CN104977156B - 一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，所述校准系统中的组合透射像差板安装在固定支座上，固定支座前面设置有直径可变的圆环遮拦，固定支座可精确调整俯仰角度和方位角度。利用激光干涉仪先对不同组合方式的透射像差板的波前畸变进行测量，再将平行光源输出光束垂直入射到组合透射像差板上，输出光束进入被校光束质量β因子测量系统，由组合透射像差板测试波前畸变计算得到的光束质量β因子值、被校光束质量β因子测量系统实测得到的光束质量β因子值对比来完成测量系统校准。本发明的校准方法操作简单，可满足不同波长、不同口径光束质量β因子测量系统的校准需求，精度较高，使用方便。

Description

一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统

技术领域

本发明属于激光束光束质量测量校准技术领域，具体涉及一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统与校准方法，适用于CCD远场法光束质量β因子测量系统的校准。

背景技术

光束质量是评价激光束性能的主要技术指标之一。光束质量评价参数有多种，其中β因子是普遍采用的一种评价参数，在激光器研制或应用领域，通常采用CCD远场法对激光器输出光束质量β因子进行准确测量，它具有测量方法简单、并且可实时获得远场光斑空间光强分布的优点。目前，国内外还没有光束质量β因子测量的标准仪器产品，主要由自研完成，影响CCD远场法光束质量β因子测量结果准确性的因素较多，包括CCD探测器性能参数(像元尺寸、靶面尺寸、线性动态范围、面响应均匀性等)、聚焦光学系统面形误差以及计算软件处理算法等，测量模型明显呈非线性，各因素之间相互影响关系也比较复杂，难以采用不确定度传递律进行评定；同时，国内外目前尚缺乏光束质量β因子测量的计量校准能力，也没有提出相应的校准方法。现有研究工作主要集中在激光光束质量评价参数和测量方法上，如《高能非稳腔激光器光束质量评价的探讨》(刘泽金，中国激光，1998年，第25卷第3期：193～196页)介绍了光束质量β因子及其测量方法；对于CCD探测器器件性能、光学系统面形误差的影响也有一些研究，如《光学器件面形误差对光束质量的影响》(万敏，光学学报，2002年，第22卷第4期：495～500页)、《CCD光电响应非线性特性对激光远场焦斑测量及光束质量计算的影响》(贺元兴，中国激光，2012年，第39卷第4期：0408001)等，这些研究为光束质量β因子测量系统设计开发提供了指导依据，但无法满足光束质量β因子测量系统高精度计量校准的需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中缺乏CCD远场法光束质量β因子测量系统校准能力的问题，本发明提供一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，本发明的另一个目的是提供一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准方法。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：

一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，包括前期校准系统和后期校准系统，

所述前期校准系统中平行光源的光经过可变像质装置进入激光干涉仪；

所述后期校准系统中平行光源的光经过可变像质装置进入被校准光束质量β因子测量系统。

在上述技术方案中，所述的可变像质装置包括组合透射像差板、圆环遮拦和固定支座；所述组合透射像差板与圆环遮拦设置在固定支座上，圆环遮拦设置在组合透射像差板与平行光源之间。

在上述技术方案中，所述的组合透射像差板包括若干块透射像差板，组合透射像差板波前畸变对应的光束质量在被校光束质量β因子测量系统校准范围内。

在上述技术方案中，所述的透射像差板包括像差镜、镜框；其中像差镜设置在镜框中。

在上述技术方案中，像差镜的有效口径不小于被校光束质量β因子测量系统使用口径，0°角透射使用；镜框的有效口径与像差镜相同，并具有角度旋转调节机构。

在上述技术方案中，所述的圆环遮拦的外环与内环同心，根据被校光束质量β因子测量系统中心遮拦尺寸的改变对圆环遮拦的外环与内环进行尺寸改变。

在上述技术方案中，所述固定支座具有俯仰角、方位角精密调节功能。

在上述技术方案中，所述的平行光源工作波长与被校光束质量β因子测量系统工作波长相同，输出光束口径不小于被校光束质量β因子测量系统使用口径，输出光束波前畸变PV值小于λ/5。

本发明还提供一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统的校准方法，包括以下步骤：

(a)将可变像质装置设置在激光干涉仪出口位置，调节圆环遮拦外圆直径、内圆直径，使圆环遮拦通光口径与被校光束质量β因子测量系统使用口径相同；

(b)启动激光干涉仪，使出射光束以0°角入射到可变像质装置上，并保证出射光束的中心轴与可变像质装置中心轴重合，再由标准平面镜反射，将光束原路返回至激光干涉仪，激光干涉仪需经法定计量单位校准；

