斯光束的矩阵传输理论，可将负透镜、负透镜和正透镜之间的空气层、正透 镜三者用矩阵表示为下式：
[0044]
[0045]则三者总的传输矩阵可表示为下式：
[0046]<