激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角測(cè)量方法

丁罕 王海娟 樊翔 國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局廣州醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 （廣州 510663）

0.引言

光束發(fā)散角是指光束寬度或光束直徑隨著離束腰位置距離的增加而增大的程度。激光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角是評(píng)估激光醫(yī)療儀器質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要參數(shù)。一方面它反映了遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的發(fā)散特性，另一方面它與束腰的乘積則是近年來所廣泛討論的M2參數(shù)。應(yīng)用ISO 11146統(tǒng)一規(guī)范法則

M2包含了光束質(zhì)量的綜合特性，較為直觀地說明了該光束的可聚焦程度，能夠有效評(píng)估相關(guān)的激光儀器的品質(zhì)及激光的傳輸質(zhì)量。測(cè)量M2必須測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。激光光束發(fā)散角的減小能有效地利用激光能量，使光束達(dá)到良好的方向性和高亮度性，降低對(duì)系統(tǒng)發(fā)射功率和接收靈敏度等方面的要求，達(dá)到良好的激光治療目的。所以，精確測(cè)量激光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角有著十分重要的意義。

1. 遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角測(cè)量方法

過去常規(guī)的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角測(cè)量方法有套孔法、刀口法等。這些傳統(tǒng)方法已沿用多年，傳統(tǒng)方法在安置套孔于后焦面時(shí)有較大誤差。本文從實(shí)際測(cè)量上提供了三種簡(jiǎn)單易于操作的測(cè)量激光器光束發(fā)散角的方法。所介紹的測(cè)量方法具有相當(dāng)?shù)木?，并可使?shí)驗(yàn)裝置大大簡(jiǎn)化，同時(shí)，測(cè)試方法屬一次性測(cè)量，具有測(cè)量簡(jiǎn)便，可實(shí)時(shí)測(cè)量等特點(diǎn)，既可用于連續(xù)激光測(cè)量，又可用于脈沖激光測(cè)量。

所提供用于計(jì)算激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散性的三種方法為：ISO 焦長(zhǎng)法 、遠(yuǎn)場(chǎng)廣角法 、遠(yuǎn)場(chǎng)雙點(diǎn)法。在不同的操作條件下每種方法都很有用，其中只有焦長(zhǎng)法被認(rèn)為是與ISO 11146兼容的，但只要使用合理，另外兩種方法也是非常精確的。

1.1 焦長(zhǎng)法

為克服場(chǎng)地限制及功率計(jì)通光口徑限制，可以采用焦長(zhǎng)法來測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。在保證近軸光線條件下，采用一定曲率的透鏡將激光束聚焦，這種方法是基于聚焦光束光斑寬度和聚焦光學(xué)元件的焦長(zhǎng)來計(jì)算其發(fā)散角。焦長(zhǎng)法提供了在光束傳輸路徑的任何點(diǎn)找到遠(yuǎn)場(chǎng)光束發(fā)散角的一種手段。

圖1為焦長(zhǎng)法測(cè)試遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角光路圖，將被測(cè)光束通過一分光棱鏡反射一小部分光再經(jīng)過衰減器后通過一聚焦透鏡聚焦。透鏡焦距對(duì)于使用波長(zhǎng)已知，聚焦透鏡放置于光路中時(shí)，需使其光軸與待測(cè)激光光束同軸。將探測(cè)CCD相機(jī)的測(cè)量平面放置在距離聚焦元件后主平面一倍焦距f的位置上。聚焦成像于CCD的光敏面板上，將CCD在透鏡后焦面附近前后移動(dòng)，直至嚴(yán)格地符合應(yīng)放置的后焦平面位置為止。并可在連續(xù)測(cè)量光斑點(diǎn)移動(dòng)幾個(gè)位置后取平均值，據(jù)此可將CCD準(zhǔn)確地安置在透鏡后焦平面上，再將光斑調(diào)回中心位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。CCD相機(jī)所采集到光信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，輸出給圖像采集卡而形成光斑的數(shù)字圖像。通過CCD相機(jī)采集進(jìn)行圖像，一方面，可以將CCD準(zhǔn)確地放置在透鏡后焦面上以減少測(cè)量誤差，使測(cè)量精度上比傳統(tǒng)方法有較大提高。另一方面，CCD像元素與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而可迅速、準(zhǔn)確地測(cè)出光束任一方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。特別對(duì)于矩形光束或其他非圓對(duì)稱光束，該方法十分有效。

