基于光电探测器和CCD相机的光纤激光光束质量测量方法

摘要

本发明涉及一种基于光电探测器和CCD相机的光纤激光光束质量测量方法。首先将被测光束的光轴调水平，在光路中放入分光镜，将被测光束分成两部分，分别用于测量光束的近场与远场。通过对被测光束近场、远场的测量及相关数据分析，即可计算得出光束近场宽度和远场宽度，进而计算得出相应方向上的光束质量M

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤激光光束质量的测量方法，尤其是一种基于光电探测器和 CCD相机测量光纤激光光束质量的方法。

背景技术

光束质量是激光实际应用中十分重要的指标，通常认为它是从质的方面来评价激 光光束特性的。目前对激光光束质量进行评价的方法很多，如M²因子、β因子、斯特列尔比等 [冯国英，周寿桓，“激光光束质量综合评价的探讨”，中国激光，36，1643-1653（2009）]。在20 世纪90年代，A.E.Siegman提出用M²因子来评价光束质量。M²因子定义为实际光束的束腰 宽度与其远场发散角的乘积同理想光束的相应乘积之比，也是目前科研人员和高功率光纤 激光器生产厂商对于光纤激光光束质量所采用的最为广泛的评价方法[A.E.Siegman, “Newdevelopmentinlaserresonator”,Proc.ofSPIE,1990,2:1224]。M²因子数 值大于等于1，当M²因子越接近1，研究人员认为输出光束的光场分布越接近高斯基模光束， 光束质量越好。

对激光光束M²因子进行测量的方法通常包括以下三类：三点法、两点法和双曲线 拟合法。三点法与两点法测量较为方便，但是精度不高；双曲线拟合法由于是通过测量多点 （通常远场、近场应至少各测量5个有效点）进行双曲线拟合，因而精度较高，但是实现方式 复杂，通常需借助相关精密仪器。对光纤激光M²因子进行测量通常采用美国Ophir- Spiricon公司生产的M²因子测量仪，其采用的基本测量方法是双曲线拟合法，精度较高 [PengfeiMa,RumaoTao,XiaolinWang,etal,“Coherentpolarizationbeam combinationoffourmode-lockedfiberMOPAsinpicosecondregime”,Opt. Express,2014,22(4):4123-4130]。但是该M²因子测量仪因其CCD分辨率有限以及转换 透镜焦距固定不变，导致其适用范围严重受限，对于基模高斯光束的测量，其通常只可用于 精确测量光束束腰宽度小于5mm的光束[“M²-200/200s-FWUsersGuide”,2009,Ophir- SpiriconInc.DocumentNo:11382]。因此，寻找一种可用于测量大尺寸光纤激光的光束 质量的新方法，显得尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光电探测器和CCD相机的光纤激光光 束质量的测量方法。该方法测量M²因子原理正确，操作简单易行，无需特殊精密仪器，且该 方法适用于束腰宽度较大的光纤激光。对大尺寸的光纤激光的光束质量评价意义重大。

本发明的技术方案是：

M²因子的定义式为：

(1)

上式中，ω为实际光束的束腰宽度，θ为实际光束的远场发散角，ω₀、θ₀分别为理想光 束（Siegman理论中取基模高斯光束为理想光束）的束腰宽度和远场发散角，且满足：

(2)

其中λ为光波长。将(2)式带入M²因子的定义式可得：

(3)

(4)

ω_x(θ_x)、ω_y(θ_y)分别为实际光束x、y方向上的束腰宽度（远场发散角）。因此对光束 的M²因子测量便转换为对光束的近场尺寸（ω_x、ω_y）以及远场发散角（θ_x、θ_y）的测量。

