專利名稱：：光束質量因子矩陣儀的制作方法
技術領域：
：本實用新型屬于激光光束質量分析領域，特別涉及一種激光光束N^矩陣的分析儀器。
背景技術：
：激光光束的質量好壞，直接影響到激光的應用。所以，必須對激光光束質量作定性和定量分析。上世紀九十年代初，Siegman提出采用M2因子描述激光光束質量，這一建議被國際標準化組織所采納，并于1991年公布了基于這一建議的IS0/TC172/SC9/WG1標準草案。2005年，國際標準化組織公布了最新版本的I^因子測量標準(ISO11146)。M2因子描述的是實際光束與理想基模高斯光束的差別，其測量和計算基于光束束寬的測量值。實驗中，束寬使用光束強度分布的二階矩來計算，這使得束寬的計算值與實驗中坐標系有關，故A^因子的測量值也與坐標系有關。對于激光光斑為非圓對稱的情況，坐標系不同，！^因子的測量值也不一樣，這給激光光束質量的評價帶來了不便。為了解決了上述問題，本專利申請的發明人提出了采用M"因子矩陣描述激光光束質量的新思路。N^因子矩陣定義為乂2M;一M^《_其中，M〗、il^分別為實驗室坐標系下x、y方向上的MZ因子。Mxy、Myx為表征光斑主軸與實驗室坐標系相對位置信息的交叉項。當實驗室坐標和光斑主軸重合時，此交叉項為零。通過1^2因子矩陣，可以計算光斑主軸與實驗室坐標系成任意角度時實驗室坐標系下x、y方向上的lV^因子。這樣，就將不同坐標系下測量所得的1V^因子有機的統一起來，因而解決了在實驗中由于坐標系不一樣給非圓對稱光束光束質量測量和評價時帶來的不便。由于采用N^因子矩陣來描述激光光束質量是一種新思路，因此目前尚無人公開M2因子矩陣的測量方法和測量儀器。現有的IV^因子測量方法和儀器雖然可以借鑒，但必須進行改造。M2因子的測量一般采用可變光闌法、小孔光闌法，移動狹縫法、刀口法和電荷耦合器件(CCD)來完成，其中，采用電荷耦合器件(CCD)來完成]^因子的測量操作最為簡單。公開號為CN1766531A的專利申請公開了一種激光光束質量M2因子實時檢測儀，包括依次的同光路的聚焦透鏡、光柵組、光路調整器、CCD,聚焦透鏡對激光器發出的激光束進行聚焦，光柵組是由兩塊光柵組成的分光系統，將一束激光分成等光強的3X3條光束的光束組，光路調整器為包括9個反射鏡片組成的鏡片陣列，光柵組分成的9條等光強光束經過光路調整器的各反射鏡片在CCD的接收面形成9個相互不重疊的光斑，CCD為一個，其輸出端通過信號線與計算機相連，將光斑數據傳送給計算機，經計算機處理獲IV^因子。將此種激光光束質量I^因子實時檢測儀的計算機程序進行改造后雖然可以用于測量M2因子矩陣，但由于此種檢測儀是在CCD的一個接收面上形成多個光斑，每一個光斑的在CCD芯片上的有效面積就變得很小，而束寬的測量是基于光軸截面上待測位置光強分布的二階距，二階距積分的積分區間理論上應該是無窮大，因此，測量精度較低。由于出現在同一CCD面上的最大的光斑和最小的光斑能量密度相差較大，很容易出現最小光斑處已經令CCD飽和而最大光斑在CCD上成的像灰度值還較低的情況，因而限制了測量的精度和使用范圍。
實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種光束質量因子矩陣儀，此種測量儀器不僅測量精度大幅度提高，而且測量時間短，使用簡單，操作方便。