基于转筒螺旋线孔取样的激光光束质量测量装置和方法与流程

本发明属于激光参数测量技术领域，具体涉及一种激光光束质量参数的测量装置及方法。

背景技术：

在激光参数测量中，光束质量是一个重要的参数，表示激光束向远场发射的能力。常见的光束质量包括m2因子、β参数和桶中功率(pib)等，其中pib代表了激光束在远场的功率集中度和可聚焦能力。

现有的pib测量方法是采用合适尺寸的光阑孔设置在光学调节架上，光阑孔后面采用光功率计探头测量光功率，通过微调光阑孔的位置使得获取的光功率的值最大，即为该激光束的pib值。这种方法存在的问题是当激光的光束不稳定时，强光点的位置发生变化，导致无法采用光阑孔捕捉到激光光强最大值，因此只能适用于连续输出的稳定激光器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于转筒螺旋线孔取样的激光光束质量测量装置和方法，不仅适用于连续稳定光源，对于空间变换频率不高的其他激光器同样适用。

本发明的技术解决方案如下：

基于转筒螺旋线孔取样的激光光束质量测量装置，其特殊之处是，包括转筒、光电探测器和数据采集处理单元，所述的转筒绕转轴高速旋转，转筒的筒壁上至少设置有一组沿转轴轴线方向呈螺旋线排布的取样孔，所述的取样孔的中心线与转轴轴线垂直相交，待测量激光束沿垂直于转轴的轴线方向从转筒外部入射至转筒内部的光电探测器，或者待测量激光束沿垂直于转轴的轴线方向从转筒外部入射至转筒内部后经过转筒内部设置的光学元件折返后入射至光电探测器，所述的取样孔的孔径小于待测量激光束的尺度，所述的数据采集处理单元记录并处理光电探测器的输出信号。

为保证测量质量，相邻两只取样孔在转筒横截面上的两孔中心间距大于待测量激光束的尺度。

上述的光电探测器优选大口径积分球光电探测器；所述的光学元件优选反射镜。

上述的待测量激光束尺度为0.1‐10mm，取样孔的孔径为0.01‐9mm。

上述光电探测器的响应时间优选纳秒或微秒级。

为确定测量起始时间，测量装置上还可设置有位置触发单元，在转筒转到设定位置时，触发位置触发单元输出触发信号。

上述位置触发单元包括红外对管和遮光片，红外对管安装在机架上，遮光片设置在安装转筒上与红外对管相匹配的位置。

或者，上述位置触发单元包括分别设置在转筒内部和外部的定位光源和光敏二极管，在特定的取样孔转动至设定的位置时，定位光源的输出光入射至光敏二极管。

基于转筒螺旋线孔取样的激光光束质量测量方法，包括以下步骤：

1)待测量激光束穿过匀速转动转筒筒壁上的一组或多组沿转轴轴线方向呈螺旋线排布的取样孔；所述的取样孔的中心线与转轴轴线垂直相交，取样孔的孔径小于待测量激光束的尺度；

2)光电探测器对穿过每只取样孔的激光束进行高速取样测量，获取激光束在不同取样位置处的功率值；

3)数据采集处理单元记录并处理光电探测器在一个扫描周期内的系列光功率值，根据采集时间与平板转动时取样孔的位置关系，获得该时段内的桶中功率值。

为提高时间分辨率，步骤2)中同一只取样孔可对激光束进行重叠取样。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明通过高速旋转转筒带动呈螺旋线分布的取样孔阵列对入射激光束进行了整体光斑扫描，并采用一个大面积的光电探测器单元获取光强信号，通过设置取样孔的位置，确保光电探测器只能接收到一个取样孔的信号，使得在一个光束扫描周期内，可以获得整个光束的光强分布及光强峰值；通过这种扫描的方式，模拟了传统的光阑孔沿光束截面上微调以获取焦斑中心功率，测量pib的方式。

2、本发明通过对取样孔的位置设置实现了整个光束的高空间分辨扫描，由于取样孔在转轴轴线方向呈螺旋线排布，且相邻的两只取样孔沿转轴轴线方向上的间距可以设定的较小，同时选择响应速率快的光电探测器及数采系统，从而获得了较高的空间分辨率，可以精细描绘出光强的空间分布变化，并确保取样孔可以扫描到最强点即焦斑的光束位置。

3、本发明转筒的体积和结构紧凑，而且可通过在同一只转筒中设置多条螺旋线的取样孔，使得该装置可实现khz级的光束扫描取样，满足了光束抖动频率小于khz情况下的光束质量取样测量。

