一种激光器光束质量因子M2的测量方法及其测量装置与流程

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种激光器光束质量因子m2的测量方法及其测量装置。

背景技术：

1988年，a.e.siegman利用无量纲的量——光束质量因子m2较科学合理地描述了激光束质量，并由国际标准组织(iso)采纳。m2克服了常用的光束质量评价方法的局限，对激光光束的评价具有重要意义。

激光束质量因子m2的概念：m2因子被称为激光束质量因子或衍射极限因子，其定义为：实际光束束腰宽度和远场束散角的乘积比上基模高斯光束的束腰宽度和远场束散角的乘积。

对于基模(tem00)高斯光束，光束质量因子为1，光束质量最好，而实际中均大于1，表征实际光束相对于衍射极限的倍数，即times-diffraction-limited。光束质量因子可以表示为：

m2＝πdθ/(4λ)(3)

光束质量因子的参数同时包含了远场和近场特性，能够综合描述光束的品质，且具有通过理想介质传输变换时不变的重要性质；而由上式(3)可知，对光束质量因子的测量，归结为光束束腰宽度和光束远场发散角的测量。

利用m2评价激光束的质量具有如下重要特点：一、m2因子表示实际光束偏离基模高斯(tem00)光束(衍射极限)的程度；二、m2因子综合描述了光束的质量，包括光束远场和近场特性；三、光束通过理想光学系统后m2因子不变。可见，相对其它评价方法来说，m2因子能较好地反映光束质量的实质，具有较强的普适性,并且积分地反映了光强的空间分布，因此如何准确快速的测量m2变得非常重要。

现有技术的激光光束质量m2因子的测量方法，多通过透镜将光束聚焦以后，利用ccd(chargecoupleddevice，电荷耦合器件图像传感器)、套孔或扫描狭缝等元件测量激光光束束腰前后一段距离内若干点的光斑直径，然后利用双曲线拟合的方法求得m2因子；而采用双曲线拟合的方法测量m2因子，需要测量瑞利范围内多个点的光斑直径，为了获得较好的拟合精度，通常需要测量十个点以上，如此多次的测量不同位置的光斑直径需要耗费较长的时间，增加较大工作量，导致其存在无法适用于工程领域需要快速测量m2的情况，影响测量效率和测量精度的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可适用于工程领域需要快速测量m2的情况、保证测量效率和测量精度的激光器光束质量因子m2的测量方法及其测量装置。

本发明是这样实现的，本发明一方面提供一种激光器光束质量因子m2的测量方法，包括以下步骤：

通过一个焦距为f1正透镜l1将待测激光器高斯光束进行聚焦；

将ccd前后移动，寻找聚焦后的所述高斯光束的最小光斑位置；

通过一个焦距为f1的正透镜l1将待测激光器高斯光束进行聚焦；

将ccd前后移动，寻找聚焦后的所述高斯光束的最小光斑位置；

测量并记录所述最小光斑位置处的最小光斑直径d1，以得到所述高斯光束的束腰直径d＝d1；

在聚焦后的所述高斯光束的后方设置一个焦距为f2的聚焦透镜l2，然后在所述聚焦透镜l2的焦平面位置处测量焦点光斑直径d2，则所述高斯光束的发散角θ通过下式求得：

则m2因子通过下式求得：

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法，其通过先进行第一次测量光斑直径，即在正透镜l1后，前后移动ccd以寻找测量出最小光斑的束腰直径d1；然后再进行第二次测量光斑直径，即在聚焦透镜l2后，在其焦平面位置处测量光斑直径d2，则可以通过式(1)得出发散角，然后通过式(2)得出激光器光束质量因子m2。

本发明另一方面提供一种激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，所述测量装置包括光路组件、测量组件和衰减组件；

所述光路组件包括沿着入射光束的光轴依次设置的半波片和第一偏振片，第一偏振片设置为由左至右向右倾斜，第一偏振片的反射光束的光轴上设置有第二偏振片，第二偏振片设置为由左至右向右倾斜，第二偏振片位于第一偏振片的上方，入射光束、第一偏振片的反射光束及第二偏振片的反射光束构成“z”字形结构，入射光束及第二偏振片的反射光束平行；第一偏振片的透射光束的光轴上设置有第三偏振片，第三偏振片由左至右向上倾斜，第三偏振片及其向上的延长线与第二偏振片及其向上的延长线构成倒“v”字形结构；第三偏振片的透射光为与入射光束及第二偏振片的反射光束平行的出射光束；