通過測(cè)量聚焦元件焦平面上的光束寬度或光束直徑，利用光學(xué)成像公式，計(jì)算出激光器的光束發(fā)散角。發(fā)散性結(jié)果的測(cè)量是基于聚焦點(diǎn)光斑大小來進(jìn)行的，光束發(fā)散性結(jié)果計(jì)算如下：

其中：Wf= 焦長(zhǎng)f處的焦斑寬度，

f= 激光波長(zhǎng)的成像焦長(zhǎng)。

如上所示進(jìn)行的計(jì)算非常簡(jiǎn)單，但必須非常謹(jǐn)慎地進(jìn)行光學(xué)配置。為了滿足特殊應(yīng)用，應(yīng)選取合適的聚焦透鏡。在保證不引入衍射效應(yīng)的前提下聚焦元件必須足夠大以適應(yīng)入射光束，也能使用折射聚焦元件，但在其他情形下CCD相機(jī)探測(cè)器必須精確放置在聚焦透鏡的焦點(diǎn)上。

1.2 遠(yuǎn)場(chǎng)廣角法

圖1. 焦長(zhǎng)法測(cè)試遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角光路圖

遠(yuǎn)場(chǎng)廣角法是假設(shè)激光光束從點(diǎn)源開始呈放射狀傳輸。該方法設(shè)計(jì)用于測(cè)量裝置遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，如激光二極管，發(fā)散角往往很大，其單位最好以角度計(jì)量而不是以毫弧度計(jì)量。該方法假定了激光輸入本質(zhì)上為點(diǎn)源。測(cè)試過程中將CCD相機(jī)成像器置于距離光源已知的距離，并保證光束不會(huì)覆蓋整個(gè)成像區(qū)域。因?yàn)檫@些光源在一個(gè)軸向快速發(fā)散，而在另一個(gè)軸向發(fā)散較慢，所以建議將快速發(fā)散軸置于CCD相機(jī)成像器的寬軸方向上。

遠(yuǎn)場(chǎng)廣角法對(duì)于測(cè)量激光二極管的發(fā)散角來說是很好的近似。設(shè)置CCD相機(jī)成像器處于激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)位置，同時(shí)仍能包含整個(gè)激光光束的輪廓。通常CCD相機(jī)成像器會(huì)非常接近激光光源，因此CCD相機(jī)光敏面板與激光光源之間距離的測(cè)量必須以非常高的精度來確定。利用光學(xué)成像系統(tǒng)將入射光成像在CCD相機(jī)的光敏面板上，此時(shí)由CCD相機(jī)對(duì)成像于光敏面板上的光斑寬度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄。

通過測(cè)量CCD光敏平面上的光束寬度，利用光學(xué)成像公式，計(jì)算出大角度發(fā)散激光器的激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。光束發(fā)散性結(jié)果計(jì)算如下：

其中： WC = 在位置S處的光束寬度，

S = 光源至CCD成像器之間的距離。

1.3 遠(yuǎn)場(chǎng)雙點(diǎn)法

在小直徑激光光束的遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)雙點(diǎn)法能夠很精確給出光束發(fā)散性。遠(yuǎn)場(chǎng)雙點(diǎn)法適用于小發(fā)散角度的光束測(cè)量，最適合用毫弧度做發(fā)散角的單位。遠(yuǎn)場(chǎng)雙點(diǎn)法基于如下原理：光束在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域擴(kuò)大導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的激光光束寬度增加。使用遠(yuǎn)場(chǎng)雙點(diǎn)法測(cè)量之前，首先要確保光束測(cè)量是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行，同時(shí)與CCD相機(jī)的包含能力相比，光束尺寸不會(huì)增加太大。發(fā)散結(jié)果將會(huì)沿激光光束軸向的X和Y方向進(jìn)行計(jì)算。

