光束质量测量装置及远场光束质量因子计算方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于高能激光光束质量测量领域，涉及一种光束质量测量装置及远场光束质量因子计算方法，克服传统的光束质量测量装置体积大，集成度低、使用繁琐等问题以及计算远场光束质量因子β的方法准确性不高的问题。整个测量装置光路由缩束器，分光镜，会聚镜，近场相机和远场相机组成，缩束器实现对大口径入射光束的缩束；分光镜用来对缩束后的光束进行分光，一路分给近场测试光路，通过连接近场相机进行近场波面测试，一路分给远场光路，通过会聚镜会聚后进入到远场相机实现远场光束质量测量。基于衍射环的远场光束质量因子β的计算方法，摒弃了传统的背景滤除和信号提取方法，具有计算速度快，数据稳定性高，抗噪声能力强的特点。

Beam quality measurement device and calculation method of far-field beam quality factor

【技术实现步骤摘要】
光束质量测量装置及远场光束质量因子计算方法
本专利技术属于高能激光光束质量测量领域，涉及一种用于激光光束质量测量的装置，以及远场光束质量因子β的计算方法，该装置采用反射式共望远光路设计，可同时满足光束近场波面测试和远场光束质量测试，在远场光束质量因子测试中，提出了一种基于衍射环的信号提取方法，可获得稳定的β因子测量值。
技术介绍
激光的应用在当前十分广泛，包括医疗、通信、武器等方面的应用，为了保证长距离传输后的能量能够满足使用要求，就需要提高激光能量，但是随着激光能量要求的不断提高，尤其是高能激光器的研制过程中，人们对激光光束本身的传输效率也提出了要求，激光光束质量就是用来评价光束传输效率的指标。光束质量分为近场光波面质量和远场光束质量因子两种，近场光波面质量用于评价激光光束的能量分布均匀性，该指标在激光切割，激光焊接领域使用较多；远场光束质量因子用于评价激光光束的能量集中度，该指标在激光信号传输，激光武器领域使用较多。传统的光束质量测量装置，通常将近场和远场测试光路分别集成在两台设备中，两台设备分别独立的测试，存在体积大，集成度低，使用繁琐等缺点；在远场光束质量因子β测试中，传统的能量占比计算中，总能量计算结果受背景扣除范围以及阈值影响，计算结果具有一定的不确定性，波动性较大，需要通过多次测量取平均值的方法获得真值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光束质量测量装置及远场光束质量因子计算方法，克服传统的光束质量测量装置体积大，集成度低、使用繁琐等问题以及计算远场光束质量因子β的方法准确性不高的问题。本专利技术的技术方案是提供一种光束质量测量装置，其特殊之处在于：包括缩束器、分光镜、会聚镜、近场相机、远场相机与计算机；上述缩束器包括缩束器主镜与缩束器次镜，上述缩束器次镜位于缩束器主镜的反射光路中；上述缩束器主镜与缩束器次镜均为离轴抛物面镜，且缩束器主镜的口径大于缩束器次镜的口径；上述分光镜位于缩束器次镜的反射光路中，用于对缩束器缩束后的光束进行分光；上述近场相机与远场相机分别位于分光镜的两路出射光路中，上述会聚镜位于分光镜与远场相机之间；上述计算机包括存储器与处理器，上述存储器中存储计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现以下过程：1)通过远场相机采集到的弥散斑图片，得到远场相机上能量分布灰度信息，对弥散斑进行质心提取得到质心坐标；2)根据下述公式计算衍射环半径r0：其中λ为当前测试波长，Γ为缩束器放大倍率，f为会聚镜焦距，Φ0为入射能量柱最大直径；3)根据弗朗禾费圆孔衍射光强分布图，经计算可得到包含第二级衍射亮环的坐标半径r2＝3.238r0，包含第三级衍射亮环的坐标半径为r3＝4.228r0；4)如果相机动态范围小于设定值，(常规相机的动态范围位数为8～14位，这个并无严格定义，相机随着发展位数可以做的越来越高，该设定值可以根据实际应用定义，如可按工程应用中，将低于10位归于小动态范围)，选取第二级衍射亮环作为能量计算基准，则以弥散斑质心坐标为圆心，r2为半径，画圆，将整个圆区域的灰度信息积分求和得到能量E2，则总能量约为E总＝E2/0.9377；如果相机动态范围大于设定值，选取第三级衍射亮环作为计算基准，则以弥散斑质心坐标为原心，r3为半径，画圆，将整个圆区域的灰度信息积分求和得到能量E3，则总能量约为E总＝E3/0.9523；5)得到总能量后，以弥散斑质心坐标为原心，往外画圆，边画圆边计算圆内灰度总和，待灰度总和为0.84倍的总能量时，停止画圆，定义此时圆半径为R；6)通过如下公式计算远场光束质量因子β：其中λ为当前测试波长，Γ为缩束器放大倍率，f为会聚镜焦距，Φ0为入射能量柱最大直径。进一步地，缩束器放大倍率Γ满足：Γ≥Φ0/Φ1；其中Φ1为近场相机有效口径。进一步地，会聚镜参数需满足如下不等式：d≥Φ1其中，d为会聚镜的有效口径，f为会聚镜的焦距，p为远场相机像元尺寸。本专利技术还提供一种远场光束质量因子计算方法，包括以下步骤：1)采集远场相机的弥散斑图片，得到远场相机上能量分布灰度信息，对弥散斑进行质心提取得到质心坐标；2)根据下述公式计算衍射环半径r0：其中λ为当前测试波长，Γ为缩束器放大倍率，f为会聚镜焦距，Φ0为入射能量柱最大直径；3)根据弗朗禾费圆孔衍射光强分布图，经计算可得到包含第二级衍射亮环的坐标半径r2＝3.238r0，包含第三级衍射亮环的坐标半径为r3＝4.228r0；4)如果相机动态范围小于设定值，选取第二级衍射亮环作为能量计算基准，则以弥散斑质心坐标为圆心，r2为半径，画圆，将整个圆区域的灰度信息积分求和得到能量E2，则总能量约为E总＝E2/0.9377；如果相机动态范围大于设定值，选取第三级衍射亮环作为计算基准，则以弥散斑质心坐标为原心，r3为半径，画圆，将整个圆区域的灰度信息积分求和得到能量E3，则总能量约为E总＝E3/0.9523；5)得到总能量后，以弥散斑质心坐标为原心，往外画圆，边画圆边计算圆内灰度总和，待灰度总和为0.84倍的总能量时，停止画圆，定义此时圆半径为R；6)通过如下公式计算远场光束质量因子β：其中λ为当前测试波长，Γ为缩束器放大倍率，f为会聚镜焦距，Φ0为入射能量柱最大直径。本专利技术的有益效果是：本专利技术包括测试装置的设计和测量算法的优化，对于光束质量测试装置而言，本专利技术采用反射式共望远光路，可同时完成激光远近场光束质量的测量，集成度高，使用便捷，同时望远系统采用反射式光路设计，具有波长普适性和大口径加工的可靠性，其测量谱段宽，测试口径广；基于衍射环的远场光束质量因子β的计算方法，摒弃了传统的背景滤除和信号提取方法，具有计算速度快，数据稳定性高，抗噪声能力强的特点。附图说明图1为本专利技术光束质量测量装置原理图；图2为圆孔衍射能量分布图；图中附图标记为：1-缩束器主镜，2-缩束器次镜，3-分光镜，4-会聚镜，5-近场相机，6-远场相机。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步地描述。本专利技术设计了一套反射式共望远光路作为激光光束质量测量主光路，可同时完成近场光波面测量和远场光束质量因子测量，系统光路图如图1所示，整个光路由缩束器，分光镜3，会聚镜4，近场相机5和远场相机6组成，其中，反射式望远系统指的是图1中的缩束器主镜1与缩束器次镜2组成的望远系统，该系统采用开普勒望远系统形式实现，由两块离轴抛物面镜组成，可实现对大口径入射光束的缩束；分光镜3用来对缩束后的光束进行分光，一路分给近场测试光路，通过连接近场相机5进行近场波面测试，一路分给远场光路，通过会聚镜4会聚后进入到远场相机6实现远场光束质量测量。整个望远系统的放大倍率由入射光口径和近场相机像面尺寸决定，由于缩束器主次镜均采用反射镜实现，没有色偏差，可适用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光束质量测量装置，其特征在于：包括缩束器、分光镜、会聚镜、近场相机、远场相机与计算机；/n所述缩束器包括缩束器主镜与缩束器次镜，所述缩束器次镜位于缩束器主镜的反射光路中；所述缩束器主镜与缩束器次镜均为离轴抛物面镜，且缩束器主镜的口径大于缩束器次镜的口径；/n所述分光镜位于缩束器次镜的反射光路中，用于对缩束器缩束后的光束进行分光；/n所述近场相机与远场相机分别位于分光镜的两路出射光路中，所述会聚镜位于分光镜与远场相机之间；/n所述计算机包括存储器与处理器，所述存储器中存储计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现以下过程：/n1)通过远场相机采集到的弥散斑图片，得到远场相机上能量分布灰度信息，对弥散斑进行质心提取得到质心坐标；/n2)根据下述公式计算衍射环半径r

【技术特征摘要】
1.一种光束质量测量装置，其特征在于：包括缩束器、分光镜、会聚镜、近场相机、远场相机与计算机；
所述缩束器包括缩束器主镜与缩束器次镜，所述缩束器次镜位于缩束器主镜的反射光路中；所述缩束器主镜与缩束器次镜均为离轴抛物面镜，且缩束器主镜的口径大于缩束器次镜的口径；
所述分光镜位于缩束器次镜的反射光路中，用于对缩束器缩束后的光束进行分光；
所述近场相机与远场相机分别位于分光镜的两路出射光路中，所述会聚镜位于分光镜与远场相机之间；
所述计算机包括存储器与处理器，所述存储器中存储计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现以下过程：
1)通过远场相机采集到的弥散斑图片，得到远场相机上能量分布灰度信息，对弥散斑进行质心提取得到质心坐标；
2)根据下述公式计算衍射环半径r0：



其中λ为当前测试波长，Γ为缩束器放大倍率，f为会聚镜焦距，Φ0为入射能量柱最大直径；
3)根据弗朗禾费圆孔衍射光强分布图，经计算可得到包含第二级衍射亮环的坐标半径r2＝3.238r0，包含第三级衍射亮环的坐标半径为r3＝4.228r0；
4)如果相机动态范围小于设定值，选取第二级衍射亮环作为能量计算基准，则以弥散斑质心坐标为圆心，r2为半径，画圆，将整个圆区域的灰度信息积分求和得到能量E2，则总能量约为E总＝E2/0.9377；
如果相机动态范围大于设定值，选取第三级衍射亮环作为计算基准，则以弥散斑质心坐标为原心，r3为半径，画圆，将整个圆区域的灰度信息积分求和得到能量E3，则总能量约为E总＝E3/0.9523；
5)得到总能量后，以弥散斑质心坐标为原心，往外画圆，边画圆边计算圆内灰度总和，待灰度总和为0.84倍的总能量时，停止画圆，定义此时圆半径为R；
6)通过如下公式计算远场光束质量因子β：



其中λ为当前测试波长，Γ为缩束...

【专利技术属性】
技术研发人员：李朝辉，赵建科，徐亮，刘峰，张玺斌，毛振，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61