一种双线阵ccd扫描成像测量光束质量的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种双线阵CCD扫描成像快速测量激光光束质量的装置，包括计算机、电控平移台、设置在电控平移台上的手动角位台和设置在手动角位台上的安装有被测激光器的电控旋转台，还包括以被测激光器为中心顺时针依次设置的第二线阵CCD、面阵CCD和第一线阵CCD，第一线阵CCD与被测激光器的距离为Z2大于第二线阵CCD与被测激光器的距离为Z1。还公开了一种双线阵CCD扫描成像快速测量激光光束质量的方法。本发明通过双线阵CCD快速地获取大尺寸线状长条(水平方向×垂直方向为90°×2°)的激光光束的能量分布，利用其能量分布对计算视野角角度、各视野方向相对强度分布、发散角、俯仰角等光束质量参数。
【专利说明】一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光光束质量的测量【技术领域】，具体涉及一种双线阵CCD扫描成像测 量光束质量的装置，还涉及一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，适用于对于大 尺寸线状长条的激光光束质量进行快速测量。
【背景技术】
[0002] 光束质量是激光应用中极为重要的参数，它是激光束定向传输能力的量度，直接 影响到激光的应用范围和应用效率，如何有效地检测和评价激光光束质量是成为激光技术 研究中的关键问题。国际标准化IS011146-1/2/3制定了光束质量的应的测量标准，包括两 维面阵探测系统或二维单元扫描系统、套孔法、移动刀口法和移动狭缝法。目前市场上也有 基于不同原理的光束质量测量仪，如面阵C⑶成像法、刀口法、狭缝法、套筒法等。Siegman 提出的M2因子用来作为评价光束质量的一个行业标准，它指在相同腰围尺寸下有限衍射 光束的发散与光束发散的比值。作为M2因子的重要参数，光束发散角反映远距离传输时的 发散特性，其关键就是确定激光光束的能量分布。IS0-TR11146-1-2005也将基于光束能量 分布的光束发散角作为评价光束质量的标准参数之一。上述方法分别适用于不同的光束大 小、波长范围、重复频率以及激光功率。这两种方法在测试时都依赖于光束形状，可能与实 际光束发散角不匹配，而且光圈法仅适用于圆形对称光束，并不适用于半导体激光器的椭 圆光束。刀口法的测试依赖于光束的模式、触发基准和矫正因子的确定，这些参数有可能会 引起较大的测试误差。其中CCD是目前激光光束质量中成熟的技术，但是ISO标准建议的 方法需要通过一段时间不断移动CCD采集在光束近场和远场不同位置上的光斑能量分布， 测试速度慢，实时性差。
[0003] 为了提高光束质量测试的实时性，房滔等提出基于衍射光栅测量光束质量的 实时检测技术，于永爱等提出基于平板反射镜组成的多平面成像系统测量光束质量， R. Cortes [Cortes, R. et al,''Laser beam quality factor (M2)measured by distorted Fresnel zone plates, "Revista Mecicane De Fisica. 2008,54(4) ,279-283]，Rober t ff. Lambert [Lambert, R. ff. et al.，''Compact optical system for pulse-to-pulse laser beam quality measurement and applications in laser machining, 〃Appl. Opt. .2004, 43 (26) ,5037-5046·]和 Haotong Ma[Ma，H.T.，et al·，"Simultaneous displacement and angular drift measurement based on defocus grating, 〃Appl. Opt. . 2010, 49(23)，4420-4426]分别提出了基于扭曲光栅波前传感法测量光束质量.， Oliver A. Schmidt [Schmidt, 0. A. , et al,''Real-time determination of laser beam quality by modal decomposition, 〃0pt. Express. 