一种激光光束质量测量装置及方法

1.本发明属于激光光束质量测量技术领域，更具体地，涉及一种激光光束质量测量装置及方法。


背景技术：

2.激光凭借其单色性、相干性、方向性好和强度高的特点，广泛地应用在各种高科技产品的开发应用中，而激光光束质量是衡量激光性能的重要参数，能够及时地测量出精确的激光光束质量对激光器的设计、制造和使用具有很高的参考价值。目前对激光光束质量进行评价的方法很多，包括bpp参数，m2因子，β因子，斯特列尔比法等，其中bpp参数和m2因子被广泛采用。
3.(1)bpp参数定义为实际激光束的束腰半径ω与其远场发散半角θ之间乘积，即：
4.bpp＝ω
·
θ
5.理想基模高斯光束的bpp参数为：
6.bpp0＝ω0·
θ0＝λ/π
7.其中，ω0为理想基模高斯光束的束腰半径，θ0为理想基模高斯光束的发散半角，λ为入射激光束的波长。
8.对于实际激光束有：
9.bpp≥bpp0＝λ/π
10.实际激光束的bpp参数越大，激光光束质量越差，bpp参数越接近λ/π，激光光束质量越好。
11.(2)m2因子是实际光束的束腰半径ω与其远场发散半角θ之间乘积同理想基模高斯光束束腰半径ω0与远场发散角θ0乘积之比，即：
[0012][0013]
m2因子用于表征实际光束偏离基模高斯光束的程度，m2因子大于等于1。m2因子取值越大时，光束衍射发散越快，质量越差。当m2因子取值越接近于1时，表示待测激光光束越接近基模高斯光束，光束质量越好。
[0014]
从bpp参数和m2因子的计算公式可知，只要测量出入射激光束的束腰半径和远场发散半角，以及知道入射激光束的波长，就可以计算出bpp参数或m2因子。
[0015]
bpp参数和m2因子的激光光束质量分析方法已经较为成熟，包括两点法、三点法、双曲线拟合法等。双曲线拟合法由于是通过测量多点进行双曲线拟合，因而精度较高，但是实现方式复杂，需将激光束经过一个透镜聚焦，利用ccd或cmos相机测量激光束在束腰附近几个位置处光斑尺寸，然后在计算机中进行双曲线的拟合，得到激光束在聚焦点附件的束腰半径以及远远场发散半角，最终计算得到激光的光束质量bpp参数或m2因子。
[0016]
目前市场上已有产品可以对激光光束质量进行较好的评价，但也存在一些问题有待解决。首先相机一次仅能获得一个位置处的光斑图像，而为了测量激光光束质量，需要获
得多点的图像，一是采用手动或电动机械平台连续改变相机(或聚焦透镜)的位置以获得多个位置处的光斑尺寸(见中国发明专利zl201610215402.2、zl201610723333.6)，机械平移台在改变器件位置时，需要时间调整设备，导致无法实时测量出激光光束质量，测量所需的时间长。二是采用多台相机分别测量不同位置处的光斑尺寸(见中国发明专利申请202011231540.2)，但这会使光束质量测量装置结构变复杂，装置成本高。


