激光光束远场发散角测量方法

丁罕 王海娟 樊翔 国家食品药品监督管理局广州医疗器械质量监督检验中心 （广州 510663）

0.引言

光束发散角是指光束宽度或光束直径随着离束腰位置距离的增加而增大的程度。激光的远场发散角是评估激光医疗仪器质量优劣的重要参数。一方面它反映了远距离传输时的发散特性，另一方面它与束腰的乘积则是近年来所广泛讨论的M2参数。应用ISO 11146统一规范法则

M2包含了光束质量的综合特性，较为直观地说明了该光束的可聚焦程度，能够有效评估相关的激光仪器的品质及激光的传输质量。测量M2必须测量远场发散角。激光光束发散角的减小能有效地利用激光能量，使光束达到良好的方向性和高亮度性，降低对系统发射功率和接收灵敏度等方面的要求，达到良好的激光治疗目的。所以，精确测量激光远场发散角有着十分重要的意义。

1. 远场发散角测量方法

过去常规的远场发散角测量方法有套孔法、刀口法等。这些传统方法已沿用多年，传统方法在安置套孔于后焦面时有较大误差。本文从实际测量上提供了三种简单易于操作的测量激光器光束发散角的方法。所介绍的测量方法具有相当的精度，并可使实验装置大大简化，同时，测试方法属一次性测量，具有测量简便，可实时测量等特点，既可用于连续激光测量，又可用于脉冲激光测量。

所提供用于计算激光光束远场发散性的三种方法为：ISO 焦长法 、远场广角法 、远场双点法。在不同的操作条件下每种方法都很有用，其中只有焦长法被认为是与ISO 11146兼容的，但只要使用合理，另外两种方法也是非常精确的。

1.1 焦长法

为克服场地限制及功率计通光口径限制，可以采用焦长法来测量远场发散角。在保证近轴光线条件下，采用一定曲率的透镜将激光束聚焦，这种方法是基于聚焦光束光斑宽度和聚焦光学元件的焦长来计算其发散角。焦长法提供了在光束传输路径的任何点找到远场光束发散角的一种手段。

图1为焦长法测试远场发散角光路图，将被测光束通过一分光棱镜反射一小部分光再经过衰减器后通过一聚焦透镜聚焦。透镜焦距对于使用波长已知，聚焦透镜放置于光路中时，需使其光轴与待测激光光束同轴。将探测CCD相机的测量平面放置在距离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，将CCD在透镜后焦面附近前后移动，直至严格地符合应放置的后焦平面位置为止。并可在连续测量光斑点移动几个位置后取平均值，据此可将CCD准确地安置在透镜后焦平面上，再将光斑调回中心位置进行数据采集。CCD相机所采集到光信号转换为视频信号，输出给图像采集卡而形成光斑的数字图像。通过CCD相机采集进行图像，一方面，可以将CCD准确地放置在透镜后焦面上以减少测量误差，使测量精度上比传统方法有较大提高。另一方面，CCD像元素与远场发散角成一一对应关系，从而可迅速、准确地测出光束任一方向的远场发散角。特别对于矩形光束或其他非圆对称光束，该方法十分有效。

通过测量聚焦元件焦平面上的光束宽度或光束直径，利用光学成像公式，计算出激光器的光束发散角。发散性结果的测量是基于聚焦点光斑大小来进行的，光束发散性结果计算如下：

其中：Wf= 焦长f处的焦斑宽度，

f= 激光波长的成像焦长。

如上所示进行的计算非常简单，但必须非常谨慎地进行光学配置。为了满足特殊应用，应选取合适的聚焦透镜。在保证不引入衍射效应的前提下聚焦元件必须足够大以适应入射光束，也能使用折射聚焦元件，但在其他情形下CCD相机探测器必须精确放置在聚焦透镜的焦点上。

1.2 远场广角法

图1. 焦长法测试远场发散角光路图

远场广角法是假设激光光束从点源开始呈放射状传输。该方法设计用于测量装置远场发散角，如激光二极管，发散角往往很大，其单位最好以角度计量而不是以毫弧度计量。该方法假定了激光输入本质上为点源。测试过程中将CCD相机成像器置于距离光源已知的距离，并保证光束不会覆盖整个成像区域。因为这些光源在一个轴向快速发散，而在另一个轴向发散较慢，所以建议将快速发散轴置于CCD相机成像器的宽轴方向上。