2011，19(7)，6741-6748. ]and Daniel Flamm[Flamm, D. , et al,"Fast M2measurement for fiber beams based on modal analysis, "Appl. Opt. 2012, 51 (7)，987-993.]也提出利用模式分解的方法计算光束质量。 但是目前的方法都不能适用于大尺寸线状长条（水平方向X垂直方向为90° X2° )的 激光光束测量，这种激光往往会用在测距、目标探测等领域，上述方法也无法测试激光光束 各视野方向发射角、俯仰角、各视野方向发射光束相对强度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种双线阵CCD扫描成 像测量光束质量的装置，还提供一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，适用于大 尺寸线状长条（水平方向X垂直方向为90° X2° )的激光光束质量的测量，采用该装置 及方法可以快速地对其光束进行评价与测量，该方法也适用于圆形、椭圆形等激光光束质 量地快速测量。
[0005] -种双线阵C⑶扫描成像快速测量激光光束质量的装置，包括计算机，其特征在 于，还包括电控平移台、设置在电控平移台上的手动角位台和设置在手动角位台上的安装 有被测激光器的电控旋转台，还包括以被测激光器为中心顺时针依次设置的第二线阵CCD、 面阵CCD和第一线阵CCD，第一线阵CCD与被测激光器的距离为Z 2大于第二线阵CCD与被 测激光器的距离为Zi，还包括用于控制电控旋转台进行旋转和用于控制电控平移台平移的 运动控制器，第一线阵CCD和第二线阵CCD均通过线阵CCD图像采集卡与计算机连接，面阵 CCD通过面阵CCD图像采集卡与计算机连接，计算机与运动控制器连接。
[0006] -种双线阵C⑶扫描成像测量光束质量的方法：
[0007] 步骤1 :对第一线阵C⑶和第二线阵C⑶进行非线性校正；
[0008] 步骤2 :安装非线性校正后的第一线阵C⑶和第二线阵(XD，将被测激光器安装 到电控旋转台上，调整手动角位台保证被测激光器水平，通过面阵CCD监测激光器光束在 接收屏上的像点，控制电控平移台前后移动进行被测激光器光束像点的调节，直到像点清 晰；
[0009] 步骤3 :控制电控旋转台使得被测激光器朝向第二线阵CCD，并以预定的间隔正负 旋转，通过第二线阵CCD获取激光光束相对光强分布，计算相对光强最大值，该相对光强最 大位置为零位并记录，将相对光强最大值的预定百分比作为阈值，然后使电控旋转台归零， 使被测激光器正对第二线阵C⑶；
[0010] 步骤4 :控制电控旋转台以预定的间隔顺时针转，找到光强值小于步骤3获得的阈 值对应的角度，即为边界1，再控制电控旋转台反方向转，找到另一半光强值小于阈值对应 的角度，即为边界2;
[0011] 步骤5:测量视野角度，控制电控旋转台进行从边界2旋转扫描至边界1，扫描完成 后，即得到相对光强随在每个扫描角度上的分布，光束强度的峰值，选取扫描得到的光强值 的峰值强度的Ι/e2点对应的两个角度，两个角度的差值θ 2- Θ i为视野角度。
[0012] 还包括步骤6 :测量发散角，控制电控旋转台进行从边界2旋转扫描至边界1，用第 一线阵CCD和第二线阵CCD采集每个视野角度对应的纵向光强分布曲线，得到每个视野角 度对应位置的束宽d 2和屯，发散角由下式获得：
[0013]
【权利要求】
1. 一种双线阵C⑶扫描成像测量光束质量的装置，包括计算机（10)，其特征在于，还 包括电控平移台（3)、设置在电控平移台（3)上的手动角位台（2)和设置在手动角位台（2) 上的安装有被测激光器（14)的电控旋转台（1)，还包括以被测激光器（14)为中心顺时针 依次设置的第二线阵(XD(5)、面阵(XD(6)和第一线阵(XD(4)，第一线阵(XD(4)与被测激 光器（14)的距离为乙大于第二线阵CCD(5)与被测激光器（14)的距离SZi，还包括用于 控制电控旋转台（1)进行旋转和用于控制电控平移台（3)平移的运动控制器（9)，第一线 阵(XD (4)和第二线阵(XD (5)均通过线阵C⑶图像采集卡（12)与计算机（10)连接，面阵 CCD(6)通过面阵CCD图像采集卡（11)与计算机（10)连接，计算机（10)与运动控制器（9) 连接。