測(cè)量發(fā)散角使用遠(yuǎn)場(chǎng)雙點(diǎn)法時(shí)需要旋轉(zhuǎn)相機(jī)使激光軸向沿X軸和Y軸發(fā)散。這將消除在確定兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的方向角時(shí)不確定性可能造成的任何錯(cuò)誤。將CCD相機(jī)光敏面板置于光束路徑上采集第一個(gè)光束寬度。假定第一個(gè)測(cè)試點(diǎn)是最接近光束束腰的位置，但仍在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，因此具有最小的測(cè)量尺寸。接下來移動(dòng)相機(jī)光敏面板遠(yuǎn)離束腰位置。用精密測(cè)距儀器測(cè)量出相機(jī)移動(dòng)的距離作為兩次測(cè)量分開的長(zhǎng)度，采集光束寬度并記錄測(cè)量數(shù)值，同時(shí)注意CCD相機(jī)成像器的位置。在新位置測(cè)量出光束寬度并查看基于光束第一個(gè)和第二個(gè)測(cè)量位置的光束寬度的幾何膨脹來計(jì)算發(fā)散性結(jié)果。

通過兩次測(cè)量CCD光敏平面上的光束寬度，利用光學(xué)成像公式，計(jì)算出激光光束發(fā)散性結(jié)果如下：

其中： W1 = 第一個(gè)測(cè)量位置的光束寬度，

WC = 第二個(gè)測(cè)量位置的光束寬度，

S = 兩次測(cè)量位置的分開距離。

遠(yuǎn)場(chǎng)雙點(diǎn)法要求在激光光束的兩個(gè)均為遠(yuǎn)場(chǎng)的區(qū)域測(cè)量?jī)纱?。第一次測(cè)量應(yīng)為較小的光束寬度。相機(jī)成像器移動(dòng)到第二個(gè)位置，記錄好第一個(gè)位置與第二個(gè)位置之間的距離和光束寬度。光束發(fā)散性正是基于兩束光束寬度的相對(duì)角度進(jìn)行計(jì)算的。

2.結(jié)論

綜上所述，本文給出了三種測(cè)量激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的方法，根據(jù)測(cè)試樣品的實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法，簡(jiǎn)單易于操作的測(cè)量即可確定發(fā)散角的大小，不僅適用于連續(xù)激光，而且也同樣適用于脈沖激光。利用CCD相機(jī)對(duì)被測(cè)激光束進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的分析，準(zhǔn)確測(cè)量出激光光束的光斑，通過測(cè)量光斑大小來計(jì)算所測(cè)激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。經(jīng)過對(duì)實(shí)際激光光束發(fā)散角檢測(cè)的驗(yàn)證，所介紹的測(cè)試方法能夠滿足各類激光產(chǎn)品發(fā)散角測(cè)試的需要。所提供的發(fā)散角測(cè)試方法能大大地提高激光產(chǎn)品光學(xué)性能測(cè)試的工作效率，提高測(cè)試精度，希望能為生產(chǎn)企業(yè)和其他檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)工作提供一定的借鑒和幫助。同時(shí)，所提供的測(cè)試方法也可能存在不足和局限性，懇請(qǐng)專家和同行補(bǔ)充和指導(dǎo)。

[1] ISO 11146-1:2005 激光和激光相關(guān)設(shè)備 激光光束寬度、發(fā)散角和光束傳輸比的試驗(yàn)方法 第1部分：無像散和簡(jiǎn)單像散光束

[2] ISO 11146-2:2005 激光和激光相關(guān)設(shè)備 激光光束寬度、發(fā)散角和光束傳輸比的試驗(yàn)方法 第2部分：廣義像散光束

[3] GB/T 15313-2008 激光術(shù)語

[4] JB/T 6860-1993 測(cè)量激光輻射功率能量的探測(cè)器、儀器與設(shè)備

[5] ISO 13694-2000 光學(xué)和光學(xué)儀器 激光和激光相關(guān)設(shè)備 激光束功率(能量)密度分布的試驗(yàn)方法

[6] 黃戰(zhàn)華.散斑相關(guān)在橢圓高斯光束發(fā)散角測(cè)量中的應(yīng)用[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2010年第30卷第10期