在空间域中，光束宽度的定义通常有三种，即1/n定义、环围能量和二阶矩定义。环 围能量及二阶矩定义方式均需准确获得待测光束近场光斑全像，进而通过相关计算得出光 束近场宽度。为获得准确的光场全场信息，通常需利用靶面完全覆盖光斑的CCD对被测光束 的光强进行测量，但CCD靶面尺寸通常仅为几个毫米，无法测量大尺寸光斑。而用1/n定义对 近场光束宽度进行测量仅需测量得到一条经过光束中心最大光强点的光强分布曲线即可。 1/n定义指的是在光强分布曲线I(r)上，最大值I_max的处两点间距离的一半定义为光束宽 度，常见的n值有e²、e和2等。对于理想基模高斯光束，1/e²定义同86.5%环围能量、二阶矩定 义计算得出的光束宽度完全一致，因而我们选用1/e²定义对近场光束宽度进行测量，即可 得到ω_x和ω_y。

由于被测光束通常为准直光束，准直距离通常在百米左右，在准直距离内光束尺 寸基本不变，因此在实验室内，对光束远场发散角的测量不能通过两点法或三点法测量得 出。必须利用聚焦透镜，将被测光束聚焦到透镜焦点位置，也即被测光束的理想远场，通过 对远场光斑的测量可得出远场光斑的x、y方向上的光束宽度ω_x-far和ω_y-far，此处由于利用 CCD对远场测量可得到聚焦光斑的全场光强分布，因而对远场的光束宽度计算采用二阶矩 的定义公式，如(5)、(6)两式所示，这种定义利用了光束的全场光强信息，计算更为精确。

(5)

(6)

(7)

上面两式中I_far(x,y)为CCD相机探测到的远场光强分布。计算得出远场光斑在x、y方向 上的光束宽度ω_x-far和ω_y-far之后，可利用如下(8)、(9)两式，即可计算得出光束的远场发 散角θ_x和θ_y，式中f为聚焦透镜的焦距。

(8)

(9)

将(8)、(9)两式分别代入(3)、(4)两式，即得被测光束的M²因子为：

(10)

(11)

利用(5)~(7)和(10)~(11)式即可计算得出被测光束的M²因子，计算得到的M²因子可 以用于评价被测光束的光束质量。

具体技术方案如下：

本方法利用M²因子测量仪评价大尺寸光纤激光光束质量，对被测光束先进行光束质量 测量，搭建测量光路。首先将被测光束1的光轴调水平，在光路中放入分光镜2，将被测光束 分成反射光束3及透射光束4两部分，分别用于测量光束的近场与远场。

对于光束近场的测量，我们利用放置于带有螺旋测微器的三维调节台5上的光电 探测器6进行测量。光电探测器6可将探测到的光强信息转换成电压信息，通过示波器7实时 显示出来，光电探测器6对同一波长的光的响应是线性的，因此示波器7显示的电压值可等 效为光强值。具体测试方法如附图2所示。通过调节带有螺旋测微器的三维调节台5的X方向 上的螺旋测微器，可将光电探测器放置于被测光束沿通过光束中心的X方向的不同位置，进 而可以测量得到不同位置的光强对应的电压值。取点间隔保持一定，取点个数保证最小光 强值小于最大光强值的10%，以保证后续数据处理的可靠性。对多点测量得到的电压值做高 斯函数拟合，根据拟合函数得出光束近场宽度ω_x。Y方向的测量原理和步骤与上面所述相 同。

对于光束远场的测量，我们采用如附图1所示的聚焦透镜8将透射光束4聚焦到透 镜焦点位置处，即光束远场，并用CCD相机9对聚焦光斑成像，通过电脑10对成像光斑进行显 示和数据采集。CCD相机9分辨率应足够高，聚焦透镜8焦距f应足够长，分辨率与焦距的配合 应保证远场光斑至少占有20个像素点。

通过对被测光束近场、远场的测量及相关数据分析，即可计算得出光束近场宽度 （ω_x和ω_y）和远场宽度（ω_x-far和ω_y-far），进而利用公式(10)~(11)即可计算得出相应方向 上的光束质量M_x²和M_y²。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.从理论上推导出了基于光束的近场和远场光强分布的M²因子表达式，解决了M²因 子测量仪难以评价大尺寸光纤激光光束质量的缺陷。

