專利名稱：用于測量超連續譜光源光束質量的測量裝置和方法
技術領域：
本發明涉及超連續譜光源光束質量的測量技術，尤其是一種使用光譜重心對超連續譜光源光束質量進行測量的方法。
背景技術：
光束質量是激光應用技術中極為重要的參數，它是從質的方面評價激光特性的性能指標，對激光器的設計、制造、檢測和應用等均具有十分重要的指導意義。目前已經有很多的方法對激光的光束質量進行評價，如M2因子、桶中功率、斯特列爾比等[馮國英，周壽桓，“激光光束質量綜合評價的探討，”中國激光，2009,36,1643-1653]，其中M2因子定義為實際光束的光斑半徑與其遠場發散角的乘積與理想高斯基模光束的相應乘積之比，桶中功率為遠場平面內實際光束在某一固定半徑的桶內的功率與該光源總功率的比值，斯特列爾比定義為實際光束峰值功率與理想光束峰值功率的比值。針對這些方法也有相應的光束質量測量裝置對其進行測量(如專利號ZL 200620039036.1和200510030096.7的專利所述)。但是這些方法與測量裝置僅適用于傳統的準單色窄帶光譜激光光源。超連續譜光源是一種新型的寬譜光源，具有傳統激光相干性好、亮度高、方向性好等優點，同時也具有很寬的光譜(通常大于I THZ)。由于超連續譜光源的寬譜特性，前面介紹的傳統激光光束質量的評價方法與測量裝置并不適合對超連續譜光源的光束質量進行評價與測量。目前對超連續譜光源光束質量進行評價所采取的主要方法是使用濾波的方法(如窄帶濾波片)將超連續譜光源中的光譜成分濾出，對濾出的窄帶光使用傳統光束質量測量裝置進行測量[X.Chenan, X.Zhao, M.N.1slam, F.L.Terry, M.J.Freeman, A.ZakeI, andJ.Mauricio, " 10.5ff Time-Averaged Power Mid-1R Supercontinuum GenerationExtending Beyond 4 μ m With Direct Pulse Pattern Modulation, " IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics, 2009，15，422-434],并沒有對超連續譜光源的整體光束質量進行測量，這樣就不能反映整個光源的特性，失去其整體作為新型的寬光譜光源的價值。除此之外，研究人員也對產生超連續譜光源的重要非線性介質光子晶體光纖的光束質量進行了研究，但這一方法同樣也是針對單一波長進行的，并不能反映通過光子晶體光纖產生的超連續譜光源的整體光束質量[Y.Vidne and M.Rosenbluh，" Spatialmodes in a PCF fiber generated continuum, " Opt.Express, 2005，13，9721-9728]。
發明內容
本發明要解決的技術問題是:提供一種用于測量超連續譜光源光束質量的測量裝置及方法，采用該裝置及方法可以將超連續譜光源作為一個整體對其光束質量進行評價與測量，而不是對其光束質量進行分波長的測量。本發明的原理是:首先使用光譜儀對超連續譜光源的光譜進行測量，根據測量結果求得光譜分布的一階矩即光譜重心。使用面陣CCD對超連續譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量，由測量結果使用二階矩方法求得近場光斑半徑與遠場發散角。將光譜重心處的理想高斯基模光束作為參考光束，計算測得的超連續譜光束參數積(beamparameter product,記作BPP,即其近場光斑半徑與遠場發散角的乘積)與參考光束的光束參數積的比值，定義該比值為SC-M2因子(SC: supercontinuum,超連續譜),使用該值對超連續譜光源光束質量進行評價。本發明具體采用的技術方案是:一種用于測量超連續譜光源光束質量的測量裝置，包括光譜儀、反射鏡、寬波段分光棱鏡、近場面陣CCD、遠場面陣CCD和用于處理測量信息的計算機；所述光譜儀用于測量所述超連續譜光源的光譜；所述超連續譜光源輸出的超連續譜光束經反射鏡進行準直擴束，再經過寬波段分光棱鏡進行分光得到反射光束和透射光束，所述反射光束由近場面陣CXD測量近場光場分布，所述透射光束由遠場面陣CXD測量遠場光場分布，所述遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離大于所述超連續譜光源光束的瑞利距離；所述計算機根據所述超連續譜光源的光譜、所述近場光場分布和所述遠場光場分布計算得到測量結果。