所述衰减组件包括设置在第二偏振片的反射光束的光轴上的第一收光垃圾桶；

所述测量组件包括ccd及第二收光垃圾桶，ccd设置在第二偏振片的反射光束的光轴上、且替代第一收光垃圾桶，第二收光垃圾桶设置在出射光束的光轴上。

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，当用于测量所在位置的激光光束的光斑时，调节半波片的旋转角度，将与入射光束、第一偏振片的反射光束构成“z”字形结构的第二偏振片的反射光束调节到比较弱，通常在mw以下，然后把ccd放入到第二偏振片的反射光束的光轴上，进行光斑测量，入射光束的大部分功率是经过延长线构成倒“v”字形结构的第三偏振片和第二偏振片出射的，出射光束的光轴上设置有第二收光垃圾桶。

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，当用于激光功率衰减使用时，调节半波片的旋转角度，可以将从延长线构成倒“v”字形结构的第三偏振片和第二偏振片出射的激光光束调至比较弱，起到了衰减器的作用；此时，激光的入射光束大部分功率是经过光线走向为“z”字形结构的第一偏振片及第二偏振片进入所述光路组件，起在第二偏振片的反射光束的光轴上设置有替代ccd的第一收光垃圾桶，用于收集这部分激光。

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，进行第一次测量光斑直径时，被放置在正透镜l1后，在进行第二次测量光斑直径时，被放置在聚焦透镜l2后。

本发明优势如下：

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法，其利用两个透镜进行两次聚焦的方法，仅需要两次测量光斑直径就可以获得激光器光束质量因子m2，比现有技术的曲线拟合的方法更加简单便捷。

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，其结构紧凑，可以将整体装置的体积做的小巧，从而能够灵活方便地放入到待测光路中，实现快速测量出待测位置的激光光斑的直径、能量分布等各项参数。

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，还额外具备衰减器的功能，能够将激光的入射光束衰减后沿着原光路出射，以方便后续光学系统的对准和调试。

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，能够快速简便地测量激光光斑的光斑直径和能量分布情况，同时还可以把入射激光衰减之后出射，起到同轴衰减器的作用，功能多样，操作简便，节省成本。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的激光器光束质量因子m2的测量方法的光路图。

图2为本发明的另一个实施例的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置用于激光功率衰减的光路结构示意图；

图3为图2所示实施例的本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置用于测量所在位置的激光光束的光斑的光路结构示意图。

图4为本发明的又一个实施例的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置用于测量所在位置的激光光束的光斑的光路结构示意图。

图5为本发明的再一个实施例的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置用于激光功率衰减的结构剖视图；

图6为图5所示实施例的本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置用于测量所在位置的激光光束的结构剖视图；

图7为图5所示实施例的本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置用于激光功率衰减的结构示意图；

图8为图6所示实施例的本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置用于测量所在位置的激光光束的光斑的结构示意图。

附图标记说明：

1为入射光束，2为半波片，3为第一偏振片，4为第二偏振片，5为第三偏振片，6为出射光束，7为第一收光垃圾桶，8为ccd(chargecoupleddevice，电荷藕合器件图像传感器)，9为第二收光垃圾桶；10为滤光片，11为第一负透镜，12为第二负透镜，13为光路壳体，14为ccd壳体，15为盖板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

实施例1：

一种激光器光束质量因子m2的测量方法，参见图1，包括以下步骤：

通过一个焦距为f1的正透镜l1将待测激光器高斯光束进行聚焦；

将ccd前后移动，寻找聚焦后的所述高斯光束的最小光斑位置；

测量并记录所述最小光斑位置处的最小光斑直径d1，以得到所述高斯光束的束腰直径d＝d1；

在聚焦后的所述高斯光束的后方设置一个焦距为f2的聚焦透镜l2，然后在所述聚焦透镜l2的焦平面位置处测量焦点光斑直径d2，则所述高斯光束的发散角θ通过下式求得：

则m2因子通过下式求得：

其中，λ为待测激光器高斯光束的波长，π为圆周率。图1中的入射光束1为待测激光器高斯光束。

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法，其通过先进行第一次测量光斑直径，即在正透镜l1后，前后移动ccd以寻找测量出最小光斑的束腰直径d1；然后再进行第二次测量光斑直径，即在聚焦透镜l2后，在其焦平面位置处测量光斑直径d2，则可以通过式(1)得出发散角，然后通过式(2)得出激光器光束质量因子m2。