(c)根据被校光束质量β因子测量系统所需校准范围，调整可变像质装置组合透射像差板的组合方式或旋转像差镜的角度，确保可变像质装置的波前误差对应的光束质量β因子分布在被校光束质量β因子测量系统的校准范围内；

(d)激光干涉仪测量可变像质装置(2)的波前误差，获得波前误差泽尼克多项式表达式36阶系数a_i(λ₁)，λ₁为激光干涉仪工作波长，其中i取值从1到36；

(e)在激光干涉仪工作波长λ₁与被校光束质量β因子测量系统工作波长λ₂不相同时，由下式计算λ₂波长下可变像质装置波前误差泽尼克多项式表达式各阶系数；

上式中，λ₁为激光干涉仪工作波长，λ₂为被校光束质量β因子测量系统工作波长，a_i(λ₁)为激光干涉仪测量可变像质装置波前误差泽尼克多项式表达式第i阶系数，a_i(λ₂)为计算得到对应λ₂波长下可变像质装置波前误差泽尼克多项式表达式第i阶系数，其中i取值从1到36；

(f)根据λ₂波长下可变像质装置波前误差泽尼克表达式，计算出可变像质装置波前误差对应的光束质量β₀₁；

(g)保持可变像质装置中组合透射像差板(3)的组合方式与使用角度不变，将可变像质装置(2)移动至平行光源出口位置，平行光源需经法定计量单位校准，使出射光束以0°角入射到可变像质装置上，并保证出射光束的中心轴与可变像质装置中心轴重合，再共轴进入被校光束质量β因子测量系统，由被校光束质量β因子测量系统测量输出光束的光束质量β₁₁；

(h)改变可变像质装置中组合透射像差板的组合方式或旋转角度，使得可变像质装置波前误差对应的光束质量在被校光束质量β因子测量系统的校准范围内变化，且对应光束质量数据点数不小于4，分别记为β₀₂，β₀₃，β₀₄，β₀₅；

(i)重复步骤(d)～(g)，由被校光束质量β因子测量系统测量得到对应(h)中不同组合方式下可变像质装置对应的光束质量，分别记为β₁₂，β₁₃，β₁₄，β₁₅；

(j)对比光束质量β₀₁～β₀₅与β₁₁～β₁₅数值，给出校准修正因子、测量不确定度。

所述的步骤(g)中，可变像质装置在平行光源工作波长下的透过率应满足被校光束质量β因子测量系统测量要求。

本发明的用于CCD远场法光束质量β因子测量的一种校准系统与校准方法，其基本原理是：根据被校光束质量β因子测量系统校准范围，调整可变像质装置组合像差板的组合方式，产生对应校准范围内多个不同光束质量值，并由激光干涉仪测量波前误差，理论计算得出对应的光束质量β₀；再将可变像质装置放置在平行光源出口位置，由被校光束质量β因子测量系统实际测量输出光束的光束质量β₁，对比理论计算结果β₀与实际测量结果β₁，从而完成被校光束质量β因子测量系统的校准。

本发明的有益效果在于：采用可变像质装置模拟产生不同β因子的光束质量，由理论计算值和实测值对比，从而实现光束质量β因子测量系统的校准，解决了CCD远场法光束质量β因子测量不确定度校准的难题，方法简单有效，精度高。本发明的校准系统与校准方法为激光束光束质量β因子测量仪的精确校准奠定了技术基础。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统结构示意图。

图2是本发明的用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统中可变像质装置的透射像差板的结构示意图。

图3是本发明的用于CCD远场法光束质量β因子测量的可变像质装置波前误差测量光路示意图。

图4是本发明的用于CCD远场法光束质量β因子测量系统校准光路示意图。

图中，1.平行光源 2.可变像质装置 3.组合透射像差板 4.圆环遮拦5.固定支座6.透射像差板 7.像差镜 8.镜框 9.角度旋转调节机构 10.标准平面镜 11.干涉仪主机12.采集处理计算机 13.被校光束质量β因子测量系统。

具体实施方式

在图1～4中，本发明的用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统包括平行光源、可变像质装置、组合透射像差板、圆环遮拦、固定支座、透射像差板、像差镜、镜框、角度旋转调节机构、标准平面镜、干涉仪主机、采集处理计算机、被校光束质量β因子测量系统。

平行光源的工作波长与被校光束质量β因子测量系统工作波长相同，输出光束口径不小于被校光束质量β因子测量系统使用口径，输出光束波前畸变PV值小于λ/5。

可变像质装置包括组合透射像差板、圆环遮拦、固定支座；其中组合透射像差板与圆环遮拦设置在固定支座上；圆环遮拦设置在组合透射像差板的前面，圆环遮拦的中心与组合透射像差板的中心位置重合。

