[發(fā)明專利]測(cè)量光束發(fā)散角及激光質(zhì)量因子的測(cè)量裝置及其測(cè)試方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811470301.5
• 申請(qǐng)日: 2018-11-27
• 公開（公告）號(hào): CN109798847B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓建;肖東;葉慧琪;唐靚;翟洋;郝志博;徐韋佳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G01B11/26
• 分類號(hào): G01B11/26;G01M11/02
• 代理公司: 江蘇致邦律師事務(wù)所 32230
• 代理人: 栗仲平

1.一種測(cè)量光束發(fā)散角及激光質(zhì)量因子的測(cè)量裝置，在光路上設(shè)有透鏡與待測(cè)光纖，其特征在于，光路上的透鏡后方還依次設(shè)有衰減模塊、分光元件和感光元件；所述感光元件輸出的光斑圖像接計(jì)算機(jī)；

所述衰減模塊采用衰減片，該衰減片為中性密度衰減片或者漸變式衰減片；

所述分光元件將待測(cè)光束分束成兩束或者多束具有已知光程差的光束，當(dāng)該分光元件是雙束分光元件時(shí)，為通過立體分光棱鏡與直角棱鏡膠合構(gòu)成的雙束分光元件，或者是使用菱形棱鏡與直角棱鏡膠合構(gòu)成的雙束分光元件，或者是單個(gè)的橫向偏移分光鏡；

當(dāng)所述分光元件為多束分光元件時(shí)，該分光元件是通過使用多個(gè)立體分光棱鏡與直角棱鏡膠合構(gòu)成的多束分光元件，或者是使用多個(gè)菱形棱鏡與直角棱鏡膠合構(gòu)成的多束分光元件；

所述感光元件為單個(gè)CCD或CMOS，或者是光斑分析儀，或是多個(gè)感光元件的組合；

所述的透鏡為單個(gè)透鏡，或是透鏡組；

所述雙束分光元件或者多束分光元件元件膠合之間鍍不同類型的薄膜；所述不同類型的薄膜是指鍍不同波段的膜，使得光束在特定波段內(nèi)截止或通過，或者是鍍不同能量透射反射比的膜層，使得多光束分束能量基本相同。

2.權(quán)利要求1所述的測(cè)量光束發(fā)散角及激光質(zhì)量因子的測(cè)量裝置的測(cè)試方法，其特征在于，測(cè)試步驟如下：

1）測(cè)量光纖的焦比退化：將光纖放置到分光元件的前面，在分光元件后的感光元件處接收到兩束甚至多束光斑，通過計(jì)算機(jī)對(duì)光斑圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后獲得每個(gè)光斑的光束半徑w1和w2，或者wi；其光斑的半徑為光束峰值強(qiáng)度的1/e²所處的位置；根據(jù)兩個(gè)光斑半徑w1和w2，以及兩個(gè)光斑的光程差l，從而根據(jù)公式獲得光束的發(fā)散角；公式表示為，θ為光束的半發(fā)散角；

2）測(cè)量激光光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角及光束質(zhì)量因子，其測(cè)試方法根據(jù)采用的分光元件的不同而不同；

當(dāng)采用雙束光束分光元件時(shí)，采用兩點(diǎn)法，或者光斑計(jì)算法，其具體方法為：

激光光束經(jīng)過會(huì)聚透鏡、衰減模塊，和分光元件后，在感光元件處獲得激光光束的兩個(gè)不同光斑，重復(fù)測(cè)量光束發(fā)散角的步驟，獲得激光光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θ；

根據(jù)激光光斑半徑與激光傳輸距離的變化關(guān)系，可以獲得：

；

上式中z₀為光斑與聚焦后激光光束的束腰的距離，a為兩個(gè)光斑的光程差，z_R為激光的瑞利距離；w₀為聚焦后激光的束腰半徑，w1和w2為感光元件獲得的兩個(gè)不同光程差的光斑半徑；通過上式獲得聚焦后光斑的束腰半徑w₀，光斑遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角2θ、光斑的瑞利距離z_R以及匯聚后激光束腰的位置z₀；

根據(jù)上式求得的聚焦后光束的參數(shù)，求得激光光束的質(zhì)量因子M²，其計(jì)算式為：，式中，λ為所測(cè)激光的波長(zhǎng)；

當(dāng)采用多束光束分光元件時(shí)，采用雙曲線擬合法，其具體方案為：

當(dāng)使用多束光束分光器時(shí)，單束待測(cè)光束分成多束光束，且光束之間的光程差固定，每束光束傳播的距離根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算，其所用的多束分光元件結(jié)構(gòu)，透鏡到分光元件的距離為L(zhǎng)₀，分光元件到感光元件的距離為L(zhǎng)₁，光束在分光元件中的傳播距離與分光元件的尺寸a有關(guān)，第一束光束的距離z₁=L₀+L₁+a，則第二束光束的傳播距離z₂為z₂=L₀+L₁+2a，依次計(jì)算可獲得多束光束的傳輸距離z_i=L₀+L₁+ia，當(dāng)使用感光元件接收到每束光束的光斑，通過計(jì)算即獲得多束光斑的半徑W_i，在已知光束的傳播距離z_i條件下，測(cè)量到的光斑半徑或者直徑變化規(guī)律是按照激光半徑隨距離的變化規(guī)律相同；測(cè)量到的激光半徑為雙曲線變化，并且滿足關(guān)系式：w²＝Az²+Bz+C；通過曲線擬合，獲得擬合的激光半徑公式及相應(yīng)的A，B，C值；從而計(jì)算出激光的參數(shù)值如下式：

激光光束參數(shù)主要包括：激光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角（半角）θ，激光束腰半徑w₀，激光束腰位置Z_w，激光瑞利距離Z_R以及激光質(zhì)量因子M²。