专利名称:一种新的高斯光束判别测量法及仪器的利记博彩app
本发明属光学与激光技术，国际分类号G02B。
由于高斯光束在激光领域中具有特殊的意义，所以到目前为止，国内外发展了四种扫瞄测量法，即刀口扫瞄法，针孔扫瞄法，狭缝扫瞄法和Ronchi刻尺扫瞄法来定量地测量其径向强度分布及束径。但缺点是①需要对光束截面逐点扫瞄。不但要因扫瞄元件运动而使机构复杂，而且会因为在扫瞄时间内光束强度起伏及光轴抖动而引进测量误差;②所测的数据须用一假想的高斯函数去拟合。不但工作量大，而且容易把接近高斯函数的一些对称分布函数拟合为高斯函数。此外，还有一些图示法(如TV法)来定性地观察高斯光束的强度分布。
本发明在对高斯光束的特性进行了深入研究的基础上提出了一种定量地判别和测量高斯光束的新方法仅须在光束截面内同时对任意等距四点进行采光测量即可判别和测量此高斯光束。并根据这一新测量方法，采用阵列接收元件、计算机技术，设计了一种新型的高斯光束判别测量仪。此仪器不仅能把光束截面上的各点光强的测量值打印、显示和图示，而且可以定量地判别所测光束是否为高斯光束;如为高斯光束，则给出此高斯光束的径向强度分布和束径。
经过科技期刊文献检索及专利文献检索证实本发明确实构成为国内外已有的四种定量测量方法(刀口扫瞄法，针孔扫瞄法，狭缝扫瞄法和Ronchi刻尺扫瞄法)之外的、独具特点的第五种测量法。
下面简述本发明的内容及仪器设计的技术方案。
1.本发明是，在高斯光束截面测量任意等距三个坐标点的光强就可确定该高斯光束的束径及径向强度分布的测量方法以及在所测光束(高斯光束或其他强度分布函数的光束)截面内测量任意等距四个坐标点的光强就可判别该光束是否为高斯光束的判据。简述如下假定所测量的高斯光束的径向强度分布I(r)=I0exp[-2( (r)/(r0) )2] (1)式中，Io为光束中心的峰值强度，ro为光束半径。
如采用直角坐标系表示，在x轴的径向强度分布(如附图1所示)将为I(x)=I0exp[-2( (r)/(r0) )2] (2)在x坐标轴有任意四个坐标点x1、x2、x3、x4，而且如附图1所示，x1、x2、x3、x4各坐标点取值
于是，高斯光束在这四个坐标上所对应的强度分别为I(x1)=I0exp[-2( (-c)/(r0) )2]I(x2)=I0exp[-2( (d-c)/(r0) )2]I(x3)=I0exp[-2( (2d-c)/(r0) )2]I(x4)=I0exp[-2( (3d-c)/(r0) )2] (4)由I(x1)、I(x2)、I(x3)、d一组数据和I(x2)、I(x3)、I(x4)、d另一组数据均可分别求得此高斯光束的束径为r01=4 d2A1]]>(5)r0 2=4 d2A2]]>(5)式中的A1、A2分别为两组数据所确定的系数;
A1=ln (I(x1))/(I(x3)) -2ln (I(x1))/(I(x2))A2=ln (I(x2))/(I(x4)) -2ln (I(x2))/(I(x3)) (6)至此可得如下结论①对于高斯光束而言，于光束截面上任取等距三点采光测量其强度，则可测出此高斯光束的束径及径向强度分布。
②由于此高斯光束的测量采用了光束截面上任意取等距四点采光测量其强度，注意，要求尽可能避开取值I(x1)＝I(x4)，I(x2)＝I(x3)。并分成两组数据一组为I(x1)，I(x2)，I(x3)，d;另一组为I(x2)，I(x3)，I(x4)、d，而可分别按上面导出的公式求出此高斯光束的束径r01，r02，如无测量误差，r01＝r02必然无疑。
③如果所测光束不是高斯光束，而是其他强度分布的光束，在其截面等距四点的光强将不遵守(4)式给出的值。此时，利用I(x1)、I(x2)、I(x3)、d一组数据及I(x2)、I(x3)、I(x4)、d另一组数据代入(5)、(6)式所求得的r01和r02必不相同或等于无穷大。举例如下a、如激光束为均匀强度分布，I(x1)＝I(x2)＝I(x3)＝I(x4)，则A1＝0，r01＝∞;A2＝0，r02＝∞。