实施例2：

一种激光器光束质量因子m2的测量方法，与实施例1相似，所不同的是，所述正透镜l1为平凸透镜；所述正透镜l1的平面为光束的入射面，凸面为所述光束的出射面。

这样，所述正透镜l1为平凸透镜，凸面到焦点的距离后焦距bfl(backfocuslength，后焦距)和有效焦距efl(effectivefocuslength)相等，方便使用处理。

在另一个具体实施例中，所述正透镜l1的通光直径大于激光器入射光斑的直径。

在另一个具体实施例中，所述聚焦透镜l2为平凸透镜，所述聚焦透镜l2的平面为光束的入射面，凸面为所述光束的出射面。

在另一个具体实施例中，所述正透镜l1的焦距f1为300-500mm；所述聚焦透镜l2的焦距f2为1m。

这里，由于正透镜l1的焦距越短，其所聚焦的光斑的直径越小，所以正透镜l1的焦距的选择，取决于ccd的分辨率，通常正透镜l1的焦距选为300-500mm即可，以使得最小聚焦光斑的直径大致为100-500um，从而满足ccd分辨率的要求。

需要说明的是，正透镜l1放置在被测激光器输出光路上，正透镜l1可以按照在支架上，所述支架使得被测光路从正透镜l1的中心穿过。ccd可以安装在导轨上，使得ccd在沿着光路的方向上可以前后移动。ccd在导轨上的任意位置处，都可以测量出来该位置处的高斯光斑直径。用ccd测量高斯光束的直径采用的是国际iso标准。将ccd沿着导轨位置前后移动，每个位置都能够获得光束直径的数据，从而找到最小光斑位置处的光斑直径。聚焦透镜l2放置在被测激光器输出光路上，聚焦透镜l2可以按照在支架上，所述支架使得被测光路从聚焦透镜l2的中心穿过。聚焦透镜l2为平凸透镜，光束从聚焦透镜l2的平面方向入射、凸面方向出射，这样，凸面到焦点的距离后焦距bfl(backfocuslength，后焦距)和有效焦距efl(effectivefocuslength)相等，方便使用处理。聚焦透镜l2为有效焦距为1m的平凸透镜时，则将ccd放置在凸面后位置为1m处即可。

实施例3：

一种激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，所述激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置包括光路组件、测量组件和衰减组件；

参见图2，所述光路组件包括沿着入射光束1的光轴依次设置的半波片2和第一偏振片3，第一偏振片3设置为由左至右向右倾斜，第一偏振片3的反射光束的光轴上设置有第二偏振片4，第二偏振片4设置为由左至右向右倾斜，第二偏振片4位于第一偏振片3的上方，入射光束1、第一偏振片3的反射光束及第二偏振片4的反射光束构成“z”字形结构，入射光束1及第二偏振片4的反射光束平行；第一偏振片3的透射光束的光轴上设置有第三偏振片5，第三偏振片5由左至右向上倾斜，第三偏振片5及其向上的延长线与第二偏振片4及其向上的延长线构成倒“v”字形结构；第三偏振片5的透射光为与入射光束1及第二偏振片4的反射光束平行的出射光束6；

参见图2，所述衰减组件包括设置在第二偏振片4的反射光束的光轴上的第一收光垃圾桶7；

参见图3，所述测量组件包括滤光片8、ccd9及第二收光垃圾桶10，滤光片8和ccd9依次设置在第二偏振片4的反射光束的光轴上、且替代第一收光垃圾桶7，第二收光垃圾桶10设置在出射光束6的光轴上。

