大功率激光光束參數(shù)的測(cè)量方法

1、電子激光光JOURNALOFOPTOELECTRONICSLASERVol.11No.4Aug.文章編號(hào):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(cè)量方法雷訇,李強(qiáng),左鐵釧(北京工業(yè)大學(xué),國(guó)家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心,北京100022)摘要:密度分布測(cè)量,并給出了計(jì)算光束位置、束寬、光束參數(shù)的數(shù)學(xué)處理方法。關(guān)鍵詞:大功率激光;中圖分類號(hào):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(shù)成功地應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空、汽車和造船等各行各業(yè),許多科研機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展大功率激光束的光束參數(shù)測(cè)量的研究,現(xiàn)有商品化的測(cè)量?jī)x器,但由于其特殊的光束特性和很高的功率密度,許多測(cè)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(zhì)量診斷系統(tǒng),目標(biāo)是能夠?qū)劢构獍哌M(jìn)行測(cè)量,并作出光束、光斑質(zhì)量的評(píng)估。檢測(cè)1。當(dāng)探針垂直于光束轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),小孔就劃出一條剖面線,隨著整個(gè)探針支架的平移,就能劃出一系列剖面線來(lái),從而探測(cè)到光束橫截面上的光強(qiáng)分布,如圖2所

4、示。探針的主要作用是在探測(cè)處進(jìn)行能量采樣,并由內(nèi)部通道把它引導(dǎo)至與轉(zhuǎn)軸中心相對(duì)靜止的探測(cè)器上。探針按照一定的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)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(wú)關(guān),即T=P0 Pi為常量。其中Pi為在采樣點(diǎn)處的入射功率;P0為出射功率。對(duì)不同探針,傳輸率是不同的,但這不影響對(duì)光束參數(shù)的測(cè)量,因?yàn)闇y(cè)得的是相對(duì)值。探測(cè)器所得信號(hào)再經(jīng)增益調(diào)節(jié)、高速A D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)緩存,通過(guò)在采樣系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)間建立的雙向?qū)崟r(shí)通訊,計(jì)算機(jī)快速的計(jì)算和處理,最后給出相關(guān)光束參數(shù)的數(shù)值結(jié)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(duì)大功率激光光束光斑進(jìn)行直接的測(cè)量,其結(jié)構(gòu)

5、如圖1所示。該方法借助一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的、能傳輸激光束的空心針而起作用,空心針一端的側(cè)表面上開(kāi)有一小孔,由小孔進(jìn)入的激光束通過(guò)內(nèi)空腔被引導(dǎo)至轉(zhuǎn)軸上,由此處的探測(cè)器進(jìn)行收稿日期:1999207224修訂日期:19992102203基金項(xiàng)目:國(guó)防科工委重點(diǎn)予研資助項(xiàng)目第4期雷訇等:大功率激光光束參數(shù)的測(cè)量方法373式可轉(zhuǎn)換為=xy=I(i,j)×xI(i,j)I(i,j)×yI(i,j)(3)圖1探針結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jì)算對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理方法可以計(jì)算出相關(guān)的光束參數(shù),如功率密度分布、光束位置、光束半徑等;通過(guò)光軸上的多點(diǎn)測(cè)量,可得到焦點(diǎn)位置和焦斑大小、發(fā)散角、焦深及光束質(zhì)量因子;根據(jù)功率密度分布,可以得到光斑形狀,進(jìn)一步分析出大致的模結(jié)構(gòu);通過(guò)光束位置的確定和重復(fù)多次測(cè)量,可檢測(cè)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(wú)關(guān),探測(cè)器在工作波段范圍內(nèi)輸入輸出是線形關(guān)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(cè)試儀測(cè)得值;K1、K2為定標(biāo)系數(shù)。3.2光束位置光束的位置可用光束強(qiáng)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(shí)際測(cè)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(duì)高斯基模TEM00,二階矩定義的束寬與采用強(qiáng)度降為最大強(qiáng)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(duì)高空間頻率的干擾很敏感,實(shí)際的測(cè)量過(guò)程總存在一定的基底噪音,所以對(duì)測(cè)量窗口大小的選取及基底噪音的去除要認(rèn)真研究。另一種實(shí)用的方法是選取合適的等強(qiáng)線來(lái)分割功率密度分布曲面,切割平面選擇應(yīng)使切割的光束區(qū)內(nèi)包含有總功率的86.5。此時(shí),計(jì)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(nèi)的功率;P為總功率。光束的位置可用該光束面的重心來(lái)表示,重心的位置(xc,yc)由此光束面上的所有測(cè)量點(diǎn)的值按下式x=(2)確定:xc=在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,由于測(cè)量點(diǎn)是離散的點(diǎn),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(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)和強(qiáng)度測(cè)量值。光束的半徑(圓形分布)為rc=yIInnn均功率密度定義方法。當(dāng)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(shí),該橫截面和焦平面之間的距離的兩倍定義為焦深,此時(shí)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(jì)算采用圓柱形分布來(lái)近似,強(qiáng)度在光束截面上不變,這時(shí)I=2rc形、,因?yàn)椤?.4焦點(diǎn)位置和焦斑大小在激光加工過(guò)程中,尤其是對(duì)飛行光束的加工系統(tǒng),由于熱透鏡效應(yīng)的影響,經(jīng)常出現(xiàn)焦點(diǎn)位置漂移的現(xiàn)象,給實(shí)際的加工質(zhì)量帶來(lái)很大的影

10、響,所以在激光加工過(guò)程中必須能夠確定經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)后聚焦光斑的實(shí)際位置。由于該光束光斑質(zhì)量診斷儀可對(duì)聚焦光斑的能量密度分布進(jìn)行測(cè)量,因此可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。通過(guò)在光軸不同位置處測(cè)量,這時(shí)每處都將得到一個(gè)束寬值,然后采用雙曲線擬合的方法就可確定焦點(diǎn)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(diǎn)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(shí)束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角之積的比值,可以證明M221,對(duì)基模高斯光束M2=1。M值越大,則光束質(zhì)量越差。光束通過(guò)理想無(wú)象差和無(wú)窮大孔徑

11、光學(xué)系統(tǒng)時(shí)M是一個(gè)不變量,即經(jīng)過(guò)聚焦之后光束的束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角乘積是不變的,而基模高斯光束的束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角之積為4 ,所以被測(cè)光束的M2為M=22=4 24 (16)4結(jié)束語(yǔ)利用大功率激光光束光斑質(zhì)量診斷儀,實(shí)現(xiàn)了大功率激光光束橫截面的功率密度分布的測(cè)量,并進(jìn)一步得到了相關(guān)的光束參數(shù)。通過(guò)對(duì)光束特性的了解,反過(guò)來(lái)對(duì)激光器、傳輸系統(tǒng)及聚焦系統(tǒng)等的研制水平的進(jìn)一步提高也會(huì)起到積極的促進(jìn)作用。參考文獻(xiàn):1ARose,YXNie,RGupta.Laserbeamprofilemea2surementbyphotothermaldeflectiontechniqueJ.Appl.Opt,1986,25(11):173821740.(12)3.5遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角2AESiegman.王世孝,譯.應(yīng)用空間頻率和強(qiáng)度矩量分析激光光束傳播與光束質(zhì)量公式J.激光集錦.1992,2(2):36243,2(4):34244.3陸治國(guó).激光束空間質(zhì)量評(píng)價(jià)J.激光雜志,1995,16(2):53258.4陳哲,等.高功率激光束光束質(zhì)量的數(shù)值評(píng)價(jià)方法J.光電子激光,1998,9(5):3772380.作者