远场广角法对于测量激光二极管的发散角来说是很好的近似。设置CCD相机成像器处于激光光束远场位置，同时仍能包含整个激光光束的轮廓。通常CCD相机成像器会非常接近激光光源，因此CCD相机光敏面板与激光光源之间距离的测量必须以非常高的精度来确定。利用光学成像系统将入射光成像在CCD相机的光敏面板上，此时由CCD相机对成像于光敏面板上的光斑宽度进行数据采集和记录。

通过测量CCD光敏平面上的光束宽度，利用光学成像公式，计算出大角度发散激光器的激光光束远场发散角。光束发散性结果计算如下：

其中： WC = 在位置S处的光束宽度，

S = 光源至CCD成像器之间的距离。

1.3 远场双点法

在小直径激光光束的远场进行测量时，远场双点法能够很精确给出光束发散性。远场双点法适用于小发散角度的光束测量，最适合用毫弧度做发散角的单位。远场双点法基于如下原理：光束在远场区域扩大导致实际测量的激光光束宽度增加。使用远场双点法测量之前，首先要确保光束测量是在远场区域进行，同时与CCD相机的包含能力相比，光束尺寸不会增加太大。发散结果将会沿激光光束轴向的X和Y方向进行计算。

测量发散角使用远场双点法时需要旋转相机使激光轴向沿X轴和Y轴发散。这将消除在确定两个测量点的方向角时不确定性可能造成的任何错误。将CCD相机光敏面板置于光束路径上采集第一个光束宽度。假定第一个测试点是最接近光束束腰的位置，但仍在远场区域，因此具有最小的测量尺寸。接下来移动相机光敏面板远离束腰位置。用精密测距仪器测量出相机移动的距离作为两次测量分开的长度，采集光束宽度并记录测量数值，同时注意CCD相机成像器的位置。在新位置测量出光束宽度并查看基于光束第一个和第二个测量位置的光束宽度的几何膨胀来计算发散性结果。

通过两次测量CCD光敏平面上的光束宽度，利用光学成像公式，计算出激光光束发散性结果如下：

其中： W1 = 第一个测量位置的光束宽度，

WC = 第二个测量位置的光束宽度，

S = 两次测量位置的分开距离。

远场双点法要求在激光光束的两个均为远场的区域测量两次。第一次测量应为较小的光束宽度。相机成像器移动到第二个位置，记录好第一个位置与第二个位置之间的距离和光束宽度。光束发散性正是基于两束光束宽度的相对角度进行计算的。

2.结论

综上所述，本文给出了三种测量激光光束远场发散角的方法，根据测试样品的实际情况选取适当的测量方法，简单易于操作的测量即可确定发散角的大小，不仅适用于连续激光，而且也同样适用于脉冲激光。利用CCD相机对被测激光束进行实时有效的分析，准确测量出激光光束的光斑，通过测量光斑大小来计算所测激光束的远场发散角。经过对实际激光光束发散角检测的验证，所介绍的测试方法能够满足各类激光产品发散角测试的需要。所提供的发散角测试方法能大大地提高激光产品光学性能测试的工作效率，提高测试精度，希望能为生产企业和其他检验机构的检验工作提供一定的借鉴和帮助。同时，所提供的测试方法也可能存在不足和局限性，恳请专家和同行补充和指导。

[1] ISO 11146-1:2005 激光和激光相关设备 激光光束宽度、发散角和光束传输比的试验方法 第1部分：无像散和简单像散光束

[2] ISO 11146-2:2005 激光和激光相关设备 激光光束宽度、发散角和光束传输比的试验方法 第2部分：广义像散光束

[3] GB/T 15313-2008 激光术语

[4] JB/T 6860-1993 测量激光辐射功率能量的探测器、仪器与设备

[5] ISO 13694-2000 光学和光学仪器 激光和激光相关设备 激光束功率(能量)密度分布的试验方法

[6] 黄战华.散斑相关在椭圆高斯光束发散角测量中的应用[J].光学学报,2010年第30卷第10期