[发明专利]一种激光光束质量因子测量方法

说明书

本发明涉及一种激光光束质量因子测量方法，该方法采用电机驱动的导轨滑台实现测量刀口的移动控制，将莫尔条纹测距原理应用在激光光束质量的测量当中，通过光电池组的反馈电流获得刀口的移动距离；并通过光栅对结构，以及莫尔条纹细分技术对刀口的移动位移进行精密测量，其激光光斑测量精度最优可达1nm量级；同时，也将光斑宽度的测量范围精细到μm量级，解决了极细型激光光斑宽度的自动测量问题。本发明具有快速、自动化测量的优点，同时保证测量结果具有很好可重复性。该方法避免了传统机械结构加工误差在自动测量过程中带来的影响。

技术领域

本发明涉及激光光束质量测量方法，特别是一种激光光束质量因子测量方法。适用于对光强空间分布近似为高斯型的激光光束进行测量，例如基模高斯光束，或者以基模为主的组合模激光光束。

背景技术

众所周知，光束质量是描述激光器综合性能的一个重要方面，通常采用光斑宽度、发散角、光束质量因子等参数来描述光束质量，较小的发散角与激光光束质量因子表征了一个激光器具有很好的空间准直特性。实际中，一般在多个位置对激光光斑宽度进行测量，通过分析计算获得发散角与激光光束质量因子等参数。考虑到各类激光器应用场合的不同，通常的激光光斑宽度一般会在0.1mm—10mm之间。根据最新研究报道，目前世界上最小的激光光斑宽度已经到了nm级别；同时，如此细小激光光束的出现也给实际激光光束质量的测量问题带来挑战。

在激光光斑宽度的测量方面，研究人员通常刀口仪的方法进行手工测量或是采用光束质量分析仪器对光束质量进行分析。对于手工测量，其测量过程比较麻烦，测量结果的重复性较差，刀口仪自身调节精度、探测元器件的响应精度，以及操作人员的认为因素均会对测量结果产生很大影响。

目前的光束质量分析仪器测量光斑宽度时，通常仅采用伺服步进电机驱动刀口的方式，对激光光斑进行扫描测量，其测试精度只能达到μm级别，其最小光束宽度的测量范围也仅为几十μm左右，无法实现对极细激光光束空间特性的有效测量。

而受制于机械转动系统加工精度的工艺水平，也将对激光光束宽度的测量误差产生很大影响。值得注意的是，在空间位移的精确测量方面，莫尔条纹测距方法具很大的优势，其测量范围可达1000mm，测量精度可达1nm。可以想象，将莫尔条纹测距方法引入到激光光束质量的测量当中，将会解决极细光束的测量问题，使得激光光束质量的快速、自动化、高精度测量成为可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种激光光束质量因子测量方法，其操作简便、实用性强，能够对激光光斑进行快速、自动、高精度测量，并具有测量范围宽的优点，解决了极细激光光斑宽度的自动测量问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种激光光束质量因子测量方法，其特征是：至少包括一个被测量的激光器，激光器通过光学单元将激光器的输出光分成两束，光学单元分出的第一束平行光束照射在功率探测器；光学单元分出的第二束平行光束照射在标尺光栅和指示光栅构成的莫尔条纹产生器输入面上，莫尔条纹产生器输出端有光电检测单元，指示光栅固定在机械扫描器上；在机械扫描器上安装有刀口；机械扫描器在控制单元控制下带动指示光栅和刀口同步移动；使刀口的边沿开始部分遮拦功率探测器接收光窗口，功率探测器获得的激光输出功率将逐渐减小或逐渐变大，当功率探测器测量激光输出功率达到最大功率的86％时，光电检测单元通过检测莫尔条纹产生器的莫尔条纹获得刀口移动的初始位置；随着刀口继续移动，当功率探测器测量激光输出功率达到最大功率的14％时，光电检测单元获得刀口移动的结束位置；控制处理单元依据初始位置、结束位置及光电检测单元检测的莫尔条纹数，得到激光器在不同位置的光斑宽度，通过不同位置的宽度获得光束质量因子、远场光束发散角θ、束腰位置Z₀、束腰宽度d₀的数值。