组合透射像差板包括多块透射像差板，组合透射像差板波前畸变对应的光束质量在被校光束质量β因子测量系统校准范围内。

透射像差板包括像差镜、镜框；其中像差镜设置在镜框中，像差镜有效口径不小于被校光束质量β因子测量系统使用口径，0°角透射使用，主要为慧差像差。镜框有效口径与像差镜相同，并具有角度旋转调节机构。

圆环遮拦的外环与内环同心，并且外环、内环的尺寸可改变，以匹配被校光束质量β因子测量系统中心遮拦尺寸。

固定支座具有俯仰角、方位角精密调节功能。

激光干涉仪包括干涉仪主机、标准平面镜、采集处理计算机。

在本实施例中，被校光束质量β因子测量系统使用口径Φ270mm，中心遮拦Φ50mm，工作波长为1.319μm，β因子测量校准范围2～10；采用单块透射像差板6有效口径Φ300mm，采用材料，厚度30mm，不镀膜，前后面楔角，数量为4块，在Φ270mm口径、中心遮拦Φ50mm下采用ZyGo GPI-300数字激光干涉仪测量波前误差。

本发明的用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准方法依次包括以下步骤：

(a)将可变像质装置设置在激光干涉仪出口位置，调节圆环遮拦外圆直径、内圆直径，使圆环遮拦通光口径与被校光束质量β因子测量系统使用口径相同；

(b)启动激光干涉仪，使出射光束以0°角入射到可变像质装置上，并保证出射光束的中心轴与可变像质装置中心轴重合，再由标准平面镜反射，将光束原路返回至激光干涉仪，激光干涉仪需经法定计量单位校准；

(c)根据被校光束质量β因子测量系统所需校准范围，调整可变像质装置组合透射像差板的组合方式或旋转像差镜的角度，确保可变像质装置的波前误差对应的光束质量β因子分布在被校光束质量β因子测量系统的校准范围内；

(d)激光干涉仪测量可变像质装置的波前误差，获得波前误差泽尼克多项式表达式36阶系数a_i(λ₁)，λ₁为激光干涉仪工作波长，其中i取值从1到36；

(e)在激光干涉仪工作波长λ₁与被校光束质量β因子测量系统工作波长λ₂不相同时，由下式计算λ₂波长下可变像质装置波前误差泽尼克多项式表达式各阶系数；

上式中，λ₁为激光干涉仪工作波长，λ₂为被校光束质量β因子测量系统工作波长，a_i(λ₁)为激光干涉仪测量可变像质装置波前误差泽尼克多项式表达式第i阶系数，a_i(λ₂)为计算得到对应λ₂波长下可变像质装置波前误差泽尼克多项式表达式第i阶系数，其中i取值从1到36；

(f)根据λ₂波长下可变像质装置波前误差泽尼克表达式，计算出可变像质装置波前误差对应的光束质量β₀₁；

(g)保持可变像质装置中的组合透射像差板的组合方式与使用角度不变，将可变像质装置移动至平行光源出口位置，平行光源需经法定计量单位校准，使出射光束以0°角入射到可变像质装置上，并保证出射光束的中心轴与可变像质装置中心轴重合，再共轴进入被校光束质量β因子测量系统，由被校光束质量β因子测量系统测量输出光束的光束质量β₁₁；

(h)改变可变像质装置中的组合透射像差板的组合方式或旋转角度，使得可变像质装置波前误差对应的光束质量在被校光束质量β因子测量系统的校准范围内变化，且对应光束质量数据点数不小于4，分别记为β₀₂，β₀₃，β₀₄，β₀₅；

(i)重复步骤(d)～(g)，由被校光束质量β因子测量系统测量得到对应(h)中不同组合方式下可变像质装置对应的光束质量，分别记为β₁₂，β₁₃，β₁₄，β₁₅；

(j)对比光束质量β₀₁～β₀₅与β₁₁～β₁₅数值，给出校准修正因子、测量不确定度。

实施例2

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是：所述平行光源与被校光束质量β因子测量系统的口径为Φ250mm。

实施例3

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是：所述平行光源与被校光束质量β因子测量系统工作波长为1.064μm。

实施例4

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是：所述组合透射像差板像差类型为球差，球差项系数占比为90％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非限定本发明的保护范围。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，其特征在于包括前期校准系统和后期校准系统，所述前期校准系统包括平面反射镜和激光干涉仪，所述后期校准系统包括平行光源和被校准光束质量β因子测量系统；

