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专利名称：：光束质量因子矩阵仪的制作方法
技术领域：
：本实用新型属于激光光束质量分析领域，特别涉及一种激光光束N^矩阵的分析仪器。
背景技术：
：激光光束的质量好坏，直接影响到激光的应用。所以，必须对激光光束质量作定性和定量分析。上世纪九十年代初，Siegman提出采用M2因子描述激光光束质量，这一建议被国际标准化组织所采纳，并于1991年公布了基于这一建议的IS0/TC172/SC9/WG1标准草案。2005年，国际标准化组织公布了最新版本的I^因子测量标准(ISO11146)。M2因子描述的是实际光束与理想基模高斯光束的差别，其测量和计算基于光束束宽的测量值。实验中，束宽使用光束强度分布的二阶矩来计算，这使得束宽的计算值与实验中坐标系有关，故A^因子的测量值也与坐标系有关。对于激光光斑为非圆对称的情况，坐标系不同，！^因子的测量值也不一样，这给激光光束质量的评价带来了不便。为了解决了上述问题，本专利申请的发明人提出了采用M"因子矩阵描述激光光束质量的新思路。N^因子矩阵定义为乂2M;一M^《_其中，M〗、il^分别为实验室坐标系下x、y方向上的MZ因子。Mxy、Myx为表征光斑主轴与实验室坐标系相对位置信息的交叉项。当实验室坐标和光斑主轴重合时，此交叉项为零。通过1^2因子矩阵，可以计算光斑主轴与实验室坐标系成任意角度时实验室坐标系下x、y方向上的lV^因子。这样，就将不同坐标系下测量所得的1V^因子有机的统一起来，因而解决了在实验中由于坐标系不一样给非圆对称光束光束质量测量和评价时带来的不便。由于采用N^因子矩阵来描述激光光束质量是一种新思路，因此目前尚无人公开M2因子矩阵的测量方法和测量仪器。现有的IV^因子测量方法和仪器虽然可以借鉴，但必须进行改造。M2因子的测量一般采用可变光阑法、小孔光阑法，移动狭缝法、刀口法和电荷耦合器件(CCD)来完成，其中，采用电荷耦合器件(CCD)来完成]^因子的测量操作最为简单。公开号为CN1766531A的专利申请公开了一种激光光束质量M2因子实时检测仪，包括依次的同光路的聚焦透镜、光栅组、光路调整器、CCD,聚焦透镜对激光器发出的激光束进行聚焦，光栅组是由两块光栅组成的分光系统，将一束激光分成等光强的3X3条光束的光束组，光路调整器为包括9个反射镜片组成的镜片阵列，光栅组分成的9条等光强光束经过光路调整器的各反射镜片在CCD的接收面形成9个相互不重叠的光斑，CCD为一个，其输出端通过信号线与计算机相连，将光斑数据传送给计算机，经计算机处理获IV^因子。将此种激光光束质量I^因子实时检测仪的计算机程序进行改造后虽然可以用于测量M2因子矩阵，但由于此种检测仪是在CCD的一个接收面上形成多个光斑，每一个光斑的在CCD芯片上的有效面积就变得很�。�而束宽的测量是基于光轴截面上待测位置光强分布的二阶距，二阶距积分的积分区间理论上应该是无穷大，因此，测量精度较低。由于出现在同一CCD面上的最大的光斑和最小的光斑能量密度相差较大，很容易出现最小光斑处已经令CCD饱和而最大光斑在CCD上成的像灰度值还较低的情况，因而限制了测量的精度和使用范围。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光束质量因子矩阵仪，此种测量仪器不仅测量精度大幅度提高，而且测量时间短，使用简单，操作方便。