2.基于光电探测器和CCD相机的光纤激光光束质量测量方法原理简单正确，且由 于测量方法中均为分立光电器件，无需其他精密仪器，操作方便，光路易于调节。

3.基于光电探测器和CCD相机的光纤激光光束质量测量方法适用于含有少量高 阶模式的光纤激光光束质量测量。

4.基于光电探测器和CCD相机的光纤激光光束质量测量方法适用于部分截断的 光纤激光光束质量测量。

附图说明

图1为基于光电探测器和CCD相机的光纤激光光束质量测量新方法原理示意图，

1-被测光束；2–分光镜；3-反射光束；4-透射光束；5-带有螺旋测微器的三维调节台； 6-光电探测器；7-示波器；8-聚焦透镜；9-CCD相机；10-计算机。

图2为基于光电探测器的光束近场测量原理示意图，

图3为被测光束的X方向上的近场光强分布图，

图4为被测光束的Y方向上的近场光强分布图，

图5为经透镜聚焦后的被测光束远场光强分布图，

图6为利用M²-200s-FW测量仪测量的光束质量结果图。

具体实施方式

如附图1所示，首先将被测光束1的光轴调水平，在光路中放入分光镜2，将被测光 束分成反射光束3及透射光束4两部分，分别用于测量光束的近场与远场。对于光束近场的 测量，我们利用放置于带有螺旋测微器的三维调节台5上的光电探测器6进行测量。光电探 测器6可将探测到的光强信息转换成电压信息，通过示波器7实时显示出来，示波器7显示的 电压值可等效为光强值。具体测试方法如附图2所示。通过调节5的X方向上的螺旋测微器， 可将光电探测器放置于被测光束沿通过光束中心的X方向的不同位置，进而可以测量得到 不同位置的光强对应的电压值。对多点测量得到的电压值做高斯函数拟合，根据拟合函数 得出光束近场宽度ω_x。Y方向的测量原理和步骤与上面所述相同。对于光束远场的测量，我 们采用如附图1所示的聚焦透镜8将透射光束4聚焦到透镜焦点位置处，即光束远场，并用 CCD相机9对聚焦光斑成像，通过电脑10对成像光斑进行显示和数据采集。通过对被测光束 近场、远场的测量及相关数据分析，即可计算得出光束近场宽度（ω_x和ω_y）和远场宽度 （ω_x-far和ω_y-far），进而利用公式(10)~(11)即可计算得出相应方向上的光束质量M_x²和M_y²。

本实验室根据以上设计搭建了如附图1所示实验平台，测量了被测光束的近场和 远场。近场光强值如附图3（X方向）和附图4（Y方向）所示，数据点为光电探测器实测数据值， 曲线为高斯拟合曲线。X与Y方向测试过程中光路有一定调整，因而X与Y方向光强值有所不 同，但同一方向的测试是在同一条件下进行的，故测量数据可以反映被测光束近场的光强 分布。X与Y方向的光强高斯拟合函数分别为(12)、(13)式。利用前面所述的1/e²定义对近场 光束宽度进行计算，可得到ω_x和ω_y分别为7.20mm和7.16mm。

(12)

(13)

对光束远场的测量是通过聚焦透镜和CCD相机成像实现的。聚焦透镜焦距f为1.04m， CCD靶面分辨率为4.4μm/像素点。远场光斑图像如附图5所示。利用上面所述的二阶矩定义 远场光束宽度，经过计算可得ω_x-far和ω_y-far分别为66.25μm和60.70μm。进而将ω_x/ω_y和 ω_x-far/ω_y-far带入公式(10)/(11)，即可计算得出相应方向上的光束质量M_x²/M_y²为1.35/ 1.24。

为了验证上述光束质量测量方法计算的结果，我们利用Ophir-Spiricon公司的 M²-200s-FW测量仪对被测光束的光束质量进行了测量,测量结果如附图6所示，M_x²/M_y²为 1.34/1.30。通过对比可以发现，基于光电探测器和CCD相机的光纤激光光束质量测量方法 可以实现对光纤激光光束质量较为精确地测量。