一种大口径激光光斑形貌的测量装置及方法

本发明涉及光电检测领域，尤其是涉及一种大口径激光光斑形貌的测量装置及方法。

背景技术：

1、在许多应用领域中，准确、全面地了解和测量大口径光斑的形貌对于确保光学系统的性能和质量至关重要。在激光加工领域，光斑的形貌直接影响着激光加工过程的质量和效率。对于大面积激光切割和焊接等任务来说，准确控制光斑形貌可以使加工表面质量均匀一致，提高加工品质和加工速度。而光斑形状或尺寸的偏离可能导致工件质量不稳定、加工深度不均匀或加工速度过慢，进而影响生产效率和产品质量；在光学通信领域，光斑形状或尺寸的不均匀性和失真可能导致信号传输质量下降，增加衰减和畸变，限制通信距离和带宽；在光学制造领域，例如光学透镜、平面镜和光学元件的制造中，准确测量大口径光斑的形貌对于保证光学元件的质量和性能至关重要。光学元件的形状和曲率能够直接影响光学成像质量和系统的聚焦能力。因此，开发创新的大口径光斑形貌测量技术对于相关领域的进步和发展至关重要。

2、对于小口径激光器，采用光束质量分析仪即可采集光斑形貌，大口径光斑形貌的测量需要通过缩束或者拼接的方式采集形貌。采用缩束的方式会缩小光斑尺寸并引入透镜像差，不能很好地反应光斑真实形貌；由于脉冲激光器能量的不稳定性，采用手动或自动拼接得到的形貌图像会存在各区域强度波动的问题，拼接效果欠佳的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种解决脉冲激光能量波动引起的拼接效果不佳问题的大口径激光光斑形貌的测量装置及方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种大口径激光光斑形貌的测量装置，包括：

4、分光镜：设于待测激光器后，用于将所述待测激光器射出的大口径光束分成两路，分为第一光束和第二光束，分别用于能量监测和光斑形貌采集；

5、能量监测模块：该模块包括依次设于分光镜之后的聚焦透镜、第一快门、第一衰减片和能量计，用于实时监测第一光束的能量波动；

6、光斑形貌采集模块：该模块包括依次设于分光镜之后的第二衰减片、第二快门、ccd和二维电机，用于分区采集第二光束的ccd光斑图像，并基于所述第一光束的能量将所有分区采集的ccd光斑图像进行归一化后拼接，获得大口径激光光斑形貌。

7、进一步地，所述第一光束的光程和第二光束的光程一致。

8、进一步地，所述分光镜的工作角度为45°。

9、本发明还提供一种基于上述所述的大口径激光光斑形貌的测量装置的测量方法，包括以下步骤：

10、开启待测激光器、第一快门和第二快门；

11、观察能量计的能量示数和ccd光斑图像，分别调节第一衰减片和第二衰减片使能量示数在合适值；

12、设定读取时间间隔，读取若干次能量计的能量示数取其平均值，作为基准能量；

13、设定二维电机的扫描路径、步长及采集间隔时间，二维电机以扫描形式移动ccd采集所述扫描路径上的所有ccd光斑图像；

14、将采集的所有ccd光斑图像依据能量计的能量示数及所述基准能量进行归一化后再进行拼接，获得大口径激光光斑形貌。

15、进一步地，通过增减所述第一衰减片和第二衰减片的数量调节能量。

16、进一步地，所述二维电机以光栅扫描的形式移动ccd采集ccd光斑图像。

17、进一步地，所述光栅扫描矩阵大小满足：

18、m×l>d

19、n×h>d

20、式中，m×n为光栅扫描矩阵的大小，l×h为ccd靶面尺寸，d为待测光斑直径。

21、进一步地，所述二维电机的步长为ccd靶面尺寸。

22、进一步地，所述二维电机的采集时间间隔大于所述待测激光器的脉冲间隔时间。

23、进一步地，所述归一化是指将ccd光斑图像各像素点的像素值按能量大小进行等比例缩放，计算公式为：

24、

25、式中，f归一化为归一化后的像素值，f0为归一化前的像素值，e实时为能量计实时显示的能量示数，e0为基准能量。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、(1)本发明采用聚焦透镜将大口径光束缩小至能量计感光区域尺寸以下，便于通过能量计直接进行能量监测，并采用能量计实时采集能量示数，并依据能量示数对各区域采集到的光斑图像像素值进行归一化，能有效排除激光能量波动对光斑拼接效果的影响，从而提高本发明的大口径光斑的拼接效果。

28、(2)由于激光器输出的各脉冲之间能量存在差异，若直接拼接会出现拼接图像强弱不一的情况，影响拼接效果，本发明通过将采集到的光斑图像依据能量计采集到的实时能量，对ccd的采集到的光斑图像各像素值大小进行等比例缩放后再进行拼接，极大地提高了拼接效果。

29、(3)本发明采用二维电机对大口径光斑图像逐区域扫描，再进行拼接形成大口径光斑形貌，具有测量口径大的优点。

技术特征：

1.一种大口径激光光斑形貌的测量装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种大口径激光光斑形貌的测量装置，其特征在于，所述第一光束的光程和第二光束的光程一致。

3.根据权利要求1所述的一种大口径激光光斑形貌的测量装置，其特征在于，所述分光镜(2)的工作角度为45°。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的大口径激光光斑形貌的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，通过增减所述第一衰减片(9)和第二衰减片(3)的数量调节能量。

6.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述二维电机(6)以光栅扫描的形式移动ccd(5)采集ccd光斑图像。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述光栅扫描矩阵大小满足：

8.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述二维电机(6)的步长为ccd靶面尺寸。

9.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述二维电机(6)的采集时间间隔大于所述待测激光器(1)的脉冲间隔时间。

10.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述归一化是指将ccd光斑图像各像素点的像素值按能量大小进行等比例缩放，计算公式为：

技术总结
本发明涉及一种大口径激光光斑形貌的测量装置及方法，该装置包括：分光镜：设于待测激光器后，用于将待测激光器射出的大口径光束分成两路，分为第一光束和第二光束，分别用于能量监测和光斑形貌采集；能量监测模块：该模块包括依次设于分光镜之后的聚焦透镜、第一快门、第一衰减片和能量计，用于实时监测第一光束的能量波动；光斑形貌采集模块：该模块包括依次设于分光镜之后的第二衰减片、第二快门、CCD和二维电机，用于分区采集第二光束的CCD光斑图像，并基于第一光束的能量将所有分区采集的CCD光斑图像进行归一化后拼接，获得大口径激光光斑形貌。与现有技术相比，本发明具有测量口径大、拼接效果好等优点。

技术研发人员：马彬,郑湘粤,张锦龙,沈正祥,焦宏飞,王占山,周雷,何春伶,陈易凡
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24