一种脉冲激光光束质量同步测量系统及其同步控制方法

摘要

本发明公开了一种脉冲激光光束质量同步测量系统，包括光斑测试光路和时钟同步控制模块；光斑测试光路包括直线导轨、两片分束镜、反射镜、聚焦镜、激光衰减器和两个CCD；第一个分束镜将入射激光分为两束，一束进入快速响应光电探测器，对其时域信息进行测量；另一束进入测试光路。衰减器对入射激光进行适当的衰减，聚焦镜实现束腰重造，另一分束镜将光束分为相互垂直的两束并分别入射到两个CCD中进行光斑测量；其中一个CCD测量固定位置光斑大小，另一个CCD通过导轨的运动确定束腰位置，并测量束腰大小；通过这三个量的测量可以获得经重造束腰后的高斯光束解析式，再经透镜变换，得到入射高斯光束的光束质量参数。

说明书

技术领域

本发明属于脉冲激光光束质量测试领域，更具体地，涉及一种脉冲激 光光束质量同步测量系统及方法。

背景技术

随着激光技术在工业、科研领域越来越广泛的应用，激光光束质量测 试技术的重要性日益凸显，使得激光光束质量测试设备的需求也随之增长。 国内外越来越多的科研机构和厂商也展开了对激光光束质量测试系统的研 究开发。目前市场上已有不少技术成熟的商用化激光光束质量测量仪器， 这些光束质量测量仪器主要实现对连续或脉冲激光的宏观束腰宽度、M2和 远场发散角等光束质量指标的准确测量。

然而，随着激光技术应用的不断深入，业界对激光光束质量，特别是 脉冲激光的测量提出了更高的要求。为了进一步研究激光加工过程中，光 与物质相互作用的物理机理，必须明确单个脉冲的光束质量和脉冲激光束 的稳定性。而目前市场上成熟的光束质量测量仪器无法实现对脉冲激光的 单个脉冲的光束质量指标的测量，即无法检测脉冲激光光束质量的稳定性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种脉冲激光光束质量 同步测量系统及方法，旨在解决现有技术无法实现对脉冲激光的单个脉冲 的光束质量指标的测量，无法检测脉冲激光光束质量的稳定性的问题。

本发明提供了一种脉冲激光光束质量同步测量系统，用于通过激光脉 冲与CCD响应时钟的同步实现单脉冲光束质量测试，包括光斑测试光路和 时钟同步控制模块；所述光斑测试光路包括：直线导轨运动臂、直线导轨、 反射镜以及依次设置在入射激光光路上的第一分束镜、衰减系统、聚焦镜 和第二分束镜；所述直线导轨水平设置，所述直线导轨运动臂与所述直线 导轨垂直设置，所述第二分束镜和所述反射镜分别固定在所述直线导轨运 动臂的两端，且所述第二分束镜与入射激光成45度角，所述反射镜与所述 第二分束镜相互垂直，且所述反射镜和所述第二分束镜随着所述直线导轨 运动臂整体移动；所述时钟同步控制模块包括：第一CCD相机、第二CCD 相机、光电探测器和控制器；所述光电探测器的输入端用于接收经所述第 一分束镜分束后的垂直光束；所述光电探测器的输出端与所述第一CCD相 机和第二CCD相机连接，输出用于触发所述第一CCD相机和第二CCD相 机电子快门的电脉冲信号；所述第一CCD相机用于采集经过反射镜输出的 光束；所述第二CCD相机用于采集经过第二分束镜分束后的水平光束；所 述第一CCD相机和第二CCD相机的输出端将各自测得的光斑尺寸信息输 出到控制器；所述直线导轨在所述控制器的控制下往复运动，改变了所述 第一CCD相机与所述聚焦镜之间的光程，获得光束的束腰位置和束腰大小， 并结合所述第二CCD相机测得的固定位置光斑大小获得入射高斯光束的光 束质量参数。

更进一步地，其特征在于，工作时，待测脉冲激光光束经第一分束镜 分为相互垂直的两束，垂直的一束通过光电探测器转换为电脉冲信号并触 发第一CCD相机和第二CCD相机的电子快门；水平的一束先经衰减系统 将脉冲能量衰减至微焦量级，再通过聚焦镜完成束腰的重造，再通过第二 分束镜分为功率相等的两束，水平的一束直接进入第二CCD相机，测量固 定位置的光斑大小，垂直的一束经45度反射镜反射后进入第一CCD相机， 通过直线导轨的往复运动来改变第一CCD相机到聚焦镜之间的光程来确定 光束的束腰位置和束腰大小；根据第一CCD相机测得的束腰位置和束腰直 径以及第二CCD相机测得的固定位置光斑大小获得入射高斯光束的光束质 量参数。

更进一步地，所述第二分束镜为50：50分束镜。

更进一步地，所述第一分束镜为1：99分束镜，经所述第一分束镜分 束后，入射光束功率1％的光束向垂直方向反射进入光电探测器，入射光束 功率99％的光束透射进入衰减系统。