所述前期校准系统中平面镜反射激光干涉仪发出的光经过可变像质装置进入激光干涉仪；

所述后期校准系统中平行光源的光经过可变像质装置进入被校准光束质量β因子测量系统；

所述校准系统采用如下校准方法，包括以下步骤：

(a)将可变像质装置设置在激光干涉仪出口位置，调节圆环遮拦外圆直径、内圆直径，使圆环遮拦通光口径与被校光束质量β因子测量系统使用口径相同；

(b)启动激光干涉仪，使出射光束以0°角入射到可变像质装置上，并保证出射光束的中心轴与可变像质装置中心轴重合，再由标准平面镜反射，将光束原路返回至激光干涉仪，激光干涉仪需经法定计量单位校准；

(c)根据被校光束质量β因子测量系统所需校准范围，调整可变像质装置组合透射像差板的组合方式或旋转像差镜的角度，确保可变像质装置的波前误差对应的光束质量β因子分布在被校光束质量β因子测量系统的校准范围内；

(d)激光干涉仪测量可变像质装置(2)的波前误差，获得波前误差泽尼克多项式表达式36阶系数a_i(λ₁)，λ₁为激光干涉仪工作波长，其中i取值从1到36；

(e)在激光干涉仪工作波长λ₁与被校光束质量β因子测量系统工作波长λ₂不相同时，由下式计算λ₂波长下可变像质装置波前误差泽尼克多项式表达式各阶系数；

<mrow> <msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> </msub> </mfrac> </mrow>

上式中，λ₁为激光干涉仪工作波长，λ₂为被校光束质量β因子测量系统工作波长，a_i(λ₁)为激光干涉仪测量可变像质装置波前误差泽尼克多项式表达式第i阶系数，a_i(λ₂)为计算得到对应λ₂波长下可变像质装置波前误差泽尼克多项式表达式第i阶系数，其中i取值从1到36；

(f)根据λ₂波长下可变像质装置波前误差泽尼克表达式，计算出可变像质装置波前误差对应的光束质量β₀₁；

(g)保持可变像质装置中组合透射像差板(3)的组合方式与使用角度不变，

将可变像质装置(2)移动至平行光源出口位置，平行光源需经法定计量单位校准，使出射光束以0°角入射到可变像质装置上，并保证出射光束的中心轴与可变像质装置中心轴重合，再共轴进入被校光束质量β因子测量系统，由被校光束质量β因子测量系统测量输出光束的光束质量β₁₁；

(h)改变可变像质装置中组合透射像差板的组合方式或旋转角度，使得可变像质装置波前误差对应的光束质量在被校光束质量β因子测量系统的校准范围内变化，且对应光束质量数据点数不小于4，分别记为β₀₂，β₀₃，β₀₄，β₀₅；

(i)重复步骤(d)～(g)，由被校光束质量β因子测量系统测量得到对应(h)中不同组合方式下可变像质装置对应的光束质量，分别记为β₁₂，β₁₃，β₁₄，β₁₅；

(j)对比光束质量β₀₁～β₀₅与β₁₁～β₁₅数值，给出校准修正因子、测量不确定度。

2.根据权利要求1所述的一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，其特征在于所述的可变像质装置包括组合透射像差板、圆环遮拦和固定支座；所述组合透射像差板与圆环遮拦设置在固定支座上，圆环遮拦设置在组合透射像差板与平行光源之间。

3.根据权利要求2所述的一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，其特征在于所述的组合透射像差板包括若干块透射像差板，组合透射像差板波前畸变对应的光束质量在被校光束质量β因子测量系统校准范围内。

4.根据权利要求3所述的一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，其特征在于所述的透射像差板包括像差镜、镜框；其中像差镜设置在镜框中。

5.根据权利要求4所述的一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，其特征在于像差镜的有效口径不小于被校光束质量β因子测量系统使用口径，0°角透射使用；镜框的有效口径与像差镜相同，并具有角度旋转调节机构。

6.根据权利要求2所述的一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，其特征在于所述的圆环遮拦的外环与内环同心，根据被校光束质量β因子测量系统中心遮拦尺寸的改变对圆环遮拦的外环与内环进行尺寸改变。

7.根据权利要求2所述的一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，其特征在于所述固定支座具有俯仰角、方位角精密调节功能。

8.根据权利要求1所述的一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统，其特征在于所述的平行光源工作波长与被校光束质量β因子测量系统工作波长相同，输出光束口径不小于被校光束质量β因子测量系统使用口径。