一种激光束形参数简便测试方法

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(1.西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021;2.西安工业大学 陕西省光电测试与仪器重点实验室, 陕西 西安 710021;3.西安中科飞图光电科技有限公司, 陕西 西安 710119)

引 言

随着激光在各个行业和研究中的广泛应用,激光和其相关的产业进入高速发展期,引发很多技术领域变革,带动相关产业跨越式发展。在这些应用中,激光器作为高精度测试装置中的主要设备,其设计和加工精度,输出参数的准确度,设计值的偏差程度,工作期间的稳定性等,将直接传递到被测参数量值的测量过程中,也直接影响被测参数测量的不准确度。因此,在以激光作为测试光源的高精度测试装置中,激光器实际输出的束形参数值与其标称值的偏离,会直接传递并影响到后续测试结果的准确度,而如何测定激光器的输出的束形参数在近年来引起了人们的广泛关注[1]。通常使用干涉测试法以实现激光束形参数的高精度测量,但干涉测试方法过程复杂且易受环境影响,同时测量装置造价高昂。目前已经商品化的基于衍射波面剪切干涉术的SID4波前探测器可快速准确地实现激光光束质量评价,即获得M2质量因子[2]等评价参数。由于SID4高昂的价格,因而限制了其推广使用。如何用一种简单便捷的测试方法来评价激光器发出激光光束质量,已经成为激光技术研究中的热点问题[3]。本文提出了一种在满足较高精度的要求下实现激光束形参数测量的简便方法,此方法可以方便地获得远场发散角[4]、束腰半径[5]和M2质量因子等评价参数[6-8],有较高的实用价值。

1 测试理论及方法

1988年,Siegman[9]将基于实际光束的空间和空间频率谱的二阶矩表示的束宽积定义为光束质量因子M2,其较合理地描述了激光束质量,并为国际标准化组织1991年的ISO/TC172/SC9/WG1标准草案采纳[10]。M2因子定义为

(1)

M2质量因子的测量方法主要有三种:两点法,三点法和多点法[11]。两点法和三点法需要找到束腰位置并测量其宽度,再测出距离束腰一定距离的束宽,便可由下式得到M2因子

M2=πw0θ/4λ

(2)

式中:w0为实际束腰宽度;θ为远场发散角;λ为波长。但是实际测量中,很难准确测量束腰位置和束腰宽度[3]。而多点法为激光光束束宽随坐标轴按双曲线规律向外扩展,可以采取在多个位置z处测量激光束宽。由多组数据拟合出该双曲线的系数,从而得到有关参数。激光束宽的双曲拟合公式[12]为

w2=Cz2+Bz+A

(3)

由测量的多组数据经过双曲线拟合求出系数A,B,C,再分别求得光束的束腰位置、束腰半径、远场发散角和M2因子为

本文通过CCD传感器对激光光束参数进行测量,其主要优点[13]有光谱响应宽,稳定性好,操作容易,可测量单色光和复合光的光斑,能及时获得二维扫描结果。CCD传感器测量激光束宽是在不同位置z处采集激光光斑信息,通过软件编程处理计算出不同z处的激光束宽。根据多点法对测得的离散激光束宽采用双曲线拟合,求出束腰半径,远场发散角和M2质量因子等参数。

2 激光束形参数测试装置及实验

测试装置及组成如图1所示,主要包括被测激光器(633 nm He-Ne激光器)、测量系统、计算机系统和数据处理软件。

图1 测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

如图1所示,被测激光器发射的激光光束经过衰减器,被CCD传感器接收,由图像采集卡将光斑图像转化为数字信号,通过计算机对图像信号进行处理,得到测量结果。在数据处理中,通过预处理消除背景噪声,再利用合理的图像采集系统得到激光光束输出光斑,处理该图片的数字矩阵得到描述该光斑光强分布的曲线(灰度曲线),进一步通过曲线拟合、滤波去噪、边缘检测等方法处理图像失真,还原激光光斑的原始光强分布。通过光强分布曲线计算出不同位置z处激光束宽,从而根据多点法对测得的离散激光束宽采用双曲线拟合,求出束腰位置、束腰半径、远场发散角和M2质量因子等参数。

根据测试理论及方法的讨论,测量实验采用CCD传感器测量激光束宽,在不同位置z处采集激光光斑信息,通过数据处理软件计算出不同位置z处的激光束宽。软件首先对激光光斑图像进行预处理,根据1/e2定义计算能量1/e2处的数值,再分割出能量1/e2处所对应的图像,最后计算出不同位置z处的激光束宽,图像处理结果如图2所示。

图2 图像处理结果图Fig.2 Result of image processing

测量时,为了使测量结果准确,激光器需预热1 h,使输出的光束达到稳定。之后通过数据处理计算激光束宽,激光束宽的测量结果如表1所示。

根据式(3)对测量的激光束宽进行曲线拟合,得到的拟合曲线如图3所示。

所求的曲线系数结果分别为: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 激光束宽测量结果Tab.1 Measurement results of laser beam width mm

由式(4)、(5)和(6)可计算出束腰位置、束腰半径和远场发散角分别为: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。

图3 激光光束束宽曲线拟合图Fig.3 Curve fit of laser beam width

光束参数方向简便测试结果SID4测试结果偏差M2因子x4．043．950．09y3．673．560．11束腰半径/mmx0．750．85-0．10y0．700．73-0．03远场发散角/mradx4．344．210．13y4．254．220．03

3 测试结果验证

为了验证测量装置的合理性及结果的可靠性,本文采用法国Phasics 公司的SID4波前探测器作为标准对同一He-Ne激光器进行测量。验证实验通过将被测激光光束经过一个ZYGO标准平晶多次反射后,将其能量衰减至原光束能量的0.15%,以达到实验要求。由于ZYGO标准平晶的表面面形及平行度都非常理想,所以可认为 ZYGO平晶对激光光束的影响可以忽略,通过SID4测得的数据即为被测激光光束波前信息。He-Ne激光器波前测试结果如图4所示,激光束形参数SID4测试结果如表2所示。

将本文提出的激光束形参数简便测试方法得到的M2因子、束腰半径和远场发散角与商品化的SID4波前探测器得到的激光束形参数测量结果进行比较,结果如表2所示。

图4 He-Ne激光器波前测试结果Fig.4 Result of image processing

由表2可以得出本文提出的简便测试方法与SID4波前探测器得到测量结果有一定的偏差。本方案的测量误差一方面来源于测量装置中的衰减器,衰减器会将其自身缺陷引入被测激光束中从而引起测量误差;另一方面主要是由于不同位置z处激光束宽的计算误差会直接造成M2因子、束腰半径和远场发散角的偏差从而产生测量误差。

4 结 论

由验证实验结果可以看出,本文提出的基于多点法的激光束形参数简便测试方法可以在满足较高精度的要求下获得远场发散角、束腰半径和M2质量因子等评价参数,并且测量误差较小,具有很好的经济性。实现了以一种简单便捷的测试方法来评价激光光束质量评价的目的,有较高的实用价值。

参考文献:

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