糜宸坤, 楊朝輝,, 劉宏欣, 王 飛

(1.蘇州市計量測試院，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州大學(xué) 物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

1 引 言

隨著激光產(chǎn)業(yè)鏈日益完善,人們越來越關(guān)注激光產(chǎn)品生產(chǎn)制造中的質(zhì)量控制[1,2]。對于激光產(chǎn)品而言,光束寬度無疑是一個重要的參數(shù),它影響著光束發(fā)散角以及光束傳播的M2因子等重要空域參數(shù)[3～5]。目前對光束寬度的定義主要有1/n(常用的n值有e2、e和2等,分別表示光強為最大光強的1/e2、1/e和1/2處的光束寬度)、環(huán)圍功率、二階矩以及高斯束寬等定義[6,7]。ISO標準創(chuàng)建的二階矩定義目前已達成普遍共識,此標準中X或Y軸光束寬度被定義為X軸或Y軸橫向強度空間分布標準偏差的4倍。目前主要利用激光光斑分析儀(beam profile analyzer, BPA)測量光束寬度,在此基礎(chǔ)上,做好光束寬度量值溯源工作是十分必要且重要的。

目前光束寬度量值溯源主要通過比對法進行,即用標準器和被校設(shè)備測量同一激光束得到示值誤差。此方法已被大多計量校準機構(gòu)或企業(yè)所認可。但是此類比對法存在如下缺點:每臺激光器在同一位置只能提供一個光束寬度校準值,導(dǎo)致使用者無法了解設(shè)備線性情況,目前常用的解決辦法是通過改變測量位置或在光路上增加聚焦透鏡,獲得不同的標準值進行校準。但當被校設(shè)備量很多,或使用者希望了解設(shè)備測量不同光束寬度的示值誤差時,通常每校準一個參數(shù)就需要重新測一遍標準值,增加了校準人員工作量。另外,激光器輸出的不穩(wěn)定性以及環(huán)境擾動會導(dǎo)致光束寬度的測量結(jié)果不確定度的增加。

本文設(shè)計了一套激光光束寬度可調(diào)的裝置(以下簡稱裝置),可以在同一位置輸出穩(wěn)定的、束寬連續(xù)可調(diào)的激光光束。裝置核心是利用空間光調(diào)制器(spatial light modulator, SLM)進行光束整形[8～11],獲得不同寬度的光束;裝置降低輸入激光光束空間相干性得到部分相干光束[12,13],利用部分相干光束抗大氣湍流和環(huán)境擾動的特性[14～16],從光束性質(zhì)上入手減少環(huán)境擾動對測量結(jié)果的影響。

2 裝置構(gòu)成和理論基礎(chǔ)

2.1 裝置構(gòu)成

激光光束寬度調(diào)節(jié)裝置組成由圖1所示。

圖1 激光光束寬度調(diào)節(jié)裝置示意圖Fig.1 Diagram of laser beam width adjustment device

圖1中一束激光通過擴束鏡BE后被透鏡L1匯聚到旋轉(zhuǎn)的毛玻璃RGGD表面,旋轉(zhuǎn)毛玻璃位于光路后一透鏡L2的前焦面,被打散的光束通過透鏡L2后變?yōu)槠矫娌ㄍ渡涞椒瓷涫絊LM(調(diào)制波段400～700 nm)上,通過改變參數(shù),SLM上加載如圖2所示的不同寬度的高斯光柵圖樣(圖中高斯包絡(luò)寬度比為1:2:4),得到的光束經(jīng)過分束鏡BS所處的4f(f為焦距)成像系統(tǒng)成像到位于L4后焦面(光源面)的BPA就可測量到如圖3所示不同寬度的部分相干高斯光束(經(jīng)過理論計算得到的光束寬度比為1:2:4)。該光束依舊保留著完全相干激光方向性高、單色性好等優(yōu)點,還可以降低其散斑效應(yīng)。

圖2 SLM上加載的不同光束寬度的高斯光柵圖樣Fig.2 Gaussian grating patterns with different beam widths loaded on SLM

圖3 裝置在光源面得到對應(yīng)圖2高斯光柵的光強模擬圖Fig.3 The device obtains the light intensity simulation diagram corresponding to the Gaussian grating in Figure 2 on the light source surface

2.2 理論基礎(chǔ)

在時空域,不考慮偏振特性的部分相干光束的統(tǒng)計特性由互相干函數(shù)(mutual coherence function, MCF)表示為

J0(r1,r2)=〈E*(r1)E(r2)〉

(1)

式中:E表示電場在垂直于傳輸軸的方向上的波動;r1和r2是光源面的橫向矢量位置;矢量角括號“〈〉”表示系綜平均。

部分相干光束的傳統(tǒng)相關(guān)函數(shù)是高斯謝爾模型(Gaussian-Schell model, GSM)函數(shù),在文獻[8,9]的理論分析和實驗中都進行了詳細研究。GSM的MCF表示為