b、如有一模式较差的非高斯径向强度分布的氦氖激光束，如任取靠近光斑中心的四点(d＝0.3毫米)的高度，即测出I(x1)＝18.0，I(x2)＝34.8，I(x3)＝36.3，I(x4)＝34.8。于是利用(5)、(6)两式就可得出此激光束的束径为r01＝0.76毫米，r02＝2.12毫米，即r01≠r02。根据前述判别高斯光束的基本原理，此激光束不是高斯光束。这一点在示波器的照片中已清楚看出，本方法于此取得数据加以定量判别。
c、对高斯光束的判别与测量。
如一单模氦氖激光束的测量数据为d＝0.3毫米，I(x1)＝4.85，I(x2)＝8.38，I(x3)＝10.0，I(x4)＝8.35。按(5)、(6)等式分别求得A1＝0.37，r01＝0.986毫米≈1毫米;A2＝0.35，r02＝1.01毫米≈1毫米。r01≈r02。因此可以认为此光束是高斯光束，而且它的束径r0＝1毫米，它的径向强度分布为I(r)＝I0exp(-2r2)下面推导出有测量误差时高斯光束的判别微分(5)式，可得本方法对高斯光束的束径测量的相对误差表示式
通常，
很小，可忽略。因此，束径的测量误差主要产生于在光束截面内采光测量其光强的精度。由于四点光强测量相对误差大体相同，即
因此，
这也就是说，本发明提出的方法对高斯光束束径的测量相对误差将取决于采光测量光强的相对误差。
现在，可以提出在有一定光强测量误差条件下，利用前面叙述的r01和r02的差值来判别所测光束是否为高斯光束的判据
其中
曾经对与高斯函数十分相似的三角形函数、sinc函数，sinc2函数的光强分布做过大量计算，如果光强测量误差ε≤±1%时，应用上述判据而可以把它们和高斯分布区别开。
2.根据上述原理设计的高斯光束判别测量仪的方块图如附图2所示。
被测光束经衰减系数可调的衰减片后由阵列接收元件包括CCD元件或二极管阵列元件或TV或四个单立光电接收元件按一定间距排列的元件列阵接收后经放大，A/D转换送到微处理机后既可显示和打印光电接收系统的光电信号，把光束的一维径向强度分布显示出来，进而，亦可根据所采等距四坐标点的光强数据代入(5)、(6)两式，计算机对(5)、(6)、(9)式进行编程而对所测光束是否为高斯光束做出判别;如是高斯光束，根据(4)、(5)两式编程计算出此高斯光束的束径及径向强度分布式及曲线。
本发明同国内外迄今为止所采用的四种扫瞄法(刀口扫瞄法，针孔扫瞄法，狭缝扫瞄法以及Ronchi刻尺扫瞄法)对高斯光束的径向强度分布及束径进行定量测量有如下优点①能定量地判别所测光束是否为高斯光束。而目前已有的四种扫瞄法是将所测光束的径向强度分布曲线用一个高斯函数去拟合，这就有可能把和高斯曲线相接近的几种分布函数误认为是高斯分布。
②测量精度高。本发明的测量方法及测量仪器仅须在光束截面内同时对四坐标点光强采光测量，无须运动任何测量元件。而四种扫瞄法须要运动接收元件或扫瞄元件，从而产生了运动机构的误差以及非同时刻对光束截面内诸点光强进行采样引入光源瞬时波动误差。本发明完全克服了此种误差。
③能对脉冲激光进行测量。这是因为本发明对光束截面内四坐标点光强采样是同一时刻进行的。而四种扫瞄法几乎难以做到。
权利要求
1.一种判别和测量高斯光束的方法，其特征是只须在光束截面内同时对任意等距四点进行采光测量。
2.如权利要求
1所述的判别和测量高斯光束的方法，其特征是，确定该高斯光束的束径和径向强度分布只须在高斯光束截面任取等距三个坐标点的光强。
3.一种根据高斯光束判别测量方法制作的由衰减片，接收元件，放大器，示波器，A/D转换和计算机系统组成的高斯光束判别测量仪，其特征是在微处理机里加上一个晶体振荡器。
专利摘要
