一種激光束形參數(shù)簡(jiǎn)便測(cè)試方法

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(1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院, 陜西 西安 710021;2.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省光電測(cè)試與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710021;3.西安中科飛圖光電科技有限公司, 陜西 西安 710119)

引 言

隨著激光在各個(gè)行業(yè)和研究中的廣泛應(yīng)用,激光和其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期,引發(fā)很多技術(shù)領(lǐng)域變革,帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。在這些應(yīng)用中,激光器作為高精度測(cè)試裝置中的主要設(shè)備,其設(shè)計(jì)和加工精度,輸出參數(shù)的準(zhǔn)確度,設(shè)計(jì)值的偏差程度,工作期間的穩(wěn)定性等,將直接傳遞到被測(cè)參數(shù)量值的測(cè)量過(guò)程中,也直接影響被測(cè)參數(shù)測(cè)量的不準(zhǔn)確度。因此,在以激光作為測(cè)試光源的高精度測(cè)試裝置中,激光器實(shí)際輸出的束形參數(shù)值與其標(biāo)稱值的偏離,會(huì)直接傳遞并影響到后續(xù)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度,而如何測(cè)定激光器的輸出的束形參數(shù)在近年來(lái)引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。通常使用干涉測(cè)試法以實(shí)現(xiàn)激光束形參數(shù)的高精度測(cè)量,但干涉測(cè)試方法過(guò)程復(fù)雜且易受環(huán)境影響,同時(shí)測(cè)量裝置造價(jià)高昂。目前已經(jīng)商品化的基于衍射波面剪切干涉術(shù)的SID4波前探測(cè)器可快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià),即獲得M2質(zhì)量因子[2]等評(píng)價(jià)參數(shù)。由于SID4高昂的價(jià)格,因而限制了其推廣使用。如何用一種簡(jiǎn)單便捷的測(cè)試方法來(lái)評(píng)價(jià)激光器發(fā)出激光光束質(zhì)量,已經(jīng)成為激光技術(shù)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題[3]。本文提出了一種在滿足較高精度的要求下實(shí)現(xiàn)激光束形參數(shù)測(cè)量的簡(jiǎn)便方法,此方法可以方便地獲得遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角[4]、束腰半徑[5]和M2質(zhì)量因子等評(píng)價(jià)參數(shù)[6-8],有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 測(cè)試?yán)碚摷胺椒?/h2>

1988年,Siegman[9]將基于實(shí)際光束的空間和空間頻率譜的二階矩表示的束寬積定義為光束質(zhì)量因子M2,其較合理地描述了激光束質(zhì)量,并為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織1991年的ISO/TC172/SC9/WG1標(biāo)準(zhǔn)草案采納[10]。M2因子定義為

(1)

M2質(zhì)量因子的測(cè)量方法主要有三種:兩點(diǎn)法,三點(diǎn)法和多點(diǎn)法[11]。兩點(diǎn)法和三點(diǎn)法需要找到束腰位置并測(cè)量其寬度,再測(cè)出距離束腰一定距離的束寬,便可由下式得到M2因子

M2=πw0θ/4λ

(2)

式中:w0為實(shí)際束腰寬度;θ為遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角;λ為波長(zhǎng)。但是實(shí)際測(cè)量中,很難準(zhǔn)確測(cè)量束腰位置和束腰寬度[3]。而多點(diǎn)法為激光光束束寬隨坐標(biāo)軸按雙曲線規(guī)律向外擴(kuò)展,可以采取在多個(gè)位置z處測(cè)量激光束寬。由多組數(shù)據(jù)擬合出該雙曲線的系數(shù),從而得到有關(guān)參數(shù)。激光束寬的雙曲擬合公式[12]為

w2=Cz2+Bz+A

(3)

由測(cè)量的多組數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)雙曲線擬合求出系數(shù)A,B,C,再分別求得光束的束腰位置、束腰半徑、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角和M2因子為

本文通過(guò)CCD傳感器對(duì)激光光束參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,其主要優(yōu)點(diǎn)[13]有光譜響應(yīng)寬,穩(wěn)定性好,操作容易,可測(cè)量單色光和復(fù)合光的光斑,能及時(shí)獲得二維掃描結(jié)果。CCD傳感器測(cè)量激光束寬是在不同位置z處采集激光光斑信息,通過(guò)軟件編程處理計(jì)算出不同z處的激光束寬。根據(jù)多點(diǎn)法對(duì)測(cè)得的離散激光束寬采用雙曲線擬合,求出束腰半徑,遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角和M2質(zhì)量因子等參數(shù)。

2 激光束形參數(shù)測(cè)試裝置及實(shí)驗(yàn)

測(cè)試裝置及組成如圖1所示,主要包括被測(cè)激光器(633 nm He-Ne激光器)、測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件。