本實用新型所述光束質量因子矩陣儀，由衰減倍數可調的線性衰減器、分束器、焦距可調的聚焦器、分束器組、光電探測器、同步控制器、電荷耦合器件組、路由器和計算機組成，分束器組包括至少9個分束器，電荷耦合器件組包括至少10個電荷耦合器件；衰減倍數可調的線性衰減器、分束器、焦距可調的聚焦器、分束器組依次放置在同一光路上，分束器組中的分束器至少有二分之一位于瑞利距離以內；所述分束器將入射激光分成兩束，其中一束沿原光路傳播，另一束至光電探測器，光電探測器將信號實時發送給同步控制器；分束器組中的各分束器將經聚焦器聚焦后的入射激光分成兩束，其中一束沿原光路傳播，另一束至對應的電荷耦合器件接收面，分束器組中處于末端的分束器所分成的兩束激光分別被兩個電荷耦合器件接收；同步控制器分別與計算機及電荷耦合器件組中的各電荷耦合器件連接，當接收到光電探測器發送的激光入射信號時，同時觸發各電荷耦合器件工作，并向計算機發出己進行了一次觸發的信號；路由器分別與計算機及電荷耦合器件組中的各電荷耦合器件連接，將來自各電荷耦合器件的數據傳送給計算機；計算機對接收到的數據進行處理并輸出被測激光的Ma因子矩陣結果。本實用新型所述光束質量因子矩陣儀中，焦距可調的聚焦器、光電探測器、同步控制器、分束器組、電荷耦合器件組的優選技術方案如下-1、焦距可調的聚焦器由一個凸透鏡和一個凹透鏡組合而成，其焦距按下式計算f二(/-斗/2式中，/為凸透鏡的焦距，/2為凹透鏡的焦距，d為凸透鏡和凹透鏡之間的距離。2、光電探測器為光電二極管。3、同步控制器包括放大器、比較器、微處理器和計算機(PC)接口電路；放大器與比較器連接，將來自光電探測器的信號進行放大處理后傳送給比較器；比較器與微處理器連接，將來自放大器的信號與其設置的基準電平進行比較并將比較結果信號傳送給微處理器；微處理器與計算機接口電路及電荷耦合器件組中的各電荷耦合器件連接，當接收到大于比較器所設置的基準電平的比較結果信號時，發出同步控制信號，同時觸發各電荷耦合器件工作，并通過計算機接口電路向計算機發出已進行了一次觸發的信號。4、沿光路方向，分束器組中各分束器的反射率依次增大。5、耦合器件組中的各電荷耦合器件均為具有以太網接口、能被外觸發和通過計算機程序調整曝光時間的電荷耦合器件。本實用新型具有以下有益效果1、本實用新型所述光束質量因子矩陣儀采用多個電荷耦合器件(至少10個)同時測量被測激光同一時刻不同光程處的光斑，即一個電荷耦合器件(CCD)的接收面只形成一個光斑，因而每一個光斑的在CCD芯片上的有效面積很大，根據二階距積分的積分區間在理論上應該是無窮大的規則，與公開號為CN1766531A的專利申請相比，測量精度大大提高。2、本實用新型所述光束質量因子矩陣儀采用多個電荷耦合器件(至少10個)同時測量被測激光同一時刻不同光程處的光斑，即一個電荷耦合器件(CCD)的接收面只形成一個光斑，因而可以通過調整各電荷耦合器件曝光時間的方法來使得每一個電荷耦合器件獲得足夠響應且不飽和，因而可有效提高測量精度。3、本實用新型所述光束質量因子矩陣儀不僅能對連續激光的M2因子矩陣實時測量，也能對脈沖激光的]VP因子矩陣實時測量。4、由于采用電荷耦合器件測量被測激光的光斑，采用計算機處理數據，因而本發明所述光束質量因子矩陣儀測量時間短，使用簡單，操作方便。圖1是本實用新型所述光束質量因子矩陣儀的一種結構簡圖；圖2是同步控制器的一種電路結構框圖；圖3是焦距可調的聚焦器一種結構簡圖4是本實用新型所述光束質量因子矩陣儀的工作流程圖5是本實用新型所述光束質量因子矩陣儀測量激光光束M2因子矩陣的程序圖。圖中，l一激光器、2—衰減倍數可調的線性衰減器、3—分束器、4一焦距可調的聚焦器、5—分束器組、6—光電探測器、7—電荷耦合器件組、8—同步控制器、9一路由器、IO—計算機、11—凸透鏡、12—凹透鏡、13—放大器、14—比較器、15—微處理器、16—計算機(PC)接口電路。具體實施方式以下結合附圖對本實用新型所述激光光束M2因子矩陣的測量方法與測量儀器作進一步說明。實施例l本實施例中，光束質量因子矩陣儀的結構如圖l所示，由衰減倍數可調的線性衰減器2、分束器3、焦距可調的聚焦器4、分束器組5、光電探測器6、同步控制器8、電荷耦合器件組7、路由器9和計算機10組成，分束器組5中有9個分束器，電荷耦合器件組7中有10個電荷耦合器件(CCD)。