基于光波复振幅重构的激光光束质量实时测量

发布时间：2020-06-22 01:06

【摘要】：随着激光技术的发展,生产、加工和应用领域对实时测量激光光束质量的需求不断增强。实时测量对于准确评价激光腔外参数、安全高效生产等方面都具有重要的意义。本文从高斯光束模型与复振幅传输特性出发,在研究光束质量分析理论基础上,提出了基于光波复振幅重构法实时测量光束质量的方法。通过采集沿光轴方向两个不同截面位置光强分布,求解光强传输方程获取相位重构复振幅。继而利用角谱传输算法将复振幅传输到两倍瑞利范围内不同位置获得各个位置的光强分布并计算各分布对应的束宽尺寸大小。最后利用最小二乘法将轴向位置坐标和束宽大小代入二次曲线公式拟合传输曲线,从二次曲线的参数中可以计算得到光束质量参数。本文用重构复振幅进行轴向传输来代替传统延时扫描的环节,让测试过程更具有实时性。由于角谱传输可以获得任意轴向位置的光强分布,该方法可以计算所有种类的光束质量参数,甚至是超出传统仪器测量范围的参数,这些是现有的光束质量测试方法无法做到的。本文设计了光束质量测量的光路图和实验方案,分别对He-Ne激光器和高功率光纤激光器进行测量,与M2-200s型光束质量测试仪和Thorlabs夏克哈特曼波前传感器的测量结果进行了对比,验证了实验中恢复的相位和测量的光束质量的准确性。论文对测量过程中的系统误差和随机误差分别进行了评定,并讨论了误差源。文章还给出C#语言编写的实时测量光束质量的软件,除了可以进行光束测试外还能够辅助光学系统调节。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249
【图文】：

参数关系图,参数关系图,光束质量

表征传输参数．？远场发散角，Ｐ因子，这一类型参数主要表征光束的扩散水平。逡逑三综合表征远近场参数：Ｋｆ、ＢＰＰ和Ｍ２因子，这一类型参数既可以表征光束的传输，逡逑又可以表征特定位置的光束束宽。综上，各参数的关系可以用图１．１表示出来。逡逑桶中功率ｐ旧逦＊！１功逡逑表证角度矿散程度逡逑斯特列尔比ＳＲ逡逑束腰尺寸ｗ逡逑—逦邋Ｐ■？光束聚焦特征参数值ｋｆ逡逑■逦■逦—？邋Ｍ２因子逡逑远场发散角ｅ逦Ｌ？光参数积ｂｐｐ逡逑Ｐ邋＾子逡逑图１．１光束质量参数关系图逡逑激光光束质量根据不同的评价需求有不同的表征参数，但从测量仪器的角度来说无逡逑法避开的一个参数是Ｍ２因子。首先它是国际标准化组织采纳作为描述光束质量的标准逡逑参数，其次它具有综合描述光束远近场特性的能力，既可以描述光束的传输特性，也可逡逑以描述特定位置的束宽大小。除此之外还可以通过式（１．１０）转换成ＢＰＰ、Ｋｆ等一系列参逡逑数。并且根据本文计算方法还可以利用束腰位置光斑尺寸和远场发散角计算出＃因子值、逡逑ＰＩＢ和桶中功率等参数。所以本文关于光束质量的讨论将优先讨论Ｍ２因子，其他的参逡逑数都可以通过该参数计算得出。逡逑１．３光束质量实时测量的国内外研宄现状逡逑实时光束测量领域要比非实时领域起步晚的多。本文按时间顺序对实时测量光束质逡逑量的方法依次进行讨论。逡逑２００２年Ｚａｖａｌｏｖａ邋Ｖ．Ｙｅ［１５＾出了利用波前检测装置测量Ｍ２因子的方法。如图１．２所逡逑示，该方法类似夏克哈特曼波前传感器的结构，在传感器前放置微透镜阵列，通过测量逡逑接收的信号大小求解得到复振幅，再利用衍射传输公式计算远场发散角和束腰宽度，

示意图,正交光栅,原理,示意图

对于混合模式较多的光束得到的测量结果误差较大［２（）＿２２］。逡逑２００６年中国科学院上海光学精密机械研究所房滔Ｉ２３］等人研究了一个利用正交光栅逡逑分光程把轴向多平面成像在同一平面测量Ｍ２的方法。如图１．３所示，该方法主要通过逡逑分光成像将原本需要轴向延时移动的测量过程变为同时成像，利用空间换取时间达到实逡逑时效果。该方法的关键器件是正交光栅和配套的光路调整器。逡逑图１．３正交光栅法原理示意图逡逑正交光栅将单束激光分成３Ｘ３路有固定夹角的激光，这些光束经调整器反射后入逡逑射到ＣＣＤ靶面，形成９个具有不同光程有序排列的光斑。这些不同路光光程都分布在逡逑束腰的两倍瑞利范围内，由此可以将各自光斑尺寸与对应光程代入拟合二次曲线并求解逡逑Ｍ２参数。该方法通过衍射光栅分光程来代替延时线取光程，优点显而易见即可以达到实逡逑时测量，但不足也很突出。首先该系统无法适应不同种类不同瑞利距离的激光系统，当逡逑更换测试激光时调整将成为一个突出的难题。再者从该方法的实现照片中可以看到，除逡逑了中心级次

【参考文献】