本发明提出了一种高斯光束判别和测量的新方法，并据此法设计了一台新型的高斯光束判别测量仪器。此方法，仅须在光束截面内，对任意等距四个坐标点同时进行采光测量即可判别该光束是否为高斯光束；如为高斯光束，则仅利用其中等距三个坐标点的光强信息而测出该高斯光束的束径及径向强度分布。所设计的仪器能打印、显示和图示该光束的径向强度分布并给出高斯光束的束径和径向强度分布。
文档编号G02B。
由于高斯光束在激光领域中具有特殊的意义，所以到目前为止，国内外发展了四种扫瞄测量法，即刀口扫瞄法，针孔扫瞄法，狭缝扫瞄法和Ronchi刻尺扫瞄法来定量地测量其径向强度分布及束径。但缺点是①需要对光束截面逐点扫瞄。不但要因扫瞄元件运动而使机构复杂，而且会因为在扫瞄时间内光束强度起伏及光轴抖动而引进测量误差;②所测的数据须用一假想的高斯函数去拟合。不但工作量大，而且容易把接近高斯函数的一些对称分布函数拟合为高斯函数。此外，还有一些图示法(如TV法)来定性地观察高斯光束的强度分布。
本发明在对高斯光束的特性进行了深入研究的基础上提出了一种定量地判别和测量高斯光束的新方法仅须在光束截面内同时对任意等距四点进行采光测量即可判别和测量此高斯光束。并根据这一新测量方法，采用阵列接收元件、计算机技术，设计了一种新型的高斯光束判别测量仪。此仪器不仅能把光束截面上的各点光强的测量值打印、显示和图示，而且可以定量地判别所测光束是否为高斯光束;如为高斯光束，则给出此高斯光束的径向强度分布和束径。
经过科技期刊文献检索及专利文献检索证实本发明确实构成为国内外已有的四种定量测量方法(刀口扫瞄法，针孔扫瞄法，狭缝扫瞄法和Ronchi刻尺扫瞄法)之外的、独具特点的第五种测量法。
下面简述本发明的内容及仪器设计的技术方案。
1.本发明是，在高斯光束截面测量任意等距三个坐标点的光强就可确定该高斯光束的束径及径向强度分布的测量方法以及在所测光束(高斯光束或其他强度分布函数的光束)截面内测量任意等距四个坐标点的光强就可判别该光束是否为高斯光束的判据。简述如下假定所测量的高斯光束的径向强度分布I(r)=I0exp[-2( (r)/(r0) )2] (1)式中，Io为光束中心的峰值强度，ro为光束半径。
如采用直角坐标系表示，在x轴的径向强度分布(如附图1所示)将为I(x)=I0exp[-2( (r)/(r0) )2] (2)在x坐标轴有任意四个坐标点x1、x2、x3、x4，而且如附图1所示，x1、x2、x3、x4各坐标点取值
于是，高斯光束在这四个坐标上所对应的强度分别为I(x1)=I0exp[-2( (-c)/(r0) )2]I(x2)=I0exp[-2( (d-c)/(r0) )2]I(x3)=I0exp[-2( (2d-c)/(r0) )2]I(x4)=I0exp[-2( (3d-c)/(r0) )2] (4)由I(x1)、I(x2)、I(x3)、d一组数据和I(x2)、I(x3)、I(x4)、d另一组数据均可分别求得此高斯光束的束径为r01=4 d2A1]]>(5)r0 2=4 d2A2]]>(5)式中的A1、A2分别为两组数据所确定的系数;
A1=ln (I(x1))/(I(x3)) -2ln (I(x1))/(I(x2))A2=ln (I(x2))/(I(x4)) -2ln (I(x2))/(I(x3)) (6)至此可得如下结论①对于高斯光束而言，于光束截面上任取等距三点采光测量其强度，则可测出此高斯光束的束径及径向强度分布。
②由于此高斯光束的测量采用了光束截面上任意取等距四点采光测量其强度，注意，要求尽可能避开取值I(x1)＝I(x4)，I(x2)＝I(x3)。并分成两组数据一组为I(x1)，I(x2)，I(x3)，d;另一组为I(x2)，I(x3)，I(x4)、d，而可分别按上面导出的公式求出此高斯光束的束径r01，r02，如无测量误差，r01＝r02必然无疑。