衰減倍數可調的線性衰減器2選用GCC-3010(由大恒光電生產)；分束器3為一種低反射率的反射鏡，其反射率為5%;焦距可調的聚焦器4由一個凸透鏡11和一個凹透鏡12組合而成(如圖3所示)，凸透鏡和凹透鏡的焦距均為20cm(能滿足大多數測量需要)，凸透鏡和凹透鏡之間的距離d取10cm;分束器組中的9個分束器均為兼具反射與透射性能的光學元件，沿光路方向，9個分束器的反射率依次為10%、11%、12.5%、14.3%、16.7%、20%、25%、33.3%、50%;光電探測器6為PIN硅光二極管，選用四川火狐電子公司生產的FFD-100型；同步控制器8的結構如圖2所示，包括放大器13、比較器14、微處理器15和計算機(PC)接口電路16，放大器13選用型號為LMC662的寬帶低噪聲放大器，比較器14選用LMH7322，微處理器15選用C8051F330,計算機接口電路16選用芯片2102;'電荷耦合器件組7中的IO個電荷耦合器件均為具有以太網接口、能被外觸發和通過計算機程序調整曝光時間的電荷耦合器件，選用微視圖公司的MVC1450DAM-GE15CCD數字攝像機；路由器9為一般以太網使用的通用路由器，至少具有12個接口；計算機10為一般的PC機。如圖1所示，衰減倍數可調的線性衰減器2、分束器3、焦距可調的聚焦器4、分束器組5依次放置在同一光路上，分束器組5中的分束器有5個位于瑞利距離以內，有4個位于兩倍瑞利距離以外。分束器3將入射激光分成兩束，其中一束沿原光路傳播，另一束至光電探測器6，光電探測器6將信號實時發送給同步控制器8。分束器組5中的各分束器將經聚焦器4聚焦后的入射激光分成兩束，其中一束沿原光路傳播，另一束至對應的電荷耦合器件接收面，分束器組5中處于末端的分束器所分成的兩束激光分別被兩個電荷耦合器件接收。同步控制器8中的放大器13接收來自光電探測器6的信號，并將接收到的信號進行放大處理后傳送給比較器14，比較器14將來自放大器的信號與其設置的基準電平進行比較并將比較結果信號傳送給微處理器15，微處理器15接收到大于比較器所設置的基準電平的比較結果信號時，發出同步控制信號，同時觸發各電荷耦合器件工作，并通過計算機接口電路16向計算機10發出已進行了一次觸發的信號(見圖2)。路由器9分別與計算機10及電荷耦合器件組7中的各電荷耦合器件連接，將來自各電荷耦合器件的數據傳送給計算機10;計算機對接收到的數據進行處理并輸出激光光束N^因子矩陣的結果。本實施例中，光束質量因子矩陣儀的工作流程如圖4所示1、預熱與自檢首先開機進行預熱，5-10分鐘即可，以使PIN硅光二極管、電荷耦合器件(CCD)的工作狀態穩定。預熱之后，測量儀將進行自檢，自動記錄在沒有激光脈沖進入測量儀時PIN硅光二極管以及電荷耦合器件(CCD)的輸出值，己備測量時數據處理之用。2、初始參數的輸入與預測量自檢通過則進行初始參數的手動輸入和預測量，初始參數的手動輸入是用以提供給計算機計算線性衰減器2的大致衰減倍數和聚焦器4的焦距大小，預測量是在參數不清楚的情況下進行測量，通過測量所得重新計算適合的衰減倍數及焦距，并提供數據給用戶用于調整線性衰減器2和聚焦器4的焦距。參數設定中，激光波長為必填選項，用以計算瑞利距離，并以此來決定聚焦器的焦距。線性衰減器2衰減倍數的調整是為了使得電荷耦合器件(CCD)能夠工作在其線性區，聚焦器4焦距的調整是為了使得10個電荷耦合器件(CCD)的前5個在瑞利距離以內，后5個在兩倍瑞利距離以外。