本实用新型所述光束质量因子矩阵仪，由衰减倍数可调的线性衰减器、分束器、焦距可调的聚焦器、分束器组、光电探测器、同步控制器、电荷耦合器件组、路由器和计算机组成，分束器组包括至少9个分束器，电荷耦合器件组包括至少10个电荷耦合器件；衰减倍数可调的线性衰减器、分束器、焦距可调的聚焦器、分束器组依次放置在同一光路上，分束器组中的分束器至少有二分之一位于瑞利距离以内；所述分束器将入射激光分成两束，其中一束沿原光路传播，另一束至光电探测器，光电探测器将信号实时发送给同步控制器；分束器组中的各分束器将经聚焦器聚焦后的入射激光分成两束，其中一束沿原光路传播，另一束至对应的电荷耦合器件接收面，分束器组中处于末端的分束器所分成的两束激光分别被两个电荷耦合器件接收；同步控制器分别与计算机及电荷耦合器件组中的各电荷耦合器件连接，当接收到光电探测器发送的激光入射信号时，同时触发各电荷耦合器件工作，并向计算机发出己进行了一次触发的信号；路由器分别与计算机及电荷耦合器件组中的各电荷耦合器件连接，将来自各电荷耦合器件的数据传送给计算机；计算机对接收到的数据进行处理并输出被测激光的Ma因子矩阵结果。本实用新型所述光束质量因子矩阵仪中，焦距可调的聚焦器、光电探测器、同步控制器、分束器组、电荷耦合器件组的优选技术方案如下-1、焦距可调的聚焦器由一个凸透镜和一个凹透镜组合而成，其焦距按下式计算f二(/-斗/2式中，/为凸透镜的焦距，/2为凹透镜的焦距，d为凸透镜和凹透镜之间的距离。2、光电探测器为光电二极管。3、同步控制器包括放大器、比较器、微处理器和计算机(PC)接口电路；放大器与比较器连接，将来自光电探测器的信号进行放大处理后传送给比较器；比较器与微处理器连接，将来自放大器的信号与其设置的基准电平进行比较并将比较结果信号传送给微处理器；微处理器与计算机接口电路及电荷耦合器件组中的各电荷耦合器件连接，当接收到大于比较器所设置的基准电平的比较结果信号时，发出同步控制信号，同时触发各电荷耦合器件工作，并通过计算机接口电路向计算机发出已进行了一次触发的信号。4、沿光路方向，分束器组中各分束器的反射率依次增大。5、耦合器件组中的各电荷耦合器件均为具有以太网接口、能被外触发和通过计算机程序调整曝光时间的电荷耦合器件。本实用新型具有以下有益效果1、本实用新型所述光束质量因子矩阵仪采用多个电荷耦合器件(至少10个)同时测量被测激光同一时刻不同光程处的光斑，即一个电荷耦合器件(CCD)的接收面只形成一个光斑，因而每一个光斑的在CCD芯片上的有效面积很大，根据二阶距积分的积分区间在理论上应该是无穷大的规则，与公开号为CN1766531A的专利申请相比，测量精度大大提高。2、本实用新型所述光束质量因子矩阵仪采用多个电荷耦合器件(至少10个)同时测量被测激光同一时刻不同光程处的光斑，即一个电荷耦合器件(CCD)的接收面只形成一个光斑，因而可以通过调整各电荷耦合器件曝光时间的方法来使得每一个电荷耦合器件获得足够响应且不饱和，因而可有效提高测量精度。3、本实用新型所述光束质量因子矩阵仪不仅能对连续激光的M2因子矩阵实时测量，也能对脉冲激光的]VP因子矩阵实时测量。4、由于采用电荷耦合器件测量被测激光的光斑，采用计算机处理数据，因而本发明所述光束质量因子矩阵仪测量时间短，使用简单，操作方便。图1是本实用新型所述光束质量因子矩阵仪的一种结构简图；图2是同步控制器的一种电路结构框图；图3是焦距可调的聚焦器一种结构简图4是本实用新型所述光束质量因子矩阵仪的工作流程图5是本实用新型所述光束质量因子矩阵仪测量激光光束M2因子矩阵的程序图。图中，l一激光器、2—衰减倍数可调的线性衰减器、3—分束器、4一焦距可调的聚焦器、5—分束器组、6—光电探测器、7—电荷耦合器件组、8—同步控制器、9一路由器、IO—计算机、11—凸透镜、12—凹透镜、13—放大器、14—比较器、15—微处理器、16—计算机(PC)接口电路。具体实施方式以下结合附图对本实用新型所述激光光束M2因子矩阵的测量方法与测量仪器作进一步说明。实施例l本实施例中，光束质量因子矩阵仪的结构如图l所示，由衰减倍数可调的线性衰减器2、分束器3、焦距可调的聚焦器4、分束器组5、光电探测器6、同步控制器8、电荷耦合器件组7、路由器9和计算机10组成，分束器组5中有9个分束器，电荷耦合器件组7中有10个电荷耦合器件(CCD)。