技术实现要素：

[0017]
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种激光光束质量测量装置及方法，其目的在于解决现有激光光束质量测量装置无法实时测量出激光光束质量，测量时间长，测量装置结构复杂、成本高的技术问题。
[0018]
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种激光光束质量测量装置，包括：道威棱镜、激光聚焦透镜、激光散射介质、第一成像透镜和第一观察相机；
[0019]
所述道威棱镜、激光聚焦透镜和激光散射介质沿入射激光束的光轴依次设置，所述第一成像透镜和第一观察相机沿与所述光轴垂直的方向依次设置，使入射激光束入射到道威棱镜，从道威棱镜出射后经激光聚焦透镜聚焦到激光散射介质中，经散射后，焦点附近的聚焦光束的散射轮廓经第一成像透镜在第一观察相机上成像，通过测量聚焦光束的散射轮廓得到入射激光束的光束质量；所述焦点位于激光散射介质内部。
[0020]
进一步地，所述装置还包括：分光镜、第二成像透镜和第二观察相机；
[0021]
所述分光镜、道威棱镜、激光聚焦透镜和激光散射介质沿光轴依次设置，所述第二成像透镜和第二观察相机沿与所述光轴垂直的方向依次设置；
[0022]
入射激光束被分光镜分成两束，其中，反射激光束经过第二成像透镜在第二观察相机上成像，透射激光束入射到道威棱镜。
[0023]
进一步地，所述装置还包括衰减片，所述衰减片位于所述第二成像透镜和第二观察相机之间。
[0024]
进一步地，反射激光束的功率占入射激光束功率比例不超过1％。
[0025]
进一步地，第二观察相机可以沿反射激光束的光轴移动，以观察聚焦后不同位置的横截面上的激光光强分布。
[0026]
进一步地，所述道威棱镜可以手动或电控绕光轴旋转，带动透射激光束随之绕光轴旋转，且透射激光束绕光轴旋转角度2倍于道威棱镜的旋转角度。
[0027]
进一步地，所述激光散射介质为含有细小灰尘的空气，或由超声雾化器产生的水汽。
[0028]
进一步地，入射激光束的波长范围为340nm-1500nm。
[0029]
进一步地，入射激光束为飞秒、皮秒、纳秒、毫秒脉冲或连续激光。
[0030]
第二方面，本发明提供了一种激光光束质量测量方法，其特征在于，采用如第一方面所述的激光光束质量测量装置得到聚焦光束的散射轮廓，通过聚焦光束束腰前后不同位置处的光斑半径，进行双曲线拟合，得到激光束束腰半径和远场发散半角，从而得到入射激光束的bpp参数或m2因子。
[0031]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0032]
(1)相比于现有技术需要机械平台连续改变相机(或聚焦透镜)的位置以获得多个
位置处的光斑尺寸或采用多台相机分别测量不同位置处的光斑尺寸，本发明不再通过测量光斑尺寸来测量光束质量，而是采用一种新的思路，即通过引入激光散射介质，直接获得聚焦光束的散射轮廓，以此测量光束质量。同时，道威棱镜可绕光轴旋转，透射光束随之绕光轴旋转，从而可在第一观察相机上观察不同方向上的聚焦光束轮廓，即可测量不同方向上光束的光束质量。如此，优化了测量结构，使用了更少的ccd相机，结构简单，成本低；缩短了测量时间，只需一幅图片就可以计算出光束质量，也不需要改变相机位置。
[0033]
(2)本发明通过引入分光镜、第二成像透镜和第二观察相机，可以实现在测量激光光束质量bpp参数或m2因子的同时，观察激光束横截面上的光强分布，测量过程中无需调整ccd相机位置。
[0034]
(3)本发明对主光路的透射光束影响小，可将主光路的透镜光束导入后续的激光加工系统，可以实现在测量激光光束质量bpp参数或m2因子的同时，不对后续的激光加工产生影响。
[0035]
(4)本发明在进行激光光束质量测量时，透射光路中激光光束不会直接射入观察相机，不会对观察相机造成损坏，因此可测激光光束功率范围大。
[0036]
(5)本发明的激光光束质量测量装置整体尺寸紧凑、机械结构简单并便于调整，所需测量时间短，尤其适用于工业上的应用。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例提供的一种激光光束质量测量装置结构图；
[0038]
图2是本发明实施例提供的散射介质内部聚焦光斑束腰附近光束传输局部图；
[0039]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：1为入射激光束，2为反射激光束，3为第二成像透镜，4为第二观察相机，5为分光镜，6为透射激光束，7为道威棱镜，8为经过道威棱镜旋转后的透射激光束，9为激光聚焦透镜，10为激光散射介质，11为聚焦激光束束腰附近局部区域，12为第一成像透镜、13为第一观察相机，14为光轴，111-117为聚焦激光束束腰前后的7个横截面位置。
具体实施方式
[0040]
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。
[0041]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0042]
参阅图1，本发明提供了一种激光光束质量测量装置，包括：分光镜5、第二成像透镜3、第二观察相机4、道威棱镜7、激光聚焦透镜9、激光散射介质10、第一成像透镜12和第一观察相机13。
[0043]
分光镜5前表面镀有部分反射膜(45
°
入射角)，后表面镀有增透膜(45
°
入射角)。从激光光源输出的入射激光束1，入射到分光镜5后，被分光镜5分成二路，一路为反射激光束2，另一路为透射激光束6。其中反射激光束2的功率只占入射激光束1功率的很小一部分，一
般1％左右，反射激光束2光轴垂直于光轴14。反射激光束2用于测量入射激光束1横截面上的光强分布，透射激光束6用于测量入射激光束的bpp参数或m2因子。
[0044]
第二成像透镜3、第二观察相机4在反射激光束2的光轴上。反射激光束2通过第二成像透镜3，成像在第二观察相机4上，经计算机处理后可在显示屏上显示出反射激光束2的横截面上激光的光强分布。如果待测激光光束强度较高，需要在光路中添加衰减片保护第二观察相机4。通过第二观察相机4可以测量出反射激光束2横截面上的光斑强度以及光斑形状，亦即测量出入射激光束1横截面上的光斑强度以及光斑形状。同时，第二观察相机4可沿反射激光束2的光轴移动，观察聚焦后不同位置的横截面上的激光光强分布，以及反射激光束2的聚焦特性。
[0045]
透射激光束6通过道威棱镜7后，再经激光聚焦透镜9聚焦，聚焦焦点位于激光散射介质10内部的聚焦激光束束腰附近局部区域11内。道威棱镜7、激光聚焦透镜9、激光散射介质10的光轴与光轴14重合。
[0046]
第一成像透镜12、第一观察相机13的光轴与光轴14垂直，可对激光散射介质10的聚焦激光束束腰附近局部区域11成像。
[0047]
激光散射介质10可以是含有细小灰尘的空气，也可以是由超声雾化器产生的水汽，当经过道威棱镜旋转后的透射激光束8聚焦到激光散射介质10内部时，有一小部分激光被激光散射介质10散射，其散射光可被第一成像透镜12、第一观察相机13接收，并在第一观察相机13成像，从而聚焦光束的轮廓可以被第一观察相机13记录，从而可测量出聚焦激光束束腰附近前后的几个不同位置(111-117)的横向光斑直径，如图2所示。
[0048]
把111-117位置上的横向光斑直径代入计算机上进行双曲线拟合，计算得到激光束束腰半径和远场发散半角，从而可以得到激光光束的bpp参数或m2因子。
[0049]
道威棱镜7可以手动或电控绕光轴14旋转，带动透射激光束6随之绕光轴14旋转，且根据道威棱镜的特性，透射激光束6绕光轴14旋转角度2倍于道威棱镜7的旋转角度，即道威棱镜7旋转45
°
，透射激光束6旋转90
°
。因此通过旋转道威棱镜7的角度，可快速地在同一位置处测量出x方向和y方向上的光束质量参数bpp或m2因子。
[0050]
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。