附图说明

图1为本发明激光光束质量测量方法和装置原理示意图；

图2为本发明激光光束质量测量装置的优化原理图；

图3为本发明图1的俯视图；

图4为本发明取样孔对测量光束扫描示意图；

图5为本发明激光束和取样孔位置设置示意图；

附图标记为：1—激光束；2—取样孔；3—转筒；4—机架；5—转轴；6—光电探测器7—取样光束；11—反射镜；12—积分球光电探测器；17—定位光源；18—光敏二极管。

具体实施方式

如图1‐5所示，本发明的光束质量pib测量装置包括转筒3、光电探测器6和用于记录并处理光电探测器输出信号的数据采集处理单元。转筒3通过机架联接转轴5并绕转轴5高速旋转，转筒3的横截面为圆形，筒壁上设置有一组沿转轴5轴线方向呈螺旋线排布的取样孔2，该取样孔可以是一组螺旋线均匀排布的微孔，也可以增加扫描次数在一个转筒上设置多组螺旋线均匀排布的取样孔。取样孔2指向转轴5轴线，取样孔的中心与转轴5轴线垂直相交，待测量激光束1沿垂直于转轴5的轴线方向从转筒3外部入射至转筒3内部的光电探测器6。也可以是激光束1沿垂直于转轴5的轴线方向从转筒3外部入射，经过转筒3内部设置的光学元件——反射镜11后折返入射至光电探测器6。

如图3所示，取样孔2的孔径小于待测量激光束1的尺度，且相邻两只取样孔2在转筒3横截面上的间距，即图3中的a大于待测量激光束1的尺度，这样可确保在任意时刻光电探测器6只能接收到通过一只取样孔2的取样光束7的信号。

光电探测器6选用大口径的功率计，比如积分球光电探测器12，确保可接收到整个待测量激光束1。入射激光束1的尺度为0.1‐10mm，取样孔2的孔径则为0.01‐9mm，小于入射激光束1的尺度。

如图3和4所示，为了提高扫描取样的空间分辨率，相邻两只取样孔2沿转轴轴线方向上的间距b可以设置的很小，这样可以确保测量装置在垂直方向上具有较高的空间分辨率。同时选择响应速率快的光电探测器及数采系统进行高速信号采集，如图4中同一只取样孔在激光光束的不同位置上叠加取样，从而在水平方向上获得了较高的空间分辨率，最终精细描绘出光强的空间分布变化，并确保取样孔可以扫描到最强点的光束位置，也就是说，通过精细的空间扫描可确保每个扫描周期捕获到最大的功率峰值即焦斑中心。

此外为了提高时间分辨率，转筒3一周的取样孔可以是一条螺旋线，也可以是多条螺旋线，也就是转筒3每旋转一周，可以对激光束1多次重复扫描，其目的是在满足取样孔和间距的尺寸要求前提下，尽可能提高时间分辨率，从而确保捕捉到焦斑中心，获得pib参数。

如图5所示，为了给扫描取样机构提供位置基准，在测量装置上设置有位置触发单元，在转筒3转到设定位置时输出触发信号，同步触发数采系统或者是由数采系统采集该触发信号，用于后续光束光强分布的图像复原。位置触发单元可以采用常规的红外对管和遮光片，红外对管安装在机架上，遮光片设置在安装转筒3上。也可以采用如图5所示的定位光源17和光敏二极管18，其中定位光源17和光敏二极管18分别设置在转筒内部和外部，在转筒3旋转的大部分时间内，定位光源17的光被遮挡，只有特定高度的取样孔转动至设定的位置时，定位光源17的输出光入射至光敏二极管18，使得光敏二极管18输出脉冲信号，采集和提取该信号峰值，即可为后续的图像复原软件提供触发信号或基准信号。通过这些设计确保该装置可实现khz的光束扫描取样，满足了光束抖动频率小于khz情况下的光束质量pib参数测量。

利用上述测量装置对激光束进行光束质量的测量方法，包括以下步骤：

【1】光路调节：按照如图1或2所示的光路布置入射激光和测量装置，手动转动转筒，使得待测量激光束入射至取样孔，并调节光电探测器的位置，确保光电探测器可获取整个待测量激光束；

【2】开启转动机构，转筒旋转稳定后，开启光电探测器及数据采集处理单元；

【3】加载激光束，数据采集处理单元计算获取每个光束扫描周期内的最大光强值，即为该时段内的桶中功率值；

【4】数据采集处理单元根据取样孔和光束的几何映射关系，得到激光束光强的时空分布参数。

本发明的测量装置通过更换不同取样孔径的平板实现系列pib值的测量，比如激光束直径为d，取样孔选择0.1d、0.2d……0.9d系列直径，只需要不同的平板，其他器件保持不变，即可实现激光束系列pib值的测量。