3、測量所有的調整完成之后，系統等待被測激光的到來，當有激光入射到系統中時，PIN硅光二極管首先作出反應，將信號實時發送給同步控制器8，經過同步控制器內的微處理器15發出同步控制信號，同時觸發各電荷耦合器件工作，并通過計算機接口電路16向計算機10發出己進行了一次觸發的信號，告訴計算機已經采集了一次數據。電荷耦合器件(CCD)采集完數據后現將數據存儲在其自身的數據緩存中，等待計算機讀取。計算機通過網絡接口，發信息給電荷耦合器件(CCD),讀取數據。計算機與電荷耦合器件(CCD)的通信鏈路通過路由器9完成。一次測量完成之后，計算機的程序將對數據結果進行初步處理，給出線性衰減器2的衰減倍數和聚焦器4焦距的修正值，并對電荷耦合器件(CCD)的曝光時間進行微調，為下一次更佳的進行測量做好準備；計算機對接收到的數據進行處理并輸出被測激光的M2因子矩陣結果。實施例2本實施例使用實施例1所述的光束質量因子矩陣儀對激光器1輸出的激光進行M2因子矩陣測量。光束質量因子矩陣儀的工作流程見圖4,激光光束M2因子矩陣測量的程序見圖5。1、預熱與自檢預熱時間為5分鐘，預熱之后，使測量儀進行自檢。2、初始參數的輸入與預測量初始參數為輸入波長652nm，聚焦器4的焦距20cra。經過預測量之后，程序給出參考調整參數聚焦器4中凸透鏡和凹透鏡之間的距離d取10cm，線性衰減器2的衰減倍數1000倍。各CCD曝光時間的調整由計算機自動完成。3、測量(1)被測激光入射到系統中時，PIN硅光二極管將信號實時發送給同步控制器8，通過同步控制器內的微處理器15發出同步控制信號，同時觸發各電荷耦合器件工作，得到被測激光同一時刻不同光程處的IO個光斑(2)對步驟(1)得到的被測激光的各光斑圖通過計算機進行以下處理①去除光斑圖的背景噪聲，計算其二階距(二階距的計算見IS011146)，得到被測激光同一時刻10個不同光程處的束寬，見下表表1被測激光同一時刻10個不同光程處的束寬<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>②根據被測激光同一時刻不同光程處的束寬及所對應的光程位置，采用最小二乘法進行擬合，得到被測激光在實驗室坐標系下的N^因子M、M^;M:=3.17《=1.86(3)通過計算機將步驟1得到的被測激光的各光斑圖旋轉a角(本實施例a=9°，光斑圖旋轉可見《數字圖像處理學》，阮秋琦編著，2001年01月第1版，電子工業出版社)，再按步驟(2)的處理方法得到旋轉后的MZ因子:.M^、M,=，(4)通過實驗室坐標系下的N^因子M、My2、旋轉后的M"因子i^各光斑圖旋轉的角度a,按照下式計算被測激光的M2因子矩陣《i一乾2.cos2a—《.sin2orMx2Mj'sin2a+M5'cos2q;-M2sinacosa2'sinacosaM-23.17—0.5549一0.55491.8權利要求1、一種光束質量因子矩陣儀，其特征在于由衰減倍數可調的線性衰減器(2)、分束器(3)、焦距可調的聚焦器(4)、分束器組(5)、光電探測器(6)、同步控制器(8)、電荷耦合器件組(7)、路由器(9)和計算機(10)組成，分束器組(5)包括至少9個分束器，電荷耦合器件組(7)包括至少10個電荷耦合器件；衰減倍數可調的線性衰減器(2)、分束器(3)、焦距可調的聚焦器(4)、分束器組(5)依次放置在同一光路上，分束器組(5)中的分束器一半位于瑞利距離以內；所述分束器(3)將入射激光分成兩束，其中一束沿原光路傳播，另一束至光電探測器(6)，光電探測器(6)將信號實時發送給同步控制器(8)；分束器組(5)中的各分束器將經聚焦器(4)聚焦后的入射激光分成兩束，其中一束沿原光路傳播，另一束至對應的電荷耦合器件接收面，分束器組(5)中處于末端的分束器所分成的兩束激光分別被兩個電荷耦合器件接收；同步控制器(8)分別與計算機(10)及電荷耦合器件組(7)中的各電荷耦合器件連接，當接收到光電探測器(6)發送的激光入射信號時，同時觸發各電荷耦合器件工作，并向計算機(10)發出已進行了一次觸發的信號；路由器(9)分別與計算機(10)及電荷耦合器件組(7)中的各電荷耦合器件連接，將來自各電荷耦合器件的數據傳送給計算機(10)；計算機(10)對接收到的數據進行處理并輸出被測激光的M2因子矩陣結果。