本实施例的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，使用时，当用于测量所在位置的激光光束的光斑时，调节半波片2的旋转角度，将与入射光束1、第一偏振片3的反射光束构成“z”字形结构的第二偏振片4的反射光束调节到比较弱，通常在10mw以下，然后把ccd8放入到第二偏振片4的反射光束的光轴上，进行光斑测量，入射光束1的大部分功率是经过延长线构成倒“v”字形结构的第三偏振片5和第二偏振片4出射的，出射光束6的光轴上设置有第二收光垃圾桶9；当用于激光功率衰减使用时，调节半波片2的旋转角度，可以将从延长线构成倒“v”字形结构的第三偏振片5和第二偏振片4出射的激光光束调至比较弱，起到了衰减器的作用；此时，激光的入射光束1大部分功率是经过光线走向为“z”字形结构的第一偏振片3及第二偏振片4进入所述光路组件，起在第二偏振片4的反射光束的光轴上设置有替代ccd8的第一收光垃圾桶7，用于收集这部分激光。其结构紧凑，可以将整体装置的体积做的小巧，从而能够灵活方便地放入到待测光路中，实现快速测量出待测位置的激光光斑的直径、能量分布等各项参数。其额外具备衰减器的功能，能够将激光的入射光束衰减后沿着原光路出射，以方便后续光学系统的对准和调试。其能够快速简便地测量激光光斑的光斑直径和能量分布情况，同时还可以把入射激光衰减之后出射，起到同轴衰减器的作用，功能多样，操作简便，节省成本。需要说明的是，半波片2设置为垂直于入射光束1的光轴，入射光束1的光轴与水平面平行时，半波片2为竖直结构。第三偏振片5及其向上的延长线与第二偏振片4及其向上的延长线构成倒“v”字形结构，即第三偏振片5与第二偏振片4的上端之间并不接触，第三偏振片5与第二偏振片4的上端之间具有空隙。

本发明的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，进行第一次测量光斑直径时，被放置在正透镜l1后，在进行第二次测量光斑直径时，被放置在聚焦透镜l2后。

实施例4：

一种激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，与实施例1相似，所不同的是，参见图4，ccd8与第二偏振片4之间设置有位于第二偏振片4的出射光束光轴上的滤光片10。

这样，当所述激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置用于测量所在位置的激光光束的光斑时，调节半波片2的旋转角度，将与入射光束1、第一偏振片3的反射光束构成“z”字形结构的第二偏振片4的反射光束调节到比较弱时，如果上述衰减不能满足ccd8测量的要求，则能够通过在ccd8与第二偏振片4之间加入位于第二偏振片4的出射光束光轴上的滤光片10，来进行功率的进一步优化衰减。

需要说明的是，滤光片10与第二偏振片4的出射光束光轴垂直，第二偏振片4的出射光束光轴与水平面平行时，滤光片10设置为竖直结构。

优选的，滤光片10的数量为至少两个。这样，能够提高衰减的优化效果。

优选的，入射光束1、第一偏振片3的反射光束及第二偏振片4的反射光束构成的“z”字形结构的纵向部分为由左至右向下倾斜。

优选的，第一收光垃圾桶7和第二收光垃圾桶9为铝桶或不锈钢桶。

需要说明的是，铝桶的导热性由于不锈钢桶，而不锈钢桶的耐热性由于铝桶，所以可以根据实际情况的需要，根据所述激光器的功率选择使用铝桶或者不锈钢桶，需要避免第一收光垃圾桶7和第二收光垃圾桶9被激光束打坏冒烟及损坏，从而避免产生污染物，避免污染光学系统。

实施例5：

一种激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置，与实施例2相似，所不同的是，参见图5，第一收光垃圾桶7位于第二偏振片4的反射光束处设置有第一光束入射口，所述第一光束入射口处设置有第一负透镜11。这样，第一负透镜11能够将入射到第一收光垃圾桶7内的激光束发散开，避免激光将第一收光垃圾桶7打冒烟或损坏。

优选的，第一负透镜11的焦距为小于或等于-50mm。

需要说明的是，第一负透镜11的焦距越短，对激光束的发散效果越好。

参见图6，第二收光垃圾桶9位于第三偏振片5的透射光束处设置有第二光束入射口，所述第二光束入射口处设置有第二负透镜12。同样地，第二负透镜12能够将入射到第二收光垃圾桶9内的激光束发散开，避免激光将第二收光垃圾桶9打冒烟或损坏。