J0(r1,r2)=G0A(r1,r2)μ(r1,r2)

(2)

式中:G0為常數(shù);函數(shù)A(r1,r2)和μ(r1,r2)分別表示該光束的強度分布和相干度分布,

(3)

(4)

式中:σ0表示生成的GSM的光束寬度;δ0表示光束的相干長度。

在許多實際應(yīng)用中,光束傳播因子M2是被視為光束質(zhì)量因子的光束的重要特性。Siegman A首先引入了相干光束傳播因子的定義[17],Gori F等給出了部分相干光束傳播系數(shù)的定義[18]。自由空間中,GSM光束的M2因子表示為

(5)

對于一個激光束,若將其看成完全相干,則δ0=∞,即M2=1,代表一個最佳的完全相干的高斯光束的傳輸因子,然而實際上,由于激光輸出的相干長度不可能為無限大,相干激光光束的M2因子總是大于1。圖4給出了光束傳輸因子隨相干長度變化的關(guān)系(σ0=1 mm),容易得出在相干長度逐漸變小的很長一段范圍內(nèi),部分相干GSM光束的光束質(zhì)量因子不會增大很多,這表示了部分相干GSM光束保留著完全相干激光的特點。

圖4 光束傳輸因子和相干長度的關(guān)系Fig.4 Relationship between beam propagation factor and coherent length

3 實驗與結(jié)果分析

本工作的核心為空間光調(diào)制器,通過改變公式(2)即MCF的表達式,可以修改加載在SLM上的光柵圖樣,這使得裝置本身可以在任意方向(可單一方向)、連續(xù)地改變光束寬度。實驗中,裝置輸出圓形高斯光束,并定義光束寬度的方向為入射光束實驗室坐標方向。

在此光束寬度方向定義的基礎(chǔ)上,利用溯源至中國計量科學(xué)研究院(NIM)的上級計量器具激光光斑分析儀BPA(型號:BGS-USB3-LT665),測量結(jié)果相對標準不確定度Urel=3%(k=2)。監(jiān)測該裝置的可調(diào)節(jié)性、短期穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性,得到表1～表3所示的測量結(jié)果;裝置的光束整形能力如圖5～圖6所示(裝置上所用激光器和參考激光器為同一激光器)。

表1 裝置可調(diào)節(jié)性Tab.1 Adjustability of the device mm

圖5 利用BPA拍得光源面生成的光束Fig.5 The beam generated by the light source surface is captured by BPA

圖6 不規(guī)則光斑經(jīng)過裝置輸出后的光強分布Fig.6 Light intensity distribution of irregular light spot after output by the device

表1中X和Y表示SLM上加載的高斯光柵的橫向和縱向光束寬度;x和y表示BPA測得裝置生成的光束橫向和縱向的寬度;穩(wěn)定性η表示為

(6)

表1作為該裝置的校準數(shù)據(jù),給出了激光光束寬度調(diào)節(jié)裝置可調(diào)節(jié)性,通過改變程序中的寬度參數(shù)即可調(diào)節(jié)加載到SLM上的高斯光柵的寬度,該裝置可在光源面生成對應(yīng)寬度的高斯光束,如圖4所示,激光光束波長為633 nm,光束寬度比為1:2:4。

表2和表3分別給出了激光光束寬度調(diào)節(jié)裝置和參考激光器光源短期和長期穩(wěn)定性的比較,參考激光器的短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性分別為96.8%和96.3%。當參考激光器作為光源經(jīng)該裝置調(diào)制后,短期穩(wěn)定性達99.5%,長期穩(wěn)定性達99.1%。

表2 裝置與參考激光器短期穩(wěn)定性Tab.2 Short-term stability of device and reference laser

表3 裝置與參考激光器6 h長期穩(wěn)定性Tab.3 Long-term stability of device and reference laser in 6 h

圖5是利用BPA拍得光源面生成的光束,展現(xiàn)了該裝置的光束整形能力,參考激光器輸入線型光束,經(jīng)過該裝置后輸出了圓形光束。

圖6為不規(guī)則光斑經(jīng)過裝置輸出后的光強分布。

表4給出了本裝置的溯源信息。

表4 激光光束寬度調(diào)節(jié)裝置的溯源表Tab.4 Traceability table of laser beam width adjustment device

4 結(jié) 論

以空間光調(diào)制器為核心構(gòu)建的一套激光光束寬度調(diào)節(jié)裝置,該裝置具有輸出光束寬度連續(xù)可調(diào)性,生成的部分相干激光光束,并未因其空間相干性的降低損失光束質(zhì)量。有著更好的輸出穩(wěn)定性,其短期穩(wěn)定性由96.8%提高到99.5%;長期穩(wěn)定性由96.3%提高到99.1%,抗環(huán)境擾動能力較強。該裝置具有較強的光束整形能力,適用于大部分400～700 nm激光光源?？梢宰鳛樾恃b置使用。