[发明专利]对聚焦光学系统聚焦光斑尺寸测量的装置及其使用方法

说明书

技术领域

    本发明属于聚焦光斑精密测量技术领域，具体涉及一种对聚焦光学系统聚焦光斑尺寸测量的装置及其使用方法。 

背景技术

随着激光技术的迅猛发展，在众多的与激光相关的工程应用中，对经过透镜后聚焦光斑的大小提出了一定的要求，例如在激光加工过程中，聚焦光斑的大小代表了加工手段的分辨率及加工精度，是激光切割、激光焊接等工艺过程的重要指标之一；在激光光纤耦合中，如果激光经过耦合透镜后聚焦光斑大于光纤芯径，则会降低激光的耦合效率，造成能量的浪费；对于精密制版光刻镜头而言，聚焦光斑的尺度无疑是光刻技术中最重要的指标；在激光打标过程中，如果光斑聚焦的不够精细，激光的功率密度下降非常快，不利于加工进行。可见，在这些领域中，准确的评价或检测出聚焦光点的尺度是非常重要的。

聚焦光斑的大小受到多种因素的影响，其中最重要的因素有激光的发光模式、光波衍射、及聚焦系统的像差等。激光模式主要由激光器和光束传输系统决定，后两种因素主要由透镜的几何参数及光学参数决定。由于聚焦点尺度是激光器和光学系统相互作用的结果，而且与镜组的加工工序及使用环境有关，所以聚焦光斑的实际尺寸与按照相关理论设计及软件仿真结果会有一定的差异。目前，受到相关工程领域研究的需要，出现了一些激光光斑尺寸、模式的测量方法，例如王虎等人于2001年在《光子学报》中发表的《一种CCD辅助测量基模（TEM00）激光光斑尺寸的方法》，赵德刚等人于2006年申请了《一种测量小光斑尺寸的方法》，另外利用刀口法测量激光光斑尺寸的研究也比较成熟。但是这些方法主要都是研究激光在直进过程中的光斑分布，均不能用于对聚焦光斑的尺度进行分析测量。

技术内容

本发明的目的是提供一种对聚焦光学系统聚焦光斑尺寸测量的装置及其使用方法，以克服现有技术存在的不能对聚焦光斑的尺度进行分析测量。

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种对聚焦光学系统聚焦光斑尺寸测量的装置，包括准直激光光源、反射与透射切换单元、分光镜、聚光镜、光功率探测器、第一直线运动单元、第二直线运动单元、双缝、聚焦透镜、CCD相机、计算机。其中准直激光光源、分光镜、反射与透射切换单元、双缝、聚焦透镜、CCD相机共光路依次设置，反射与透射切换单元设置于第一直线运动单元上, 双缝和聚焦透镜设置于第二直线运动单元上, 所述分光镜的反射光路上依次设置有聚光镜和光功率探测器，光功率探测器5、直线运动单元、第二直线运动单元、CCD相机均与计算机连接。

上述装置的测量方法，依次包括下述步骤：

将被测透镜设置在分光镜与反射与透射切换单元之间，激光器发出的准直激光经过被测透镜聚焦为一定尺度的光斑，使透反射切换单元工作在反射状态，并利用第一直线运动单元和第二直线运动单元所带有的计数功能记录反射面当前位置A1及双缝当前位置B1；

计算控制单元驱动第一直线运动单元，带动反射面，沿光轴方向从透镜焦后推扫到焦前；反射光经分光镜后，由聚光镜聚焦到光功率探测器，并由计算机记录反射面在不同位置时的光功率值；

通过计算分析确定功率曲线顶点位置对应的反射面位置A2，使透反射切换单元工作在透射状态；

计算机驱动直线运动单元沿光轴方向做前后推扫运动，CCD相机采集不同推扫位置的干涉花样；利用计算机对采集到的干涉花样进行滤波去噪处理，分析计算双缝在不同位置所采集的干涉花样的对比度，绘制对比度变化曲线；利用计算机分析对比度变化曲线，计算曲线在不同推扫位置对应的斜率，将原对比度曲线分为斜率变化区及斜率固定区，并确定两个区域的交点B2；

被测透镜的聚焦光斑与双缝之间的距离为：

L = ︱︱B2-B1︱-︱A2-A1︱︱

所选用的双缝的间距为d，激光光源的波长为λ，则被测聚焦光斑的直径D为：

D = λ*L/d

满足相干条件的两路或者多路光可以发生干涉，干涉花样的对比度是描述干涉场分布的主要依据，光波干涉具有时间相干性和空间相干性。本发明的基本思想是利用光波干涉的空间相干性来测量聚焦光斑的大小，在聚集光斑传播方向上放置一定间距的双缝，根据双缝干涉花样的对比度来确定光斑的大小。

与现有技术相比，本发明的优点是： 

1. 将聚焦光斑尺度与光波的空间相干性联系，通过测量光波的空间相干宽度实现了聚焦光斑尺度的定量测量；

2. 激光共聚焦具有亚微米水平的纵向分辨能力，本发明利用激光共聚焦方法实现聚焦点定位功能，大大提高了定位精度，同时也提高了测量精度；