优选的，第二负透镜12的焦距为小于或等于-50mm。

同样地，第二负透镜12的焦距越短，对激光束的发散效果越好。

可见，通过在第一收光垃圾桶7的入射处设置第一负透镜11、在第二收光垃圾桶9的入射处设置第二负透镜12，使得第一负透镜11和第二负透镜12能够将待收集的垃圾光先进行发散后，再将发散后的垃圾光入射到第一收光垃圾桶7、第二收光垃圾桶9内，从而避免第一收光垃圾桶7、第二收光垃圾桶9被激光束打伤或打冒烟等情况；此外，第一负透镜11可以通过胶层与第一收光垃圾桶7的第一光束入射口粘合连接，第二负透镜12可以通过胶层与第二收光垃圾桶9的第二光束入射口粘合连接，以构成密封结构，这样，经过长期时间使用后，能够避免第一收光垃圾桶7、第二收光垃圾桶9内产生的碎屑和其他污染物泄露出来，从而避免其污染激光器元器件。

参见图7，所述光路组件被封装在光路壳体13内，光路壳体13上位于入射光束1处设置有入光开口，半波片2安装在所述入光开口内，光路壳体13上位于出射光束6处设置有出光开口，光路壳体13上位于第二偏振片4的反射光束处设置有反光开口；

参见图8，所述测量组件的ccd8被封装在ccd壳体14内，ccd壳体14上位于第二偏振片4的反射光束处设置有接收开口，ccd壳体14通过螺栓与光路壳体13连接；

所述测量组件的第二收光垃圾桶9和所述衰减组件的第一收光垃圾桶7分别设置为圆筒形的收光桶体，所述收光桶体的外壁上设置有外螺纹，光路壳体13上设置有与所述外螺纹匹配的内螺纹，所述收光桶体与光路壳体13通过所述外螺纹与内螺纹匹配连接。

可见，通过上述封装结构，及各封装结构之间的组合连接结构，能够将本实施例的激光器光束质量因子m2的测量方法的测量装置方便地用于测量待测位置的激光光斑的直径、能量分布等各项参数，提高测量效率和精度，同时还具备衰减器的功能，能够将激光的入射光束衰减后沿着原光路出射，以方便后续光学系统的对准和调试，其模块化的结构能够方便快捷地用于激光光路中。

需要说明的是，光路壳体13的顶部设置有可拆卸结构的盖板15，盖板15可以设置为可拆卸结构，能够用于进行光路壳体13内的半波片2、第一偏振片3、第二偏振片4、第三偏振片5等的安装、调试及更换。盖板15可以通过螺钉与光路壳体13的壳体部分连接。光路壳体13可以设置为矩形箱体结构。光路壳体13的底部可以设置有底座，底座上可以设置有固定螺孔，固定螺孔内可以设置有固定螺栓，光路壳体13可以通过固定螺栓与需要固定位置的固定平面进行连接。底座可以为矩形板体。固定螺孔的数量可以为四个，四个固定螺孔可以分别设置在矩形板体结构的四个角位置处。底座与光路壳体13可以为一体式结构，底座与光路壳体13也可以为通过焊接结构连接的金属件。半波片2可以通过胶层粘合连接在所述入光开口内。光路壳体13内可以设置有用于安装第一偏振片3、第二偏振片4、第三偏振片5的偏振片支架，第一偏振片3、第二偏振片4、第三偏振片5可以通过胶层粘合连接在偏振片支架上。

ccd壳体14可以为矩形箱体结构，ccd壳体14也可以设置有安装座，安装座通过螺栓与光路壳体13连接；ccd壳体14与安装座可以为一体式结构，ccd壳体14与安装座也可以为通过焊接结构连接的金属件。

需要说明的是，滤光片10可以封装在滤光壳体内，滤光壳体可以设置为具有前端面和后端面的筒体，所述筒体的前端面和后端面上分别设置有通光口。滤光片10的侧壁可以通过胶层与滤光壳体的内侧侧壁连接。滤光壳体可以按照在光路壳体13上，滤光壳体可以通过螺栓、或胶层与光路壳体13连接。滤光壳体可以与光路壳体13设置为一体式结构，滤光壳体与光路壳体13也可以设置为通过焊接结构连接的金属件。光路壳体13上位于滤光壳体处可以设置有滤光壳体安装平台，安装平台的顶面的高度小于光路壳体13的顶面的高度，滤光壳体安装在所述安装平台上，安装平台可以为矩形体结构，安装平台的底面可以与光路壳体13的底面或所述底座的底面位于同一个平面上。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。