優選地，所述遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離為所述超連續譜光源光束的瑞利距離的10倍。優選地,所述光譜儀的光譜測量范圍包括整個所述超連續譜光源的光譜范圍。優選地，所述反射鏡為鍍金膜的離軸拋物面反射鏡。本發明還提供一種用于測量超連續譜光源光束質量的測量方法，包括以下步驟:S1.使用光譜儀對所述超連續譜光源的光譜進行測量，然后根據測量結果計算光譜分布的一階矩，得到光譜重心；S2.分別使用面陣CXD對超連續譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量，對測量結果分別采用二階矩方法計算得到近場光斑半徑和遠場發散角，然后計算所述超連續譜光束的光束參數積；S3.以步驟SI得到的光譜重心為波長構造理想高斯基模光束，計算所述理想高斯基模光束的光束參數積；S4.將步驟S2得到的超連續譜光束的的光束參數積除以步驟S3得到的理想高斯基模光束的光束參數積的結果作為用于評價所述超連續譜光源的光束質量的評價因子，對所述超連續譜光源的光束質量進行評價。優選地，所述步驟S4中對所述超連續譜光源的光束質量進行評價的步驟包括:根據所述評價因子與I進行比較，評價因子接近I的光束為質量好的光束。優選地，所述步驟S2中分別使用面陣C⑶對超連續譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量的步驟包括:S21.將超連續譜光源輸出的超連續譜光束經過反射鏡進行準直擴束；S22.再通過寬波段分光棱鏡進行分光得到反射光束和透射光束；S23.對步驟S22得到的反射光束采用近場面陣CXD測量近場光場分布，并且對所述透射光束采用遠場面陣CCD測量遠場光場分布，所述遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離大于所述超連續譜光源光束的瑞利距離。優選地，所述步驟S23中遠場面陣CXD距離所述反射鏡的距離為所述超連續譜光束的瑞利距離的10倍。
優選地，所述步驟SI中光譜儀的光譜測量范圍包括整個所述超連續譜光源的光譜范圍。優選地，所述步驟S2中的反射鏡為鍍金膜的離軸拋物面反射鏡。本發明可以達到以下技術效果:對超連續譜光源光譜的測量計算其光譜重心，以光譜重心為中心波長構建高斯基模光束作為參考光束，通過對超連續譜光源近場束寬及遠場發散角的測量，可對寬光譜超連續譜光源的光束質量進行整體評價，而不是僅僅對光源中某些光譜成分的光束質量進行評價與測量。
圖1為超連續譜光源光譜測量示意圖；圖2為本發明·測量裝置實施例的結構示意圖；圖3為本發明測量方法的流程圖；圖4是本發明測量方法實施例中測量近場光場分布和遠場光場分布的流程圖。
具體實施例方式圖1所示為超連續譜光源光譜測量示意圖，圖中超連續譜輸出端I輸出的超連續譜由光譜儀2接收并對其光譜進行測量。測量過程中根據光譜儀2的性能選擇分辨率，并且其光譜測量范圍應覆蓋整個超連續譜光源的光譜范圍，一般為從所測光譜最大值對應的波長與小于該最大值60dB的值對應的波長之間的范圍。圖2所示為本發明超連續譜光源光束質量測量裝置的一個實施例。包括鍍金膜的離軸拋物面反射鏡3、分光棱鏡4、近場面陣CXD 5和遠場面陣(XD6，以及用于處理測量信息的計算機7。圖中加箭頭的實線表示光束。由超連續譜輸出端I輸出的超連續譜光束經反射鏡3準直擴束，之后經寬波段分光棱鏡4分光，反射光束由近場面陣CCD 5測量近場光場分布，對測量結果使用二階矩方法可以計算出光場近場光斑大小W。透射光束經傳輸十倍的超連續譜光束瑞利距離即圖中所示的Z=IOL (L為超連續譜光束瑞利距離)時，光場分布是超連續譜光束的遠場分布，由遠場面陣CCD6測量，對結果使用二階矩方法可以計算出光場近場光斑大小，將之除以傳輸距離即可得到光束遠場發散角Θ。同時根據超連續譜光源光譜分布計算得到的光譜重心，然后計算得到超連續譜光源的整體光束質量。圖3和圖4所示為本發明測量方法的流程圖。本發明的測量方法的具體技術方案可以進一步說明如下:首先使用光譜儀對超連續譜光源的光譜進行測量，測量過程中根據光譜儀的性能選擇分辨率，并且光譜測量范圍應覆蓋整個超連續譜光源的光譜范圍，一般為從所測光譜最大值對應的波長與小于該最大值60dB的值對應的波長之間的范圍。對測得的光譜求一階矩，如下式
權利要求
