一种基于快速偏转镜与微透镜组的光束质量动态测量装置的制作方法

1.本发明属于激光参数测量技术领域，尤其是涉及一种基于快速偏转镜与微透镜组的光束质量动态测量装置。


背景技术：

2.激光是20世纪的重大发明之一，由于具有高亮度、单色性、方向性和相干性，它已广泛应用于工业、军事、通信、医学和科学研究各个领域，并深刻影响了当代科学、技术、经济和设备的发展与变革。
3.光束质量是激光的核心参数，其对激光器的设计、制造与应用均具有重要的意义。在激光器的设计与制造领域，光束质量可以评估出激光器中低阶模和高阶模的大致比例，进而在激光器的设计与制造中实现对高阶模的抑制。在激光应用领域，光束质量的好坏直接决定了激光的传播及作用效果。例如，在激光切割中，光束质量直接决定切割效率；在激光焊接中，光束质量直接决定焊缝形状及牢固度；在激光武器中，光束质量则直接决定激光对目标的毁伤效果。激光的光束质量主要靠光束质量因子m2来评价，其可以同时涵盖激光的近场和远场特性。
4.对于激光光束质量因子m2的测量，科学家们相继提出了多点拟合法、液体透镜法、空间与频谱分辨法、平行平板法、散焦光栅法、散射光成像法、计算机生成全息法、空间光调制器法和复振幅重构法等。上述部分方法可以实现对激光光束质量因子m2的准确测量，但是测量时间较长。其余方法虽然可以实现激光光束质量的动态测量，但其测量精度难以保证。目前，如何实现动态并准确的测量激光的光束质量因子m2是一个难题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于快速偏转镜与微透镜组的光束质量动态测量装置，适用可见和近红外波段的激光，可以对激光光束质量因子m2实现动态测量。
6.为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
7.一种基于快速偏转镜与微透镜组的光束质量动态测量装置，其特征在于：所述基于快速偏转镜与微透镜组的光束质量动态测量装置包括沿光路依次布置的第一快速偏转镜、第二快速偏转镜、微透镜组、聚焦透镜以及电荷耦合器件相机；所述第一快速偏转镜用于将待测激光反射至第二快速偏转镜上，所述第二快速偏转镜用于将第一快速偏转镜调制后的激光反射至微透镜组内不同微透镜的中心，所述微透镜组由多个微透镜组成，所述聚焦透镜布置于微透镜组的透射光路上，所述电荷耦合器件相机布置于聚焦透镜的透射光路的聚焦透镜的焦点处。
8.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
9.作为本发明的优选技术方案：所述第一快速偏转镜、第二快速偏转镜分别在水平方向和竖直方向上对入射激光进行偏转。
10.作为本发明的优选技术方案：所述第一快速偏转镜、第二快速偏转镜的驱动信号
相同，均为两组方波信号，两组方波信号分别控制快速偏转镜在水平方向和竖直方向的偏转，且两组方波信号的强度相同、频率相同，但两者的相位相差90
°
。
11.作为本发明的优选技术方案：所述微透镜组优选由4个微透镜组成。
12.作为本发明的优选技术方案：所述微透镜组内的微透镜均为长焦距透镜，且各个微透镜之间的焦距均不相同。
13.作为本发明的优选技术方案：所述聚焦透镜为长焦距透镜，且电荷耦合器件相机布置于聚焦透镜的透射光路的聚焦透镜的焦点处，从而可以有效地避免激光经微透镜或者聚焦透镜聚焦后由于发散角过大而无法被电荷耦合器件相机所采集。
14.作为本发明的优选技术方案：所述电荷耦合器件相机的采样频率应小于第一快速偏转镜、第二快速偏转镜的方波信号频率，以确保电荷耦合器器件相机可以在单幅图上采集到激光经过第一快速偏转镜、第二快速偏转镜调制后通过不同焦距微透镜的信息。
15.作为本发明的优选技术方案：所述电荷耦合器件相机采用硅基底或者铟砷化镓基底。
16.作为本发明的优选技术方案：若对波长为400-1100nm激光的光束质量进行测量，则电荷耦合器件相机采用硅基底；若对波长大于1100nm近红外激光的光束质量进行测量，则电荷耦合器件相机采用铟砷化镓基底。
17.作为本发明的优选技术方案：所述电荷耦合器件相机在单幅图上采集到不同的光斑后，分别基于光强二阶矩定义计算各个光斑的束宽，最后将所计算出的激光束宽和对应的等效透镜的焦距分别代入下式，求解方程组即可计算激光的光束质量m2：
[0018][0019]
式中：w为所计算出的激光束宽，m2为激光的光束质量，a和b为比例系数，l为电荷耦合器件相机到等效透镜的距离，λ为待测激光波长，f为等效透镜的焦距；其中：微透镜与聚焦透镜看作一个等效透镜。
[0020]
与现有技术相比，本发明所提供的基于快速偏转镜与微透镜组的光束质量动态测量装置具有如下有益效果：
[0021]
(1)电荷耦合器件相机所采集的单幅图可以采集四个经不同焦距透镜聚焦后的激光光斑分布，结合两个快速反射镜的高速偏转，可以在保证测量精度的前提下实现激光光束质量的动态测量。
[0022]
(2)装置整体紧凑，系统透不易受重力和振动等外界扰动因素的影响。
[0023]
(3)采用了微透镜阵列和聚焦透镜配合的方式，在保证测量精度的前提下，大大缩小了激光光束质量测量装置的体积。
附图说明
