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(1.西安工業(yè)大學 光電工程學院, 陜西 西安 710021;2.西安工業(yè)大學 陜西省光電測試與儀器重點實驗室, 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)進入高速發(fā)展期,引發(fā)很多技術(shù)領(lǐng)域變革,帶動相關(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試裝置中的主要設(shè)備,其設(shè)計和加工精度,輸出參數(shù)的準確度,設(shè)計值的偏差程度,工作期間的穩(wěn)定性等,將直接傳遞到被測參數(shù)量值的測量過程中,也直接影響被測參數(shù)測量的不準確度。因此,在以激光作為測試光源的高精度測試裝置中,激光器實際輸出的束形參數(shù)值與其標稱值的偏離,會直接傳遞并影響到后續(xù)測試結(jié)果的準確度,而如何測定激光器的輸出的束形參數(shù)在近年來引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。通常使用干涉測試法以實現(xiàn)激光束形參數(shù)的高精度測量,但干涉測試方法過程復雜且易受環(huán)境影響,同時測量裝置造價高昂。目前已經(jīng)商品化的基于衍射波面剪切干涉術(shù)的SID4波前探測器可快速準確地實現(xiàn)激光光束質(zhì)量評價,即獲得M2質(zhì)量因子[2]等評價參數(shù)。由于SID4高昂的價格,因而限制了其推廣使用。如何用一種簡單便捷的測試方法來評價激光器發(fā)出激光光束質(zhì)量,已經(jīng)成為激光技術(shù)研究中的熱點問題[3]。本文提出了一種在滿足較高精度的要求下實現(xiàn)激光束形參數(shù)測量的簡便方法,此方法可以方便地獲得遠場發(fā)散角[4]、束腰半徑[5]和M2質(zhì)量因子等評價參數(shù)[6-8],有較高的實用價值。

1 測試理論及方法

1988年,Siegman[9]將基于實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,并為國際標準化組織1991年的ISO/TC172/SC9/WG1標準草案采納[10]。M2因子定義為

(1)

M2質(zhì)量因子的測量方法主要有三種:兩點法,三點法和多點法[11]。兩點法和三點法需要找到束腰位置并測量其寬度,再測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為實際束腰寬度;θ為遠場發(fā)散角;λ為波長。但是實際測量中,很難準確測量束腰位置和束腰寬度[3]。而多點法為激光光束束寬隨坐標軸按雙曲線規(guī)律向外擴展,可以采取在多個位置z處測量激光束寬。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)

由測量的多組數(shù)據(jù)經(jīng)過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、遠場發(fā)散角和M2因子為

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

2 激光束形參數(shù)測試裝置及實驗

測試裝置及組成如圖1所示,主要包括被測激光器(633 nm He-Ne激光器)、測量系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件。

圖1 測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

如圖1所示,被測激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)過衰減器,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,通過計算機對圖像信號進行處理,得到測量結(jié)果。在數(shù)據(jù)處理中,通過預處理消除背景噪聲,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分布的曲線(灰度曲線),進一步通過曲線擬合、濾波去噪、邊緣檢測等方法處理圖像失真,還原激光光斑的原始光強分布。通過光強分布曲線計算出不同位置z處激光束寬,從而根據(jù)多點法對測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、遠場發(fā)散角和M2質(zhì)量因子等參數(shù)。

根據(jù)測試理論及方法的討論,測量實驗采用CCD傳感器測量激光束寬,在不同位置z處采集激光光斑信息,通過數(shù)據(jù)處理軟件計算出不同位置z處的激光束寬。軟件首先對激光光斑圖像進行預處理,根據(jù)1/e2定義計算能量1/e2處的數(shù)值,再分割出能量1/e2處所對應(yīng)的圖像,最后計算出不同位置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

測量時,為了使測量結(jié)果準確,激光器需預熱1 h,使輸出的光束達到穩(wěn)定。之后通過數(shù)據(jù)處理計算激光束寬,激光束寬的測量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)式(3)對測量的激光束寬進行曲線擬合,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 激光束寬測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of laser beam width mm

由式(4)、(5)和(6)可計算出束腰位置、束腰半徑和遠場發(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)方向簡便測試結(jié)果SID4測試結(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遠場發(fā)散角/mradx4．344．210．13y4．254．220．03

3 測試結(jié)果驗證

為了驗證測量裝置的合理性及結(jié)果的可靠性,本文采用法國Phasics 公司的SID4波前探測器作為標準對同一He-Ne激光器進行測量。驗證實驗通過將被測激光光束經(jīng)過一個ZYGO標準平晶多次反射后,將其能量衰減至原光束能量的0.15%,以達到實驗要求。由于ZYGO標準平晶的表面面形及平行度都非常理想,所以可認為 ZYGO平晶對激光光束的影響可以忽略,通過SID4測得的數(shù)據(jù)即為被測激光光束波前信息。He-Ne激光器波前測試結(jié)果如圖4所示,激光束形參數(shù)SID4測試結(jié)果如表2所示。

將本文提出的激光束形參數(shù)簡便測試方法得到的M2因子、束腰半徑和遠場發(fā)散角與商品化的SID4波前探測器得到的激光束形參數(shù)測量結(jié)果進行比較,結(jié)果如表2所示。

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

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

4 結(jié) 論

由驗證實驗結(jié)果可以看出,本文提出的基于多點法的激光束形參數(shù)簡便測試方法可以在滿足較高精度的要求下獲得遠場發(fā)散角、束腰半徑和M2質(zhì)量因子等評價參數(shù),并且測量誤差較小,具有很好的經(jīng)濟性。實現(xiàn)了以一種簡單便捷的測試方法來評價激光光束質(zhì)量評價的目的,有較高的實用價值。

參考文獻:

[1] 賈少春.激光光束質(zhì)量評價參數(shù)測量技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學,2011.

[2] ISO-Norm,Document ISO/TC 172/SC 9 WG 1,Test method for width,divergence and radiation characteristic factor of laser beam[S].1991.

[3] 楊煥雄,趙道木,陸璇輝,等.關(guān)于光束質(zhì)量因子M2的幾點看法[J].中國激光,1997,24(8):709-714.

[4] 公彬彬.激光光束發(fā)散角測量[D].長春:長春理工大學,2009.

[5] 馮國英,周壽桓.激光光束質(zhì)量綜合評價的探討[J].中國激光,2009,36(7):1643-1653.

[6] 曹一磊,高春清.基于面陣CCD的激光光束參數(shù)測量系統(tǒng)精度分析[J].光學技術(shù),2004,30(5):583-586.

[7] PENG Y J,Lü B D.Second-order moments matrix andM2factor of optical beams[J].Laser Technology,2004,28(6):648-651.

[8] 陳虹,王旭葆.制造用高功率激光器光束質(zhì)量的評價與測量[J].光學 精密工程,2011,19(2):297-303.

[9] SIEGMAN A E.How to(maybe) measure laser beam quality[C]∥Diode pumped solid state lasers:applications and issues 1998.Washington D C:Optical Society of America,1998.

[10] Lasers and laser-related equipment-test methods for laser beam widths,divergence angles and beam propagation ratios-part 1:stigmatic and simple astigmatic beams[S].ISO 11146-1-2005.

[11] International Organization for Standardization.ISO/TC 172/SC9/WG1 N80,Terminology and test methods[S].1995.

[12] 黃林昊,廖學兵,趙海燕,等.利用光束質(zhì)量分析儀測量M2因子[J].紅外與激光工程,2012,41(8):2197-2200.

[13] 熊雪霜.激光束參數(shù)和光束質(zhì)量測量系統(tǒng)[D].長春:吉林大學,2007.