2、根據權利要求1所述的光束質量因子矩陣儀，其特征在于焦距可調的聚焦器(4)由一個凸透鏡(ll).和一個凹透鏡(12)組合而成，其焦距按下式計算式中，/為凸透鏡(11)的焦距，/2為凹透鏡(12)的焦距，d為凸透鏡和凹透鏡之間的距離。3、根據權利要求1或2所述的光束質量因子矩陣儀，其特征在于光電探測器(6)為光電二極管。4、根據權利要求1或2所述的光束質量因子矩陣儀，其特征在于同步控制器(8)包括放大器(13)、比較器(14)、微處理器(15)和計算機接口電路(16);放大器(13)與比較器(14)連接，將來自光電探測器的信號進行放大處理后傳送給比較器；比較器(14)與微處理器(15)連接，將來自放大器的信號與其設置的基準電平進行比較并將比較結果信號傳送給微處理器；微處理器(15)與計算機接口電路(16)及電荷耦合器件組(7)中的各電荷耦合器件連接，當接收到大于比較器所設置的基準電平的比較結果信號時，發出同步控制信號，同時觸發各電荷耦合器件工作，并通過計算機接口電路(16)向計算機(10)發出已進行了一次觸發的信號。5、根據權利要求3所述的光束質量因子矩陣儀，其特征在于同步控制器(8)包括放大器(13)、比較器(14)、微處理器(15)和計算機接口電路(16);放大器(13)與比較器(14)連接，將來自光電探測器的信號進行放大處理后傳送給比較器；比較器(14)與微處理器(15)連接，將來自放大器的信號與其設置的基準電平進行比較并將比較結果信號傳送給微處理器；微處理器(15)與計算機接口電路(16)及電荷耦合器件組(7)中的各電荷耦合器件連接，當接收到大于比較器所設置的基準電平的比較結果信號時，發出同步控制信號，同時觸發各電荷耦合器件工作，并通過計算機接口電路(16)向計算機(10)發出己進行了一次觸發的信號。6、根據權利要求1或2所述的光束質量因子矩陣儀，其特征在于沿光路方向，分束器組(5)中各分束器的反射率依次增大。7、根據權利要求5所述的光束質量因子矩陣儀，其特征在于沿光路方向，分束器組(5)中各分束器的反射率依次增大。8、根據權利要求1或2所述的光束質量因子矩陣儀，其特征在于電荷耦合器件組(7)中的各電荷耦合器件均為具有以太網接口、能被外觸發和通過計算機程序調整曝光時間的電荷耦合器件。9、根據權利要求7所述的光束質量因子矩陣儀，其特征在于電荷耦合器件組(7)中的各電荷耦合器件均為具有以太網接口、能被外觸發和通過計算機程序調整曝光時間的電荷耦合器件。專利摘要一種光束質量因子矩陣儀，由衰減倍數可調的線性衰減器、分束器、焦距可調的聚焦器、分束器組、光電探測器、同步控制器、電荷耦合器件組、路由器和計算機組成，分束器組包括至少9個分束器，電荷耦合器件組包括至少10個電荷耦合器件。同步控制器分別與計算機及電荷耦合器件組中的各電荷耦合器件連接，當接收到光電探測器發送的激光入射信號時，同時觸發各電荷耦合器件工作，并向計算機發出已進行了一次觸發的信號；路由器分別與計算機及電荷耦合器件組中的各電荷耦合器件連接，將來自各電荷耦合器件的數據傳送給計算機；計算機對接收到的數據進行處理并輸出被測激光的M<sup>2</sup>因子矩陣結果。文檔編號G01J1/42GK201285324SQ200820141228公開日2009年8月5日申請日期2008年11月7日優先權日2008年11月7日發明者馮國英,周壽桓,瑋李,鄧國亮申請人:四川大學