更进一步地，所述光束质量参数包括束腰半径、远场发散角、光束参 数积和光束质量因子；所述束腰半径根据公式获得；所述远场 发散角根据公式获得；所述光束参数积根据公 式获得；所述光束质量因子根据公式 获得；其中，f为聚焦镜的像方焦距，z为聚 焦镜到激光器输出端的距离，A为第一CCD相机测得的束腰半径，B为第 二CCD相机测得的光斑半径，C为第一CCD相机捕捉到束腰时与第二CCD 相机的光程差。

本发明还提供了一种脉冲激光光束质量同步测量方法，包括下述步骤：

将待测脉冲激光光束分为相互垂直的两束，垂直的一束光转换为用于 控制第一CCD相机和第二CCD相机的电脉冲信号；

将水平的一束光的脉冲能量衰减至微焦量级后被聚焦，再分为功率相 等的两束，水平的一束直接被第二CCD相机采集，用于测量固定位置的光 斑大小，垂直的一束经45度反射后被第一CCD相机采集；

通过控制直线导轨的往复运动来改变第一CCD相机到聚焦镜之间的光 程，获得光束的束腰位置和束腰大小；

根据第一CCD相机测得的束腰位置和束腰直径以及第二CCD相机测 得的固定位置光斑大小获得入射高斯光束的光束质量参数。

更进一步地，在一次测量过程中，先将采样的光脉冲信号转换为电脉 冲信号，并以此触发第一CCD相机和第二CCD相机的电子快门，使得第 一CCD相机和第二CCD相机在一次积分时间内只捕获一个激光脉冲，从 而实现单脉冲光束质量测量。

本发明还提供了一种基于上述的脉冲激光光束质量同步测量系统的同 步控制方法，包括下述步骤：在一次测量过程中，通过光电探测器将光脉 冲信号转换为电脉冲信号，并采用所述电脉冲信号触发两个CCD相机的电 子快门，使得两个CCD相机在一次积分时间内只捕获一个激光脉冲，从而 实现单脉冲光束质量测量。

本发明还提供了一种基于上述的脉冲激光光束质量同步测量系统的同 步控制方法，包括下述步骤：在一次测量过程中，第一CCD相机发出与其 电子快门同步的脉冲信号分别触发第二CCD相机和待测激光器，实现两个 CCD的快门与激光脉冲同步，从而实现单脉冲光束质量测量，这种触发方 式可以在待测激光器具备外触发接口的条件下实施。

本发明还提供了一种基于上述的脉冲激光光束质量同步测量系统的同 步控制方法，包括下述步骤：在一次测量过程中，利用控制器产生的时钟 信号，同步控制激光器和两个CCD相机的电子快门，保证两个CCD相机 在一次积分时间内只捕获一个激光脉冲，从而实现单脉冲光束质量测量， 这种触发方式可以在待测激光器具备外触发接口的条件下实施。

本发明中，脉冲激光通过第一个分束镜分为两束，一束进入快速响应 光电探测器，对其时域信息进行测量；另一束进入测试光路。衰减器对入 射激光进行适当的衰减，聚焦镜实现束腰重造，另一分束镜将光束分为相 互垂直的两束并分别入射到两个CCD中进行光斑测量；其中一个CCD测 量固定位置光斑大小，另一个CCD通过导轨的运动确定束腰位置，并测量 束腰大小；通过这三个量的测量可以获得经重造束腰后的高斯光束解析式， 再经透镜变换，得到入射高斯光束的光束质量参数。可以实现对脉冲激光 的单个脉冲的光束质量指标的测量，可以检测脉冲激光光束质量的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的脉冲激光光束质量同步测量系统的结构示 意图；

图2是本发明实施例提供的脉冲激光光束质量同步测量系统电气连接 示意图；

其中，1为第一分束镜，2为衰减系统，3为聚焦镜，4为第二分束镜， 5为直线导轨运动臂，6为第二CCD相机，7为直线导轨，8为光电探测器， 9为第一CCD相机，10为反射镜，11为控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的脉冲激光光束质量同步测量系统是激光行业进行单脉冲 光束质量测量的精密系统；通过保证激光脉冲与CCD时钟信号的同步来实 现单脉冲的各项光束质量指标的准确测量。

图1示出了本发明实施例提供的脉冲激光光束质量同步测量系统的结 构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

脉冲激光光束质量同步测量系统包括光斑测试光路和时钟同步控制模 块，能够利用激光脉冲与CCD响应时钟的同步，实现单脉冲光束质量测试。 其中，测试光路包括第一分束镜1、第二分束镜4、衰减系统2、聚焦镜3、 直线导轨7、第一CCD相机9、第二CCD相机6和反射镜10。第一分束镜 1、衰减系统2、聚焦镜3、第一CCD相机9和第二CCD相机6的位置保 持固定。衰减系统2可以根据要求采用多级衰减结构。第二分束镜4和反 射镜10分别固定在直线导轨7的运动臂的两端，第二分束镜4与入射激光 成45度角，反射镜10与第二分束镜4相互垂直，二者随着运动臂整体移 动。

