一种光束质量因子M2快速测量装置及方法与流程

一种光束质量因子m2快速测量装置及方法
技术领域
1.本发明属于光束质量因子m2测量领域，更具体地，涉及一种光束质量因子m2快速测量装置及方法。


背景技术：

2.光束质量作为激光器的核心指标受到了研究人员和用户的普遍关注。为了准确评价激光器的光束质量，国内外研究人员从理论和实践的角度提出了多种光束质量评价因子，最常用的有光束质量因子m2、衍射极限倍数因子β、桶中功率(pib)、桶中功率比(bq)、斯特涅尔比(sr)等等。为统一评价激光器输出光束质量的标准，国际标准化组织(iso)提出用m2因子表征光束质量的建议，得到了国内外的普遍认可。
3.根据iso 11146
‑
1:2005标准，m2因子定义为：
[0004][0005]
式中：
[0006]
d0——束腰宽度或束腰直径；
[0007]
θ——远场光束发散角。
[0008]
由于m2因子是利用二阶矩方法，计算光束截面直径的。基于束宽测量m2因子的方法进行了很多研究，具体有聚焦两点法、调焦两点法、三点法、多点拟合法等。原则上用三个不同位置的束宽就可以计算出m2因子，更多位置的测量是用来相互校核以减小误差。沿传播轴z测量光束在不同位置处的束宽d，用双曲线拟合确定光束的传输轮廓，最后确定m2因子。根据iso的有关标准，为了保证测量精度，至少测10次，必须有至少5次处于光束瑞利长度之内。束宽的拟合公式如下：
[0009]
d2＝a+b
·
z+c
·
z2[0010]
用数理统计的知识求出双曲线的系数a，b和c后，即可求得束腰位置z0和直径d0、远场发散角θ及m2因子，如以下公式所示：
[0011][0012][0013][0014][0015]
常见的m2因子测量设备的工作原理如图4所示，高功率待测光源经反射镜、取样装
置、衰减片后进入m2分析仪中，控制系统通过控制连接可移动导轨的伺服电机在束腰附近进行扫描，即可获得光束沿传播轴z在不同位置处的束宽d，经过双曲线拟合处理后确定光束的传输轮廓，最终确定m2因子。根据iso标准，为了保证测量精度，至少测10次，必须有至少5次处于光束瑞利长度之内。现有的m2测试设备，测量位置的移动是通过电动控制距离调节结构的机械位移，需经历10次以上的移位
‑
测量
‑
拟合
‑
移位过程，测量时间约为1min
‑
2min。而高功率激光器的工作时间一般在较短，激光器本身以及光学元器件的长时间运行均会导致光束质量的劣化，使得长时间测出的m2值并不能真实反映激光束的光束质量，而是一段时间的平均值。


技术实现要素：

[0016]
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光束质量因子m2快速测量装置及方法，其中结合光束质量因子m2自身的特征及其测量和计算方法特点，相应设计了一种光束质量因子m2快速测量装置及方法，并对其关键组件如待取样装置、变焦装置、电控调节装置和数据处理装置的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决传统m2测量设备需要驱动反射镜组进行大行程位移导致测量速度慢的问题，具有原理清晰、调节速度快、操作简便等优点，能够大幅度提高光束质量因子m2的测量速度。
[0017]
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种光束质量因子m2快速测量装置，包括：
[0018]
待取样装置，用于输入待测激光源发射的准直激光，并将该准直激光进行衰减；
[0019]
变焦装置，用于在电控调节装置的控制下改变准直激光的焦距，并在不同焦距下对衰减后的准直激光进行聚焦；
[0020]
光斑测量装置，用于实时采集和测量经所述变焦装置聚焦后的准直激光的光斑大小；
[0021]
数据处理装置，用于根据所述变焦装置的焦距以及所述变焦装置在不同焦距下所述光斑测量装置实时采集和测量的光斑大小计算待测激光源的光束质量因子m2。
[0022]
作为进一步优选的，所述装置还包括光路折叠装置，该光路折叠装置设于所述变焦装置和光斑测量装置之间，用于将变焦装置与光斑测量装置之间的光路进行折叠。
