评价激光器光束质量提升潜力的方法与流程

本发明涉及激光技术领域，具体的涉及一种评价激光器光束质量提升潜力的方法。

背景技术：

光束质量是描述激光器的重要参数。光束质量的好坏决定了激光束的远距离使用效果。由于光学元件热变形、光学介质热畸变等因素的影响，激光器直接输出的光束质量通常较差，需采用自适应光学系统进一步提升其光束质量。然而，光束质量的提升效果不仅与自适应光学系统的性能有关，还与激光器输出光束的特性有关。不同类型的激光器，其光束质量的提升潜力是不同的。采用同样的自适应光学系统，有的激光器输出的光束质量可大幅提升，有的激光器输出的光束质量仅能够小幅提升。尽管目前已有多种方法评价激光器的光束质量，然而对于激光器光束质量的提升潜力还缺少简便有效的评价方法。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种评价激光器光束质量提升潜力的方法。

本发明提供一种评价激光器光束质量提升潜力的方法，包括以下步骤：

步骤s100：测量激光器输出光束的近场强度分布和远场强度分布后，按公式(1)～(2)计算低频功率p1和高频功率p2，

其中，为远场强度分布的极坐标表示，r1为光束远场第一衍射暗环的半径，r2为光束远场第四衍射暗环的半径；

步骤s200：按照公式(3)计算环中功率pir：

其中，p1为低频功率，p2为高频功率；

步骤s300：判断环中功率pir是靠近1还是靠近0，如果环中功率pir靠近1，则激光器的光束质量提升的潜力大；如果环中功率pir靠近0，则激光器的光束质量提升的潜力小。

进一步地，光束远场第一衍射暗环的半径r1和光束远场第四衍射暗环的半径r2，按公式(4)～(5)计算：

其中，λ为激光光束的波长，f为远场测量透镜的焦距，d为激光光束的等效直径。

进一步地，激光光束的等效直径d按以下公式计算：

其中，σ²为近场光强的二阶矩。

进一步地，近场光强的二阶矩σ²按以下公式计算：

其中，为近场强度分布的极坐标表示。

本发明的技术效果：

1、本发明提供评价激光器光束质量提升潜力的方法，只需测得高能激光器输出光束的近场强度分布和远场强度分布，并进行简单的计算即可得到环中功率pir值，通过能有效反映出激光器输出光束的远场强度分布状况的环中功率pir值对激光器光束质量的提升潜力进行评价，能够有效表征激光器输出光束质量提升的潜力。该方法具有简便、快捷的特点。

2、本发明提供评价激光器光束质量提升潜力的方法，尤其适用于高能激光器光束质量提升潜力的评价。

具体请参考根据本发明的评价激光器光束质量提升潜力的方法提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明提供的评价激光器光束质量提升潜力的方法流程示意图；

图2是本发明优选实施例中测量近场强度分布和远场强度分布所用的光路示意图；

图3是本发明优选实施例中初始光束质量因子β0为4.2的高能激光器经过61单元的自适应光学系统校正后的光束质量结果示意图；

图4是本发明优选实施例中初始光束质量因子β0为4.2的高能激光器经过91单元的自适应光学系统校正后的光束质量结果示意图；

图5是本发明优选实施例中初始光束质量因子β0为4.2的高能激光器经过127单元的自适应光学系统校正后的光束质量结果示意图。

图例说明：

1、高能激光器；2、高反镜；3、衰减片；4、分光镜；5、近场测量ccd相机；6、远场测量透镜(焦距为f)；7、远场测量ccd相机。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

本发明提供的评价激光器光束质量提升潜力的方法尤其适用于高能激光器1。此处的高能激光器1是指平均输出功率在10kw以上的连续波激光器。

参见图1，本发明提供的评价激光器光束质量提升潜力的方法，包括以下步骤：

步骤s100：测量激光器输出光束的近场强度分布和远场强度分布后，按公式(1)～(2)计算低频功率p1和高频功率p2，

其中，为远场强度分布的极坐标表示，r1为光束远场第一衍射暗环的半径，r2为光束远场第四衍射暗环的半径；

步骤s200：按照公式(3)计算环中功率pir，

其中，p1为低频功率和p2为高频功率；

步骤s300：判断环中功率pir是靠近1还是靠近0，如果环中功率pir靠近1，则激光器的光束质量提升的潜力大；如果环中功率pir靠近0，则激光器的光束质量提升的潜力小。

激光器光束质量的提升潜力主要取决于输出光束波前畸变的空间频率成分。一般来说，若波前畸变的空间频率以低频成分为主，则激光器光束质量提升的潜力大；若波前畸变的空间频率以高频成分为主，则激光器光束质量提升的潜力小。