时钟同步控制模块包括上述的第一CCD相机9、第二CCD相机6和 光电探测器8，光电探测器8完成激光脉冲的光电转换，并触发相机快门。

控制器11可以通过专门的信号线与直线导轨7和两个CCD相机连接。

待测脉冲激光光束首先经第一分束镜1分为相互垂直的两束，垂直的 一束通过光电探测器8转换为电脉冲信号触发第一CCD相机9和第二CCD 相机6的电子快门；水平的一束先经衰减系统2将脉冲能量衰减至微焦量 级，目的是避免CCD的饱和，再通过聚焦镜3完成束腰的重造，之后再通 过50：50分束镜4分为功率相等的两束，水平的一束直接进入位置固定的 第二CCD相机6，测量固定位置的光斑大小，垂直的一束经45度反射镜 10反射后进入第一CCD相机9，通过直线导轨7的往复运动来改变第一 CCD相机9到聚焦镜3之间的光程来确定光束的束腰位置(第一CCD相机 9上测得的光斑最小的位置)和束腰大小。根据第一CCD相机9测得的束 腰位置和束腰直径，以及第二CCD相机6测得的固定位置光斑大小，就可 以计算出高斯光束的双曲线型解析式，再通过透镜变换解得待测入射高斯 光束的光束质量参数。

本发明涉及的脉冲激光光束质量同步测量装置首次采用同步测量机 制，因而能够实现对脉冲激光的单脉冲光束质量的实时测量。而目前市场 上M²分析仪、激光靶斑仪等商用化的激光光束质量分析仪器难以实现这一 功能，因此本发明在科研应用领域有助于进一步研究激光与物质相互作用 机理，在工业应用领域能够实时检测激光光束质量的稳定性，有助于激光 加工工艺的优化设计，具有显著的经济效益和社会效益。

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的说明。

(1)待测激光经过第一分束镜1，第一分束镜1通过特殊镀膜处理，约 1％的功率(称为采样光)向垂直方向反射进入光电探测器，99％的功率透 射进入激光衰减系统。

(2)激光衰减系统可采用多级衰减结构，将入射激光的功率(或能量) 衰减至微瓦(焦)量级，从而避免CCD相机的饱和。

(3)经过衰减后的激光束通过一个透镜，目的是对待测激光进行束腰重 造，聚焦后的束腰出现在透镜的后焦平面位置。

(4)束腰重造后的光束再通过一个50：50的第二分束镜2，光束被分 为功率(能量)相等的两束，透射的一束直接进入位置固定的CCD相机， 测量一个固定光程的光斑大小，设测得的光斑半径大小为B；垂直反射的 一束再经过一个反射镜入射到另一个CCD相机，用于测量束腰光斑的大小。

(5)50：50的分束镜与反射镜垂直安装在直线导轨的运动臂的两端， 随着运动臂作往复运动来改变从透镜到第一CCD相机的光程，在不同的光 程处测量光斑的大小，通过软件算法确定一个光斑最小的位置即为束腰位 置，设此时两个相机感光面之间的光程差为C，对应的束腰半径大小为A。

(6)由(4)、(5)两步测得的束腰半径、固定位置光斑半径和光程差， 以束腰中点为原点建立坐标系，可以计算得到经透镜变换后的双曲线方程 为：$\frac{y^2}{A^2}-\frac{(C^2-A^2)}{A^2{B}^2}=1;$渐近线方程为：$y=\pm \sqrt{\frac{C^2-A^2}{B}}x;$由此可以 得到经透镜变换后的高斯光束远场发散角为设聚焦镜的 焦距为f，聚焦镜到激光器输出端的距离为z，根据高斯光束透镜变换规律， 可以得到初始入射激光的主要光束质量参数为：束腰半径：远场发散角：$\theta =\arctan \left(\frac{2\sqrt{C^2-A^2}}{B}\right)·\frac{f}{z+f};$光束参数积： 光束质量因子： 其中，f为聚焦镜的像方焦距，z为聚焦镜 到激光器输出端的距离，A为第一CCD相机测得的束腰半径，B为第二CCD 相机测得的光斑半径，C为第一CCD相机捕捉到束腰时与第二CCD相机 的光程差。

(7)在一次测量过程中，光电探测器先将采样光脉冲信号转换为电脉 冲信号，并以此触发两个CCD相机的电子快门，保证CCD在一次积分时 间内只捕获一个激光脉冲，从而实现单脉冲光束质量测量。若待测激光器 具备外触发接口，还可以通过另外两种方法实现激光脉冲与CCD响应时间 的同步：一是利用CCD相机的时序信号同步触发脉冲激光器；另一种方法 是利用控制器产生的时钟信号，同步控制脉冲激光器和CCD相机。这两种 方法能够更方便地实现激光脉冲与CCD的时钟同步。

(8)控制器内置专业激光光束质量测量与分析软件，软件功能主要包 括CCD相机、直线导轨的控制、图像处理和光束质量参数计算等。本发明 为智能化光束质量测量系统，CCD相机的控制、直线导轨的运动机制均由 软件控制。软件的图像处理功能主要是尽量消除系统噪声，从而保证光斑 大小的准确测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。