[發明專利]一種光束質量因子M2

在審

• 申請號: 202011404810.5
• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN113092070A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 宋祥;唐仕旺;胡舒武;武春風;李強;姜永亮;劉厚康;袁紅
• 申請（專利權）人: 武漢光谷航天三江激光產業技術研究院有限公司
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 北京恒和頓知識產權代理有限公司 11014
• 代理人: 王福新

本發明屬于光束質量因子M²測量技術領域，并具體公開了一種光束質量因子M²快速測量裝置及方法。所述裝置包括待取樣裝置、變焦裝置、光斑測量裝置和數據處理裝置，根據所述變焦裝置的焦距以及所述變焦裝置在不同焦距下所述光斑測量裝置實時采集和測量的光斑大小計算待測激光源的光束質量因子M²。所述方法包括：待測激光源發射激光，將激光進行衰減；對衰減后的激光進行聚焦，在連續變焦過程中實時采集和測量焦點處激光光斑大小，計算待測激光源的光束質量因子M²。本發明克服了傳統M²測量設備需要驅動反射鏡組進行大行程位移導致測量速度慢的缺點，具有原理清晰、調節速度快、操作簡便等優點，能夠大幅度提高光束質量因子M²的測量速度。

技術領域

本發明屬于光束質量因子M²測量領域，更具體地，涉及一種光束質量因子M²快速測量裝置及方法。

背景技術

光束質量作為激光器的核心指標受到了研究人員和用戶的普遍關注。為了準確評價激光器的光束質量，國內外研究人員從理論和實踐的角度提出了多種光束質量評價因子，最常用的有光束質量因子M²、衍射極限倍數因子β、桶中功率(PIB)、桶中功率比(BQ)、斯特涅爾比(SR)等等。為統一評價激光器輸出光束質量的標準，國際標準化組織(ISO)提出用M²因子表征光束質量的建議，得到了國內外的普遍認可。

根據ISO 11146-1:2005標準，M²因子定義為：

式中：

d₀——束腰寬度或束腰直徑；

θ——遠場光束發散角。

由于M²因子是利用二階矩方法，計算光束截面直徑的。基于束寬測量M²因子的方法進行了很多研究，具體有聚焦兩點法、調焦兩點法、三點法、多點擬合法等。原則上用三個不同位置的束寬就可以計算出M²因子，更多位置的測量是用來相互校核以減小誤差。沿傳播軸z測量光束在不同位置處的束寬d，用雙曲線擬合確定光束的傳輸輪廓，最后確定M²因子。根據ISO的有關標準，為了保證測量精度，至少測10次，必須有至少5次處于光束瑞利長度之內。束寬的擬合公式如下：

d²＝A+B·z+C·z²

用數理統計的知識求出雙曲線的系數A，B和C后，即可求得束腰位置z₀和直徑d₀、遠場發散角θ及M²因子，如以下公式所示：

常見的M²因子測量設備的工作原理如圖4所示，高功率待測光源經反射鏡、取樣裝置、衰減片后進入M²分析儀中，控制系統通過控制連接可移動導軌的伺服電機在束腰附近進行掃描，即可獲得光束沿傳播軸z在不同位置處的束寬d，經過雙曲線擬合處理后確定光束的傳輸輪廓，最終確定M²因子。根據ISO標準，為了保證測量精度，至少測10次，必須有至少5次處于光束瑞利長度之內。現有的M²測試設備，測量位置的移動是通過電動控制距離調節結構的機械位移，需經歷10次以上的移位-測量-擬合-移位過程，測量時間約為1min-2min。而高功率激光器的工作時間一般在較短，激光器本身以及光學元器件的長時間運行均會導致光束質量的劣化，使得長時間測出的M²值并不能真實反映激光束的光束質量，而是一段時間的平均值。

發明內容