[0024]
图1为本发明所提供的基于快速偏转镜与微透镜组的光束质量动态测量装置的整体结构示意图。
[0025]
图2为本发明所提供的微透镜组示意图。
[0026]
图3为本发明所提供的快速偏转镜的驱动信号。
具体实施方式
[0027]
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
[0028]
参照图1至图3，一种基于快速偏转镜与微透镜组的光束质量动态测量装置，包括第一快速偏转镜1-1、第二快速偏转镜1-2、微透镜组2、聚焦透镜3、电荷耦合器件相机4。沿光路依次放置第一快速偏转镜1-1、第二快速偏转镜1-2、微透镜组2、聚焦透镜3和电荷耦合器件相机4。第二快速偏转镜1-2放置于第一快速偏转镜1-1的反射光路上；微透镜组2由四个不同焦距的微透镜组成，放置于第二快速偏转镜1-2的反射光路上；聚焦透镜3放置于微透镜组2的透射光路上；电荷耦合器件相机4放置于聚焦透镜3透射光路上的透镜焦点位置处。
[0029]
待测激光首先被第一快速偏转镜1-1反射，经第一快速偏转镜1-1调制后，激光入射到第二快速偏转镜1-2上，第二快速偏转镜1-2进一步对待测激光的传输路径进行调制，使得待测激光分别射入微透镜组2上的不同微透镜中心，激光经过微透镜组2后再入射到聚焦透镜3，经聚焦透镜3聚焦后被电荷耦合器件相机4采集。
[0030]
如图2所示，微透镜组2由四个不同焦距的微透镜组成，四个微透镜相互之间呈正方形放置，其中微透镜组2内的四个微透镜与聚焦透镜3均为长焦透镜，且电荷耦合器件相机4放置于聚焦透镜3焦点位置处，进而实现在电荷耦合相机4上同时采集激光经过四个不同微透镜和聚焦透镜3后的光强信息。
[0031]
图3为驱动两个快速偏转镜的驱动信号，s1-1和s1-2分别为第一快速偏转镜的水平和竖直方向的驱动信号，s2-1和s2-2分别为第二快速偏转镜的水平和竖直方向的驱动信号，可见，驱动两个快速偏转镜的信号相同，均为两组方波信号，两组方波信号分别控制快速偏转镜在水平和竖直方向的偏转，且两组方波信号之间强度相同、频率相同、相位相差90
°
。
[0032]
电荷耦合器件相机4采用硅材质基底或者铟砷化镓材质基底。若对波长为400-1100nm激光的光束质量进行测量，则电荷耦合器件相机4采用硅材质基底；若对波长大于1100nm近红外激光的光束质量进行测量，则电荷耦合器件相机4采用铟砷化镓材质基底。电荷耦合相机4的采样频率应小于驱动第一快速偏转镜1-1和第二快速偏转镜1-2信号的频率；电荷耦合器件相机4采集到四个不同的光斑后，分别基于光强二阶矩定义计算各个光斑的束宽，最后将所计算出的四组激光束宽和对应的等效透镜的焦距(微透镜与聚焦透镜看作一个等效透镜)分别代入下式，求解方程组即可计算激光的光束质量因子m2：
[0033][0034]
式中：w为所计算出的激光束宽，m2为激光的光束质量，a和b为比例系数，l为电荷耦合器件相机到等效透镜的距离，λ为待测激光波长，f为等效透镜的焦距；其中：微透镜与聚焦透镜看作一个等效透镜。
[0035]
具体地，通过以下实施例具体地实施：
[0036]
参照图1，功率为1mw、波长为633nm的激光以45
°
角入射到快速偏转镜1-1上，随即被快速偏转镜1-1在水平和竖直方向上分别以10hz的频率向四个不同的方向反射，第一快速偏转镜1-1为高反射率镜，其反射率为99％，反射的激光随即入射到第二快速偏转镜1-2上，经第二快速偏转镜1-2同样在水平和竖直方向上以10hz的频率调制后分别入射到微透
镜组2中各微透镜的中心，第二快速偏转镜1-2也为高反射率镜，其反射率为99％，微透镜组2上的各透镜分别镀制增透膜，其透射率大于99％，透过微透镜组的光随即由镀制透射率大于99％增透膜的聚焦透镜3聚焦，并被电荷耦合器件相机4以5hz的频率采集。由于电荷耦合器件相机4采样频率(5hz)低于两快速偏转镜的偏转频率(10hz)，因此，电荷耦合器件相机4可以同时采集待测激光分别经过四个不同焦距微透镜后的四个光斑信息。基于光强二阶矩算法计算四个不同光斑的束宽，并分别将激光束宽和所对应的等效透镜与电荷耦合器件相机4的距离代入式(1)中进行计算求解，可得到激光的光束质量因子m2。
[0037]
基于上述参数该系统的激光能量利用率r可以由下式决定
[0038]
r＝99％
×
99％
×
99％
×
99％≈96.06％
[0039]
可见，该基于快速偏转镜与微透镜组的光束质量动态测量装置具有较好的激光能量利用率。
[0040]
从前面的描述可以明显看出，本发明的某些方面不局限于本文示出的例子的特定细节，所以，本领域技术人员将会设想到其他的修改和应用或其等同物。在前面的说明书中使用的术语“具有”、“包括”和“包含”以及相似的术语取“可选的”或者“可包括”而不是“必需”的含义。然而，考虑到说明书和附图后，本发明的很多改变、修改、变型以及其他的使用和应用对于本领域技术人员来说将是显而易见的。不脱离本发明的范围和精神的所有这些改变、修改、变型以及其他的使用和应用被视为由本发明所覆盖。应当理解，本文公开的实例包括在任何从属权利要求中描述的特征的任何组合和所有场合。