[0023]
作为进一步优选的，所述变焦装置为采用微机电系统驱动的变焦透镜、变焦反射镜或者透镜和反射镜组合的变焦多片式镜组，该变焦装置焦距典型值的范围在1毫米到1000毫米之间。。
[0024]
作为进一步优选的，所述电控调节装置与变焦装置通过电控接口连接，所述电控调节装置通过改变输入所述变焦装置的电流或电压信号，从而驱动所述变焦装置内的可动单元或者声光特性或者电磁特性，以控制所述变焦装置焦距的改变。
[0025]
作为进一步优选的，所述光斑测量装置内置的探测器为ccd相机或者cmos，该探测器响应波长范围涵盖待测光源的中心波长，且所述光斑测量装置与变焦装置的距离固定为变焦装置焦距变化范围的中值。
[0026]
作为进一步优选的，所述数据处理装置通过构建所述光斑测量装置处光斑半径计算模型来计算待测激光源的光束质量因子m2；
[0027]
所述光斑半径计算模型为：
[0028][0029]
其中，为通过焦距为f的变焦装置聚焦后的准直激光光束的束腰半径，为通过焦距为f的变焦装置聚焦后的准直激光光束的瑞利长度，z
f
为通过焦距为f的变焦装置聚焦后的准直激光光束的束腰与光斑测量装置的探测面的距离；
[0030]
由于所述变焦装置与光斑测量装置保持不变，则z
f
＝f
‑
f0，将所述光斑半径计算模型表示为：
[0031][0032]
其中，b＝ω2，c＝
‑
2ω2f0，d＝ω2f
02
，从而推导出用于计算待测激光源的光束质量因子m2的计算模型为：
[0033][0034]
其中，f为变焦装置的焦距，π、λ均为常数，m2为待测激光源的光束质量因子，ω为待测激光源的束腰半径，f0为变焦装置(2)的初始焦距值(默认为调焦范围的中值)。
[0035]
按照本发明的另一个方面，本发明还提供了一种光束质量因子m2快速测量方法，包括以下步骤：
[0036]
(11)待测激光源发射准直激光，将该准直激光进行衰减；
[0037]
(12)对衰减后的准直激光进行初次聚焦，采集和测量激光初次聚焦的焦点处准直激光光斑大小；
[0038]
(13)改变准直激光聚焦的焦距，并在连续变焦过程中实时采集和测量初次聚焦的焦点处准直激光光斑大小；
[0039]
(14)根据初次聚焦测量得到的准直激光光斑大小、初次聚焦的焦距以及不同焦距下初次聚焦的焦点处准直激光光斑大小计算待测激光源的光束质量因子m2。
[0040]
作为进一步优选的，步骤(12)和步骤(13)中，在对激光进行聚焦时，还需采用光路折叠装置对聚焦过程中的光路进行折叠。
[0041]
作为进一步优选的，采用变焦装置改变准直激光聚焦的焦距，采用光斑测量装置实时采集和测量初次聚焦的焦点处准直激光光斑大小，其中，所述变焦装置与所述光斑测量装置之间的距离保持不变。
[0042]
作为进一步优选的，步骤(14)具体包括以下步骤：
[0043]
(141)构建初次聚焦的焦点处激光光斑大小的计算模型：
[0044][0045]
其中，为通过焦距为f的变焦装置聚焦后的准直激光光束的束腰半径，为通过焦距为f的变焦装置聚焦后的准直激光光束的瑞利长度，z
f
为通过焦距为f的变焦装置聚焦后的准直激光光束的束腰与光斑测量装置的探测面的距离；
[0046]
(142)由于所述变焦装置与光斑测量装置保持不变，则z
f
＝f
‑
f0，将所述光斑半径计算模型表示为：
[0047][0048]
其中，b＝ω2，c＝
‑
2ω2f0，d＝ω2f
02
，
[0049]
(143)根据步骤(142)推导出用于计算待测激光源的光束质量因子m2的计算模型为：
[0050][0051]
其中，f为变焦装置的焦距，π、λ均为常数，m2为待测激光源的光束质量因子，ω为待测激光源的束腰半径，f0为变焦装置(2)的初始焦距值(默认为调焦范围的中值)。
[0052]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0053]