2. -种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，其特征在于， 步骤1 :对第一线阵CCD (4)和第二线阵CCD (5)进行非线性校正； 步骤2 :安装非线性校正后的第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)，将被测激光器 (14)安装到电控旋转台⑴上，调整手动角位台（2)保证被测激光器（14)水平，通过面阵 CCD(6)监测激光器光束在接收屏上的像点，控制电控平移台（3)前后移动进行被测激光器 光束像点的调节，直到像点清晰； 步骤3:控制电控旋转台（1)使得被测激光器（14)朝向第二线阵CCD(5)，并以预定的 间隔正负旋转，通过第二线阵CCD(5)获取激光光束相对光强分布，计算相对光强最大值， 该相对光强最大位置为零位并记录，将相对光强最大值的预定百分比作为阈值，然后使电 控旋转台⑴归零，使被测激光器（14)正对第二线阵CCD (5); 步骤4:控制电控旋转台（1)以预定的间隔顺时针转，找到光强值小于步骤3获得的阈 值对应的角度，即为边界1，再控制电控旋转台（1)反方向转，找到另一半光强值小于阈值 对应的角度，即为边界2; 步骤5 :测量视野角度，控制电控旋转台（1)进行从边界2旋转扫描至边界1，扫描完成 后，即得到相对光强随在每个扫描角度上的分布，光束强度的峰值，选取扫描得到的光强值 的峰值强度的Ι/e2点对应的两个角度，两个角度的差值θ 2- Θ i为视野角度。
3. 根据权利要求2所述的一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，其特征在 于： 还包括步骤6 :测量发散角，控制电控旋转台（1)进行从边界2旋转扫描至边界1，用第 一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)采集每个视野角度对应的纵向光强分布曲线，得到每个 视野角度对应位置的束宽d2和屯，发散角由下式获得：
4. 根据权利要求3所述的一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，其特征在 于： 还包括步骤7 :测量俯仰角，控制电控旋转台（1)进行从边界2旋转扫描至边界1，用第 一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)采集各个视野角度纵向光强分布曲线计算各视野角度对 应的出射光束俯仰角：
式中：ΛΖ是指第一线阵CXD(4)到被测激光器（14)之间的距离Z2与第二线阵CXD(5) 到被测激光器（14)之间的距离Zi的差值， h2和h为光束中心位置，即光束强度的重心，以每个像素点为基本单位,每个像素点上 的光强为Ii，像素大小为Λ p，则光束中心位置可表示为：
式中，Ν为(XD上总的像素个数。
5. 根据权利要求2-4所述的任意一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，其特 征在于，所述的步骤1包括以下步骤： 分别将待测第一线阵CCD (4)和第二线阵CCD (5)光敏面与高精度照度计的探头各自安 装在积分球的输出窗口，用30W的白光LED照射积分球输入窗口后从输出窗口输出均勻光 场，通过调节白光LED的供电电流以改变光通量，从而在积分球输出窗口上获得变化的光 照度，第一线阵C⑶(4)和第二线阵(XD (5)输出的信号通过图像采集卡送入计算机（10)，高 精度照度计检测到的照度值输入到计算机（10)中，测试时，关掉第一线阵CCD(4)和第二线 阵CCD(5)的自动增益控制，测试第一线阵CCD(4)和第二线阵CCD(5)的实际响应曲线，在 同样的光照度下用曲线拟合后的标准值代替实测值，即完成补偿。
6. 根据权利要求4所述的任意一种双线阵CCD扫描成像测量光束质量的方法，其特征 在于，所述的步骤5、步骤6、步骤7中控制电控旋转台（1)进行从边界2旋转扫描至边界1 时旋转扫描精度设置为Γ或0.5°或0.25°。
【文档编号】G01M11/02GK104062098SQ201410329339
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】谭佐军, 谢静, 高贻钧, 后德家, 王贤峰 申请人:华中农业大学