圖1 測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

如圖1所示,被測(cè)激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)過(guò)衰減器,被CCD傳感器接收,由圖像采集卡將光斑圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理,得到測(cè)量結(jié)果。在數(shù)據(jù)處理中,通過(guò)預(yù)處理消除背景噪聲,再利用合理的圖像采集系統(tǒng)得到激光光束輸出光斑,處理該圖片的數(shù)字矩陣得到描述該光斑光強(qiáng)分布的曲線(灰度曲線),進(jìn)一步通過(guò)曲線擬合、濾波去噪、邊緣檢測(cè)等方法處理圖像失真,還原激光光斑的原始光強(qiáng)分布。通過(guò)光強(qiáng)分布曲線計(jì)算出不同位置z處激光束寬,從而根據(jù)多點(diǎn)法對(duì)測(cè)得的離散激光束寬采用雙曲線擬合,求出束腰位置、束腰半徑、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角和M2質(zhì)量因子等參數(shù)。

根據(jù)測(cè)試?yán)碚摷胺椒ǖ挠懻?測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用CCD傳感器測(cè)量激光束寬,在不同位置z處采集激光光斑信息,通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算出不同位置z處的激光束寬。軟件首先對(duì)激光光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理,根據(jù)1/e2定義計(jì)算能量1/e2處的數(shù)值,再分割出能量1/e2處所對(duì)應(yīng)的圖像,最后計(jì)算出不同位置z處的激光束寬,圖像處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 圖像處理結(jié)果圖Fig.2 Result of image processing

測(cè)量時(shí),為了使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,激光器需預(yù)熱1 h,使輸出的光束達(dá)到穩(wěn)定。之后通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算激光束寬,激光束寬的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)式(3)對(duì)測(cè)量的激光束寬進(jìn)行曲線擬合,得到的擬合曲線如圖3所示。

所求的曲線系數(shù)結(jié)果分別為:Cx=1.883 6×10-5,Bx=-2.05×10-2,Ax=6.154 4,Cy=1.804 6×10-5,By=-1.97×10-2,Ay=5.878 6。

表1 激光束寬測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of laser beam width mm

由式(4)、(5)和(6)可計(jì)算出束腰位置、束腰半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角分別為:zx=544.89 mm,w0x=0.749 6 mm,θx=4.340 mrad,zy=546.76 mm,w0y=0.695 6 mm,θy=4.248 mrad。

圖3 激光光束束寬曲線擬合圖Fig.3 Curve fit of laser beam width

光束參數(shù)方向簡(jiǎn)便測(cè)試結(jié)果SID4測(cè)試結(jié)果偏差M2因子x4．043．950．09y3．673．560．11束腰半徑/mmx0．750．85-0．10y0．700．73-0．03遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角/mradx4．344．210．13y4．254．220．03

3 測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)量裝置的合理性及結(jié)果的可靠性,本文采用法國(guó)Phasics 公司的SID4波前探測(cè)器作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同一He-Ne激光器進(jìn)行測(cè)量。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)通過(guò)將被測(cè)激光光束經(jīng)過(guò)一個(gè)ZYGO標(biāo)準(zhǔn)平晶多次反射后,將其能量衰減至原光束能量的0.15%,以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。由于ZYGO標(biāo)準(zhǔn)平晶的表面面形及平行度都非常理想,所以可認(rèn)為 ZYGO平晶對(duì)激光光束的影響可以忽略,通過(guò)SID4測(cè)得的數(shù)據(jù)即為被測(cè)激光光束波前信息。He-Ne激光器波前測(cè)試結(jié)果如圖4所示,激光束形參數(shù)SID4測(cè)試結(jié)果如表2所示。

將本文提出的激光束形參數(shù)簡(jiǎn)便測(cè)試方法得到的M2因子、束腰半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角與商品化的SID4波前探測(cè)器得到的激光束形參數(shù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示。

圖4 He-Ne激光器波前測(cè)試結(jié)果Fig.4 Result of image processing

由表2可以得出本文提出的簡(jiǎn)便測(cè)試方法與SID4波前探測(cè)器得到測(cè)量結(jié)果有一定的偏差。本方案的測(cè)量誤差一方面來(lái)源于測(cè)量裝置中的衰減器,衰減器會(huì)將其自身缺陷引入被測(cè)激光束中從而引起測(cè)量誤差;另一方面主要是由于不同位置z處激光束寬的計(jì)算誤差會(huì)直接造成M2因子、束腰半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的偏差從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。

4 結(jié) 論

由驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,本文提出的基于多點(diǎn)法的激光束形參數(shù)簡(jiǎn)便測(cè)試方法可以在滿足較高精度的要求下獲得遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、束腰半徑和M2質(zhì)量因子等評(píng)價(jià)參數(shù),并且測(cè)量誤差較小,具有很好的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)現(xiàn)了以一種簡(jiǎn)單便捷的測(cè)試方法來(lái)評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)的目的,有較高的實(shí)用價(jià)值。

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