1.本发明结合光束质量因子m2自身的特征及其测量和计算方法特点，并对其关键组件如待取样装置、变焦装置、电控调节装置和数据处理装置的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决传统m2测量设备需要驱动反射镜组进行大行程位移导致测量速度慢的问题，具有原理清晰、调节速度快、操作简便等优点，能够大幅度提高光束质量因子m2的测量速度。
[0054]
2.本发明通过电控调节装置，改变变焦装置的焦距，而光斑测量装置保持轴向位置不动，则可以获取不同焦距下的光斑尺寸。由于光斑尺寸与待测光束的光束质量因子m2、初始光斑大小、系统焦距等密切相关，通过理论推导和数据拟合，即可得到待测光束的光束质量因子m2。
[0055]
3.本发明光路折叠装置采用反射式光路对变焦装置与光斑测量装置之间的光路进行折叠，以减小整个装置的尺寸。
[0056]
4.本发明变焦透镜焦距变化速度极快，测量的瓶颈在于ccd相机的帧频以及数据处理的速度。ccd相机获取单帧图像约需50ms，计算光斑半径小于1ms，因此完成11次测量的时间小于600ms，数据拟合可以控制在50ms以内，整个测量过程可以在700ms内完成，远远高于传统的m2测试速度。
[0057]
5.本发明采用变焦装置，取代传统的定焦透镜或液晶空间光调制器，探测器固定放置，无需电动调节，采用的新的拟合方程得到待测光源的m2，在准直光约束下系统推导了光斑半径和焦距的对应关系，通过特定形式的函数拟合，仅需2个系数就可以得到m2的数值。
附图说明
[0058]
图1是本发明优选实施例涉及的一种光束质量因子快速测量装置的结构示意图；
[0059]
图2是本发明另一优选实施例涉及的一种光束质量因子快速测量装置的结构示意图；
[0060]
图3是采用图2涉及的一种光束质量因子快速测量装置计算得到的光束质量因子m2的结果；
[0061]
图4是传统光束质量因子m2的测量装置结构示意图。
[0062]
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1
‑
待取样装置，2
‑
变焦装置，3
‑
电控调节装置，4
‑
光路折叠装置，5
‑
光斑测量装置，6
‑
数据处理装置，7
‑
待测光源，8
‑
第一反射镜，9
‑
楔镜，10
‑
电动衰减片，11
‑
可变焦透镜，12
‑
控制器，13
‑
第二反射镜，15
‑
硅基ccd相机。
具体实施方式
[0063]
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0064]
如图1所示，本发明实施例提供的本发明提供了一种光束质量因子m2快速测量装置，该装置包含取样装置、变焦装置、电控调节装置、光路折叠装置、光斑测量装置、数据处理装置，其中变焦装置与光斑测量装置同轴，且光斑测量装置位于变焦装置初始焦面处。待测激光束沿系统光轴方向入射，通过光斑测量装置获得焦面的光斑尺寸。通过电控调节装置，改变变焦装置的焦距，而光斑测量装置保持轴向位置不动，则可以获取不同焦距下的光斑尺寸。由于光斑尺寸与待测光束的光束质量因子m2、初始光斑大小、系统焦距等密切相关，通过理论推导和数据拟合，即可得到待测光束的光束质量因子m2。
[0065]
具体而言，本发明提供的一种光束质量因子m2快速测量装置包括：待取样装置1，用于输入待测激光源发射的准直激光，该准直激光的瑞利长度远大于光源到变焦装置2的距离，并将该激光进行衰减。变焦装置2，用于在电控调节装置3的控制下改变焦距，并在不同焦距下对衰减后的准直激光进行聚焦；光斑测量装置5，用于实时采集和测量经所述变焦装置2聚焦后的激光的光斑大小；数据处理装置6，用于根据所述变焦装置2的焦距以及所述变焦装置2在不同焦距下所述光斑测量装置5实时采集和测量的光斑大小计算待测激光源的光束质量因子m2。其中，待测激光源发射的准直激光输入待取样装置1中进行衰减成弱光后经变焦装置2进行聚焦后输入光斑测量装置4，该光斑测量装置4用于实时采集和测量经所述变焦装置2聚焦后的准直激光的光斑大小，数据处理装置6，用于根据所述变焦装置2的焦距以及所述变焦装置2在不同焦距下所述光斑测量装置5实时采集和测量的光斑大小计
算待测激光源的光束质量因子m2。
[0066]