本发明提供的方法，通过分析激光器输出光束的远场强度分布状况，得到激光器光束质量的提升潜力。环中功率pir值代表了输出光束中低频畸变成分在总畸变成分中占的份额，能够有效表征激光器输出光束质量提升的潜力。p1表示光束远场强度分布中第一衍射暗环至第四衍射暗环之间功率，反映了光束中的低频畸变成分；p2表示光束远场强度分布中第四衍射暗环之外的功率，反映了光束中的高频畸变成分。0.7024是理想光束远场强度分布中第一至第四衍射暗环之间的功率与第一衍射暗环之外的功率之比，在此处作为归一化参数。

环中功率pir值介于0和1之间，代表了输出光束中低频畸变成分在总畸变成分中占的份额。若某一光束的环中功率pir值靠近1，说明此光束以低频畸变成分为主，其波前易于自适应光学系统校正，其光束质量提升的潜力大；若某一光束的环中功率pir值靠近0，说明此光束以高频畸变成分为主，其波前难以被自适应光学系统校正，其光束质量提升的潜力小。从而通过环中功率pir值简便的评价各类激光束是否值得对其进行进一步的校正、提高光束质量。

本发明提供方法中的近场强度分布和远场强度分布可以按照常规方法测定。例如采用图2所示的光路，测量激光器输出光束的近场强度分布和远场强度分布。近场强度分布的极坐标表示为远场强度分布的极坐标表示为

优选的，r1为光束远场第一衍射暗环的半径，r2为光束远场第四衍射暗环的半径，可以按照现有方法根据所得近场强度分布和远场强度分布求得。具体如下：

其中，λ为激光光束的波长，f为远场测量透镜6的焦距，d为激光光束的等效直径。

优选的，其中激光光束的等效直径d可以按下式求得：

其中，σ²为近场光强的二阶矩。

优选的，近场光强的二阶矩σ²可以按下式求得：

其中，为光束近场强度分布的极坐标表示。

以下结合具体仿真算例，对本发明提供的方法进行详细说明。

首先，参见图2，搭建光路测量高能激光器1输出光束的近场强度分布和远场强度分布。该光路包括依次光路连接的高能激光器1、高反镜2、衰减片3、分光镜4和远场测量透镜6。激光束经过分光镜4分为两路后，第一束激光进入近场测量ccd相机5被捕获。另一束激光经过远场测量透镜6后进入远场测量ccd相机7。

高能激光器1输出的光束经过高反镜2(反射率>99.8％)反射后被分为两部分，功率较大的反射光未经处理。功率较小的透射光经过衰减片3(均匀性优于0.01，光密度视光束强度而定)后衰减至毫瓦量级。衰减后的光束被分光镜4(分光比50:50)分为两路，一路入射到近场测量ccd相机5(像素数目>640×480，动态范围>8bit)中，测得光束的近场强度分布，另一路经过远场测量透镜6(等效焦距为f)后，入射到远场测量ccd相机7(像素数目>640×480，动态范围>8bit)中，测得光束的远场强度分布。

其次，根据公式(1)-(7)，计算得到光束的环中功率pir的值。

为说明环中功率pir值描述高能激光器1光束质量提升潜力的有效性，数值模拟了具有不同波前畸变的高能激光器1的光束质量提升状况。数值计算中，高能激光器1输出光束具有不同的波前畸变状况。随机产生了176种波前畸变，这些波前畸变具有不同的空间频率分布，调整这些波前畸变的大小，使得高能激光器1的输出光束质量因子β0均为4.2。根据公式(1)-(7)分别计算出这176种情况下光束的pir值。然后，分别采用61单元、91单元、127单元的理想自适应光学系统对上述176种高能激光束进行波前校正，分别计算得到176种高能激光束校正后的光束质量因子β1。高能激光束的pir值与校正后的光束质量因子β1之间的关系如图3～5所示。

由所得结果可见，高能激光器1光束质量的提升情况不仅与自适应光学系统的能力有关，还与光束的pir值紧密相关。对于同一自适应光学系统，高能激光器1输出光束的pir值越大，自适应光学系统校正后的光束质量因子β1越小，表明高能激光器1光束质量提升得越多。从图2中可以看出，对于61单元的自适应光学系统，高能激光器1输出光束的pir值大于0.83则表明其光束质量的提升潜力十分巨大，其光束质量因子可由4.2提高到接近1的水平；对于91单元的自适应光学系统，高能激光器1输出光束的pir值大于0.7，则表明其光束质量的提升潜力十分巨大，其光束质量因子可由4.2提高到接近1的水平；对于127单元的自适应光学系统，高能激光器1输出光束的pir值大于0.35则表明其光束质量的提升潜力十分巨大，其光束质量因子可由4.2提高到接近1的水平。综上，高能激光器1输出光束的环中功率pir值能够有效的表征其光束质量的提升潜力，环中功率pir值越大，表明光束质量提升的潜力越大。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图、说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。