1.一種用于測量超連續譜光源光束質量的測量裝置，其特征在于:包括光譜儀(2)、反射鏡(3)、寬波段分光棱鏡(4)、近場面陣CXD (5)、遠場面陣CXD (6)和用于處理測量信息的計算機(7);所述光譜儀(2)用于測量所述超連續譜光源的光譜；所述超連續譜光源輸出的超連續譜光束經反射鏡(3)進行準直擴束，再經過寬波段分光棱鏡(4)進行分光得到反射光束和透射光束，所述反射光束由近場面陣(XD (5)測量近場光場分布，所述透射光束由遠場面陣CXD (6)測量遠場光場分布；所述遠場面陣CXD (6)距離所述反射鏡(3)的距離大于所述超連續譜光源光束的瑞利距離；所述計算機(7)根據所述超連續譜光源的光譜、所述近場光場分布和所 述遠場光場分布計算得到測量結果。
2.根據權利要求1所述的用于測量超連續譜光源光束質量的測量裝置，其特征在于:所述遠場面陣CCD (6)距離所述反射鏡(3)的距離為所述超連續譜光源光束的瑞利距離的10倍。
3.根據權利要求1或2所述的用于測量超連續譜光源光束質量的測量裝置，其特征在于:所述光譜儀(2)的光譜測量范圍包括整個所述超連續譜光源的光譜范圍。
4.根據權利要求1或2所述的用于測量超連續譜光源光束質量的測量裝置，其特征在于:所述反射鏡(3)為鍍金膜的離軸拋物面反射鏡。
5.一種用于測量超連續譜光源光束質量的測量方法，其特征在于包括以下步驟: 51.使用光譜儀對所述超連續譜光源的光譜進行測量，然后根據測量結果計算光譜分布的一階矩，得到光譜重心； 52.分別使用面陣CCD對超連續譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量，對測量結果分別采用二階矩方法計算得到近場光斑半徑和遠場發散角，然后計算所述超連續譜光束的光束參數積； 53.以步驟SI得到的光譜重心為波長構造理想高斯基模光束，計算所述理想高斯基模光束的光束參數積； 54.將步驟S2得到的超連續譜光束的的光束參數積除以步驟S3得到的理想高斯基模光束的光束參數積的結果作為用于評價所述超連續譜光源的光束質量的評價因子，對所述超連續譜光源的光束質量進行評價。
6.根據權利要求5所述的用于測量超連續譜光源光束質量的測量方法，其特征在于:所述步驟S4中對所述超連續譜光源的光束質量進行評價的步驟包括:根據所述評價因子與I進行比較，評價因子接近I的光束為質量好的光束。
7.根據權利要求5或6所述的用于測量超連續譜光源光束質量的測量方法，其特征在于:所述步驟S2中分別使用面陣CCD對超連續譜光束的近場光場分布以及遠場光場分布進行測量的步驟包括: 521.將超連續譜光源輸出的超連續譜光束經過反射鏡進行準直擴束； 522.再通過寬波段分光棱鏡進行分光得到反射光束和透射光束； 523.對步驟S22得到的反射光束采用近場面陣CCD測量近場光場分布，并且對所述透射光束采用遠場面陣CCD測量遠場光場分布，所述遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離大于所述超連續譜光源光束的瑞利距離。
8.根據權利要求7所述的用于測量超連續譜光源光束質量的測量方法，其特征在于:所述步驟S23中遠場面陣CCD距離所述反射鏡的距離為所述超連續譜光束的瑞利距離的10倍。
9.根據權利要求8所述的用于測量超連續譜光源光束質量的測量方法，其特征在于:所述步驟SI中光譜儀的光譜測量范圍包括整個所述超連續譜光源的光譜范圍。
10.根據權利要求8所述的用于測量超連續譜光源光束質量的測量方法，其特征在于:所述步驟S2中的反 射鏡為鍍金膜的離軸拋物面反射鏡。
全文摘要
本發明涉及超連續譜光源光束質量的測量技術，提供一種用于測量超連續譜光源光束質量的測量裝置和方法。測量裝置包括光譜儀、反射鏡、寬波段分光棱鏡、近場面陣CCD、遠場面陣CCD和用于處理測量信息的計算機。測量方法包括使用光譜儀對超連續譜光源的光譜進行測量，根據測量結果求得光譜重心；使用面陣CCD對近場光場分布以及遠場光場分布進行測量，求得近場光斑半徑與遠場發散角；構造理想高斯基模光束，計算SC-M2因子，使用SC-M2因子對超連續譜光源光束質量進行評價。本發明可以對寬光譜超連續譜光源的光束質量進行整體評價，而不是僅僅對光源中某些光譜成分的光束質量進行評價與測量。
文檔編號G01J3/28GK103148941SQ20131007475
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月10日 優先權日2013年3月10日
發明者靳愛軍, 侯靜, 張斌, 陳勝平, 王澤鋒, 劉文廣, 姜宗福 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學