在本发明中，装置还包括光路折叠装置4，该光路折叠装置4设于所述变焦装置2和光斑测量装置5之间，用于将变焦装置2与光斑测量装置5之间的光路进行折叠。光路折叠装置4采用反射式光路对变焦装置2与光斑测量装置5之间的光路进行折叠，以减小整个装置的尺寸。
[0067]
在本发明中，待测激光源需经过取样装置1进行大幅度无畸变衰减成弱光才能进入后续测量装置。
[0068]
在本发明中，所述变焦装置2为采用微机电系统驱动的变焦透镜、变焦反射镜或者透镜和反射镜组合的变焦多片式镜组，该变焦装置2的焦距变化不依赖于待测光源的特性，且焦距典型值的范围在1毫米到1000毫米之间。变焦装置2的焦距可以实时快速变化，可以是透射式或者反射式结构，如可变焦透镜/反射镜或者多片式镜组，其焦距典型值在数十毫米到数百毫米。
[0069]
在本发明中，电控调节装置3与变焦装置2通过电控接口连接，电控调节装置3通过改变输入所述变焦装置2的电流或电压信号，从而驱动所述变焦装置2内的可动单元或者声光特性或者电磁特性，以控制所述变焦装置2焦距的改变。
[0070]
在本发明中，所述光斑测量装置5内置的探测器为ccd相机或者cmos，该探测器响应波长范围涵盖待测光源的中心波长，且与变焦装置的距离(以实际光程计算)固定为变焦装置焦距变化范围的中值。光斑测量装置5位于变焦装置2的某一焦面处，内置的探测器为ccd相机、cmos等光电器件且响应波长范围涵盖待测光源的中心波长，可对正入射至探测面的光斑的进行响应。
[0071]
数据处理装置6通过通用数据接口与电控调节装置3和光斑测量装置5进行通信，获得变焦装置3的当前焦距以及光斑测量装置5当前测得的光斑尺寸。当变焦装置3的焦距变化时，记录多组焦距和光斑尺寸，通过内置的算法对数据进行处理，获得待测激光的光束质量因子m2以及其它相关测量结果。
[0072]
在本发明中，数据处理装置6通过构建所述光斑测量装置5处光斑半径计算模型来计算待测激光源的光束质量因子m2。
[0073]
所述光斑半径计算模型为：
[0074][0075]
其中，为通过焦距为f的变焦装置2聚焦后的准直激光光束的束腰半径，为通过焦距为f的变焦装置2聚焦后的光束的瑞利长度，z
f
为通过焦距为f的变焦装置2聚焦后的光束的束腰与光斑测量装置5的探测面的距离；
[0076]
由于所述变焦装置2与光斑测量装置5保持不变，则z
f
＝f
‑
f0，将所述光斑半径计算模型表示为：
[0077][0078]
其中，b＝ω2，c＝
‑
2ω2f0，d＝ω2f
02
，从而推导出用于计算待测激光源的光束质量因子m2的计算模型为：
[0079][0080]
其中，f为变焦装置2的焦距，π、λ均为常数，m2为待测激光源的光束质量因子，ω为待测激光源的束腰半径，f0为变焦装置(2)的初始焦距值(默认为变焦装置2的焦距中值)。
[0081]
本发明克服了传统m2测量设备需要驱动反射镜组进行大行程位移导致测量速度慢的缺点，具有原理清晰、调节速度快、操作简便等优点，能够大幅度提高光束质量因子m2的测量速度。
[0082]
按照本发明的另一个方明，还提供了一种光束质量因子m2快速测量方法，包括以下步骤：
[0083]
(11)待测激光源发射准直激光，将该准直激光进行衰减。
[0084]
(12)对衰减后的准直激光进行初次聚焦，采集和测量准直激光初次聚焦的焦点处准直激光光斑大小。
[0085]
(13)改变激光聚焦的焦距，并在连续变焦过程中实时采集和测量初次聚焦的焦点处准直激光光斑大小。
[0086]
步骤(12)和步骤(13)中，在对准直激光进行聚焦时，还需采用光路折叠装置4对聚焦过程中的光路进行折叠。其中，采用变焦装置2改变准直激光聚焦的焦距，采用光斑测量装置5实时采集和测量初次聚焦的焦点处准直激光光斑大小，其中，所述变焦装置2与所述光斑测量装置5之间的距离保持不变。
[0087]
(14)根据初次聚焦测量得到的准直激光光斑大小、初次聚焦的焦距以及不同焦距下初次聚焦的焦点处准直激光光斑大小计算待测激光源的光束质量因子m2。
[0088]
步骤(14)具体包括以下步骤：
[0089]
(141)构建初次聚焦的焦点处准直激光光斑大小的计算模型：
[0090][0091]
其中，为通过焦距为f的变焦装置2聚焦后的光束的束腰半径，为通过焦距为f的变焦装置2聚焦后的光束的瑞利长度，z
f
为通过焦距为f的变焦装置2聚焦后的光束的束腰与光斑测量装置5的探测面的距离；
[0092]
(142)由于所述变焦装置2与光斑测量装置5保持不变，则z
f
＝f
‑
f0，将所述光斑半径计算模型表示为：
[0093][0094]
其中，b＝ω2，c＝
‑
2ω2f0，d＝ω2f
02
；
[0095]
(143)根据步骤(142)推导出用于计算待测激光源的光束质量因子m2的计算模型为：
[0096][0097]
其中，f为变焦装置(2)的焦距，π、λ均为常数，m2为待测激光源的光束质量因子，ω为待测激光源的束腰半径，f0为变焦装置(2)的初始焦距值。
[0098]
本发明中，采用变焦装置，取代传统的定焦透镜或液晶空间光调制器，变焦装置为采用微机电系统驱动的变焦透镜、变焦反射镜或者透镜和反射镜组合的变焦多片式镜组，该变焦装置的焦距变化不依赖于待测光源的特性，且焦距典型值的范围在1毫米到1000毫米之间，进一步的，本发明中，探测器固定放置，无需电动调节。在具体实施方面，探测器的类型为ccd相机，cmos，更为重要的是，本发明对探测器与变焦装置的距离进行了特定性设计，即变焦装置调焦范围的中值，这种限定使得本装置的实施更明确、更具可操作性，同时避免了探测器的位置与变焦装置的焦距不匹配导致光斑测量不准的问题。更进一步的，本发明中采用的新的拟合方程得到待测光源的m2。传统的测量方法是对直径和位置进行双曲线拟合后，通过3个系数得到m2的数值。本发明在准直光约束下系统推导了光斑半径和焦距的对应关系，通过特定形式的函数拟合，仅需2个系数就可以得到m2的数值。
[0099]
图2和图3所示，为激光光束质量因子m2快速测量装置及该装置测量结果的一个示例。该装置包括待取样装置1、变焦装置2、电控调节装置3、光路折叠装置4、光斑测量装置5以及数据处理装置6，其中，待取样装置1包括待测光源7、第一反射镜8、楔镜9以及电动衰减片10。其中，待测激光从待测光源7中输出，输出激光依次经过第一反射镜8、楔镜9以及电动衰减片10，并在电动衰减片10中衰减后进入变焦装置2。变焦装置2为可变焦透镜11，用于改变衰减后的激光的焦点。电控调节装置3为控制器，用于改变可变焦透镜11的焦点。光路折叠装置4为两块相应设置的第二反射镜13，用于改变经可变焦透镜11聚焦后的激光的线路，使得该激光线路折叠。光斑测量装置5为硅基ccd相机。一束输出功率为1kw的类高斯准直待测激光，峰值波长1064nm，光束半径5mm，通过一片镀膜楔镜进行取样，楔镜镀高透膜，剩余反射率小于2
‰
，再通过一个电动衰减片组进入光束质量测试仪。光束质量测试仪的变焦装置采用超快声光可变焦透镜，可变焦透镜的焦距变化范围300mm
‑
400mm，焦距变化速度达到亚微秒量级。两片呈45
°
布置的第二反射镜对通过透镜后的光路进行折叠，第二反射镜与变焦透镜的水平间距为150mm，第二反射镜间的垂直间距为50mm，光斑测量装置5采用硅基ccd相机，硅基ccd相机的响应波长范围400nm
‑
1100nm，口径为5.12mm
×
5.12mm，1024
×
1024像素，单个像元大小5μm
×
5μm，光斑测量装置5帧频为20hz，光斑测量装置5与变焦透镜的光程为350mm。
[0100]
出光过程中，变焦透镜焦距从340mm增加至360mm，步长为2mm。由于变焦透镜焦距
变化速度极快，测量的瓶颈在于ccd相机的帧频以及数据处理的速度。ccd相机获取单帧图像约需50ms，计算光斑半径小于1ms，因此完成11次测量的时间小于600ms，数据拟合可以控制在50ms以内，整个测量过程可以在700ms内完成，远远高于传统的m2测试速度。表1给出了仿真的试验结果和拟合情况。
[0101]
表1输入参数及仿真结果
[0102][0103][0104]
因此有：
[0105][0106]
与仿真输入基本一致。
[0107]
该实施例表明，本发明能够有效正确、快速的对光束质量因子m2进行测试。
[0108]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。