③如果所测光束不是高斯光束，而是其他强度分布的光束，在其截面等距四点的光强将不遵守(4)式给出的值。此时，利用I(x1)、I(x2)、I(x3)、d一组数据及I(x2)、I(x3)、I(x4)、d另一组数据代入(5)、(6)式所求得的r01和r02必不相同或等于无穷大。举例如下a、如激光束为均匀强度分布，I(x1)＝I(x2)＝I(x3)＝I(x4)，则A1＝0，r01＝∞;A2＝0，r02＝∞。
b、如有一模式较差的非高斯径向强度分布的氦氖激光束，如任取靠近光斑中心的四点(d＝0.3毫米)的高度，即测出I(x1)＝18.0，I(x2)＝34.8，I(x3)＝36.3，I(x4)＝34.8。于是利用(5)、(6)两式就可得出此激光束的束径为r01＝0.76毫米，r02＝2.12毫米，即r01≠r02。根据前述判别高斯光束的基本原理，此激光束不是高斯光束。这一点在示波器的照片中已清楚看出，本方法于此取得数据加以定量判别。
c、对高斯光束的判别与测量。
如一单模氦氖激光束的测量数据为d＝0.3毫米，I(x1)＝4.85，I(x2)＝8.38，I(x3)＝10.0，I(x4)＝8.35。按(5)、(6)等式分别求得A1＝0.37，r01＝0.986毫米≈1毫米;A2＝0.35，r02＝1.01毫米≈1毫米。r01≈r02。因此可以认为此光束是高斯光束，而且它的束径r0＝1毫米，它的径向强度分布为I(r)＝I0exp(-2r2)下面推导出有测量误差时高斯光束的判别微分(5)式，可得本方法对高斯光束的束径测量的相对误差表示式
通常，
很小，可忽略。因此，束径的测量误差主要产生于在光束截面内采光测量其光强的精度。由于四点光强测量相对误差大体相同，即
因此，
这也就是说，本发明提出的方法对高斯光束束径的测量相对误差将取决于采光测量光强的相对误差。
现在，可以提出在有一定光强测量误差条件下，利用前面叙述的r01和r02的差值来判别所测光束是否为高斯光束的判据
其中
曾经对与高斯函数十分相似的三角形函数、sinc函数，sinc2函数的光强分布做过大量计算，如果光强测量误差ε≤±1%时，应用上述判据而可以把它们和高斯分布区别开。
2.根据上述原理设计的高斯光束判别测量仪的方块图如附图2所示。
被测光束经衰减系数可调的衰减片后由阵列接收元件包括CCD元件或二极管阵列元件或TV或四个单立光电接收元件按一定间距排列的元件列阵接收后经放大，A/D转换送到微处理机后既可显示和打印光电接收系统的光电信号，把光束的一维径向强度分布显示出来，进而，亦可根据所采等距四坐标点的光强数据代入(5)、(6)两式，计算机对(5)、(6)、(9)式进行编程而对所测光束是否为高斯光束做出判别;如是高斯光束，根据(4)、(5)两式编程计算出此高斯光束的束径及径向强度分布式及曲线。
本发明同国内外迄今为止所采用的四种扫瞄法(刀口扫瞄法，针孔扫瞄法，狭缝扫瞄法以及Ronchi刻尺扫瞄法)对高斯光束的径向强度分布及束径进行定量测量有如下优点①能定量地判别所测光束是否为高斯光束。而目前已有的四种扫瞄法是将所测光束的径向强度分布曲线用一个高斯函数去拟合，这就有可能把和高斯曲线相接近的几种分布函数误认为是高斯分布。
②测量精度高。本发明的测量方法及测量仪器仅须在光束截面内同时对四坐标点光强采光测量，无须运动任何测量元件。而四种扫瞄法须要运动接收元件或扫瞄元件，从而产生了运动机构的误差以及非同时刻对光束截面内诸点光强进行采样引入光源瞬时波动误差。本发明完全克服了此种误差。
③能对脉冲激光进行测量。这是因为本发明对光束截面内四坐标点光强采样是同一时刻进行的。而四种扫瞄法几乎难以做到。GK86107992SQ86107992
公开日1988年6月8日 申请日期1986年11月28日
发明者朱延彬, 沈孝纬 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan