大功率激光光束參數(shù)的測量方法

1、電子激光光JOURNALOFOPTOELECTRONICSLASERVol.11No.4Aug.文章編號:100520086(2000)0420372203第11卷第4期2000年8月2000大功率激光光束參數(shù)的測量方法雷訇,李強,左鐵釧(北京工業(yè)大學,國家產學研激光技術中心,北京100022)摘要:密度分布測量,并給出了計算光束位置、束寬、光束參數(shù)的數(shù)學處理方法。關鍵詞:大功率激光;中圖分類號:eatMethodofHigh-powerLaserBeamParametersLEIHong,LIQiang,ZUOTie2chuan(BeijingPolytechnicUniversity,Be

2、ijing100022,China)Abstract:Byusingthehigh2powerlaserbeamanalyzerwearedeveloping,thehigh2powerlaserbeamin2tensitydistributioncanbemeasured.Andthelaserbeamparametersalsocanbeacquired,includingbeamposition,beamwidth,focusposition,focuswidth,beamdivergence,focaldepthandthebeamquali2tyfactorM2.Keywords:h

3、igh2powerlaser;laserbeamqualityanalyzer;laserbeamparameters1引言隨著大功率激光加工技術成功地應用于機械、電子、航空、汽車和造船等各行各業(yè),許多科研機構積極開展大功率激光束的光束參數(shù)測量的研究,現(xiàn)有商品化的測量儀器,但由于其特殊的光束特性和很高的功率密度,許多測量系統(tǒng)在使用上都有一定的局限性。我們正在研制的大功率激光光束光斑質量診斷系統(tǒng),目標是能夠對聚焦光斑進行測量,并作出光束、光斑質量的評估。檢測1。當探針垂直于光束轉動時,小孔就劃出一條剖面線,隨著整個探針支架的平移,就能劃出一系列剖面線來,從而探測到光束橫截面上的光強分布,如圖2所

4、示。探針的主要作用是在探測處進行能量采樣,并由內部通道把它引導至與轉軸中心相對靜止的探測器上。探針按照一定的要求進行設計和制作,可使得探針的傳輸性能和光束的偏振、入射方向等特性無關,即T=P0 Pi為常量。其中Pi為在采樣點處的入射功率;P0為出射功率。對不同探針,傳輸率是不同的,但這不影響對光束參數(shù)的測量,因為測得的是相對值。探測器所得信號再經增益調節(jié)、高速A D轉換及數(shù)據(jù)緩存,通過在采樣系統(tǒng)和計算機間建立的雙向實時通訊,計算機快速的計算和處理,最后給出相關光束參數(shù)的數(shù)值結果和橫截面功率密度分布的直觀圖形顯示。2診斷儀工作原理此診斷系統(tǒng)是基于空心探針對大功率激光光束光斑進行直接的測量,其結構

5、如圖1所示。該方法借助一個轉動的、能傳輸激光束的空心針而起作用,空心針一端的側表面上開有一小孔,由小孔進入的激光束通過內空腔被引導至轉軸上,由此處的探測器進行收稿日期:1999207224修訂日期:19992102203基金項目:國防科工委重點予研資助項目第4期雷訇等:大功率激光光束參數(shù)的測量方法373式可轉換為=xy=I(i,j)×xI(i,j)I(i,j)×yI(i,j)(3)圖1探針結構示意圖Fig.1Diagramofthemeasuringneedlestructure置穩(wěn)定性,。3.2,如1 功率密度e定義、(ISO)的定義2,3。x和y方向上的束寬分別為dx=

6、4xdy=4y光束橫截面上的強度分布的二階矩為圖2探針掃描光束橫截面Fig.2Beamprofilescannedbythemeasuringneedle(4)3光束參數(shù)的計算對測得的數(shù)據(jù)采用相應的數(shù)學處理方法可以計算出相關的光束參數(shù),如功率密度分布、光束位置、光束半徑等;通過光軸上的多點測量,可得到焦點位置和焦斑大小、發(fā)散角、焦深及光束質量因子;根據(jù)功率密度分布,可以得到光斑形狀,進一步分析出大致的模結構;通過光束位置的確定和重復多次測量,可檢測激光器的穩(wěn)定性。3.1功率密度分布由于探針的傳輸性能和光束特性無關,探測器在工作波段范圍內輸入輸出是線形關系,故功率密度值為(1)I(i,j)=K1

7、×M(i,j)+K2其中,M(i,j)為在(i、j)處的測試儀測得值;K1、K2為定標系數(shù)。3.2光束位置光束的位置可用光束強度分布的一階矩表示,即xI(x,y)dxdyI(x,y)dxdyyI(x,y)dxdyy=I(x,y)dxdyI(x,y)(x-x)dxdy=I(x,y)dxdyI(x,y)(y-y)dxdy=I(x,y)dxdyxy(5)在實際測量中,可表示為dx=4I(i,j)×(x-x)I(i,j)y)dy=4I(i,j)×(y-I(i,j)(6)對高斯基模TEM00,二階矩定義的束寬與采用強度降為最大強度的1 e定義的束寬是一致的。采用該方法定義的

8、束寬對高空間頻率的干擾很敏感,實際的測量過程總存在一定的基底噪音,所以對測量窗口大小的選取及基底噪音的去除要認真研究。另一種實用的方法是選取合適的等強線來分割功率密度分布曲面,切割平面選擇應使切割的光束區(qū)內包含有總功率的86.5。此時,計算切割平面的定義方程為(7)Prc=(1-e-2)P=0.865P式中,Prc為光束半徑內的功率;P為總功率。光束的位置可用該光束面的重心來表示,重心的位置(xc,yc)由此光束面上的所有測量點的值按下式x=(2)確定:xc=在實際測量過程中,由于測量點是離散的點,所以(2)xIInnn374光電子激光2000年第11卷yc=式中xn、yn和In分別表示在86

9、.5%功率面上第n個測量點的坐標和強度測量值。光束的半徑(圓形分布)為rc=yIInnn均功率密度定義方法。當光束橫截面的平均功率密度(8)降為腰斑的平均功率密度的一半時,該橫截面和焦平面之間的距離的兩倍定義為焦深,此時光束的截面積(12)和(13)式,可確定是焦斑面積的兩倍。根據(jù)(11)、焦深為Zf=-2CC2In×(xn-xc)+(yn-2yc)2平均功率密度的計算采用圓柱形分布來近似,強度在光束截面上不變,這時I=2rc形、,因為。3.4焦點位置和焦斑大小在激光加工過程中,尤其是對飛行光束的加工系統(tǒng),由于熱透鏡效應的影響,經常出現(xiàn)焦點位置漂移的現(xiàn)象,給實際的加工質量帶來很大的影

10、響,所以在激光加工過程中必須能夠確定經過聚焦系統(tǒng)后聚焦光斑的實際位置。由于該光束光斑質量診斷儀可對聚焦光斑的能量密度分布進行測量,因此可以實現(xiàn)這個目的。通過在光軸不同位置處測量,這時每處都將得到一個束寬值,然后采用雙曲線擬合的方法就可確定焦點位置和焦斑大小。雙曲線擬合公式為(11)d2(z)=A+Bz+Cz2確定雙曲線的系數(shù)A、B和C后,焦點的位置z0和焦斑寬度d0為z0=-d0=2CA-4C2In(9)(15)3.7(M2,也稱衍射極,M2就成為通常。M2定義為實束腰寬度和遠場發(fā)散角之積的比值,可以證明M221,對基模高斯光束M2=1。M值越大,則光束質量越差。光束通過理想無象差和無窮大孔徑

11、光學系統(tǒng)時M是一個不變量,即經過聚焦之后光束的束腰寬度和遠場發(fā)散角乘積是不變的,而基模高斯光束的束腰寬度和遠場發(fā)散角之積為4 ,所以被測光束的M2為M=22=4 24 (16)4結束語利用大功率激光光束光斑質量診斷儀,實現(xiàn)了大功率激光光束橫截面的功率密度分布的測量,并進一步得到了相關的光束參數(shù)。通過對光束特性的了解,反過來對激光器、傳輸系統(tǒng)及聚焦系統(tǒng)等的研制水平的進一步提高也會起到積極的促進作用。參考文獻:1ARose,YXNie,RGupta.Laserbeamprofilemea2surementbyphotothermaldeflectiontechniqueJ.Appl.Opt,1986,25(11):173821740.(12)3.5遠場發(fā)散角2AESiegman.王世孝,譯.應用空間頻率和強度矩量分析激光光束傳播與光束質量公式J.激光集錦.1992,2(2):36243,2(4):34244.3陸治國.激光束空間質量評價J.激光雜志,1995,16(2):53258.4陳哲,等.高功率激光束光束質量的數(shù)值評價方法J.光電子激光,1998,9(5):3772380.作者