衰减倍数可调的线性衰减器2选用GCC-3010(由大恒光电生产)；分束器3为一种低反射率的反射镜，其反射率为5%;焦距可调的聚焦器4由一个凸透镜11和一个凹透镜12组合而成(如图3所示)，凸透镜和凹透镜的焦距均为20cm(能满足大多数测量需要)，凸透镜和凹透镜之间的距离d取10cm;分束器组中的9个分束器均为兼具反射与透射性能的光学元件，沿光路方向，9个分束器的反射率依次为10%、11%、12.5%、14.3%、16.7%、20%、25%、33.3%、50%;光电探测器6为PIN硅光二极管，选用四川火狐电子公司生产的FFD-100型；同步控制器8的结构如图2所示，包括放大器13、比较器14、微处理器15和计算机(PC)接口电路16，放大器13选用型号为LMC662的宽带低噪声放大器，比较器14选用LMH7322，微处理器15选用C8051F330,计算机接口电路16选用芯片2102;'电荷耦合器件组7中的IO个电荷耦合器件均为具有以太网接口、能被外触发和通过计算机程序调整曝光时间的电荷耦合器件，选用微视图公司的MVC1450DAM-GE15CCD数字摄像机；路由器9为一般以太网使用的通用路由器，至少具有12个接口；计算机10为一般的PC机。如图1所示，衰减倍数可调的线性衰减器2、分束器3、焦距可调的聚焦器4、分束器组5依次放置在同一光路上，分束器组5中的分束器有5个位于瑞利距离以内，有4个位于两倍瑞利距离以外。分束器3将入射激光分成两束，其中一束沿原光路传播，另一束至光电探测器6，光电探测器6将信号实时发送给同步控制器8。分束器组5中的各分束器将经聚焦器4聚焦后的入射激光分成两束，其中一束沿原光路传播，另一束至对应的电荷耦合器件接收面，分束器组5中处于末端的分束器所分成的两束激光分别被两个电荷耦合器件接收。同步控制器8中的放大器13接收来自光电探测器6的信号，并将接收到的信号进行放大处理后传送给比较器14，比较器14将来自放大器的信号与其设置的基准电平进行比较并将比较结果信号传送给微处理器15，微处理器15接收到大于比较器所设置的基准电平的比较结果信号时，发出同步控制信号，同时触发各电荷耦合器件工作，并通过计算机接口电路16向计算机10发出已进行了一次触发的信号(见图2)。路由器9分别与计算机10及电荷耦合器件组7中的各电荷耦合器件连接，将来自各电荷耦合器件的数据传送给计算机10;计算机对接收到的数据进行处理并输出激光光束N^因子矩阵的结果。本实施例中，光束质量因子矩阵仪的工作流程如图4所示1、预热与自检首先开机进行预热，5-10分钟即可，以使PIN硅光二极管、电荷耦合器件(CCD)的工作状态稳定。预热之后，测量仪将进行自检，自动记录在没有激光脉冲进入测量仪时PIN硅光二极管以及电荷耦合器件(CCD)的输出值，己备测量时数据处理之用。2、初始参数的输入与预测量自检通过则进行初始参数的手动输入和预测量，初始参数的手动输入是用以提供给计算机计算线性衰减器2的大致衰减倍数和聚焦器4的焦距大�。�预测量是在参数不清楚的情况下进行测量，通过测量所得重新计算适合的衰减倍数及焦距，并提供数据给用户用于调整线性衰减器2和聚焦器4的焦距。参数设定中，激光波长为必填选项，用以计算瑞利距离，并以此来决定聚焦器的焦距。线性衰减器2衰减倍数的调整是为了使得电荷耦合器件(CCD)能够工作在其线性区，聚焦器4焦距的调整是为了使得10个电荷耦合器件(CCD)的前5个在瑞利距离以内，后5个在两倍瑞利距离以外。3、测量所有的调整完成之后，系统等待被测激光的到来，当有激光入射到系统中时，PIN硅光二极管首先作出反应，将信号实时发送给同步控制器8，经过同步控制器内的微处理器15发出同步控制信号，同时触发各电荷耦合器件工作，并通过计算机接口电路16向计算机10发出己进行了一次触发的信号，告诉计算机已经采集了一次数据。电荷耦合器件(CCD)采集完数据后现将数据存储在其自身的数据缓存中，等待计算机读取。计算机通过网络接口，发信息给电荷耦合器件(CCD),读取数据。计算机与电荷耦合器件(CCD)的通信链路通过路由器9完成。一次测量完成之后，计算机的程序将对数据结果进行初步处理，给出线性衰减器2的衰减倍数和聚焦器4焦距的修正值，并对电荷耦合器件(CCD)的曝光时间进行微调，为下一次更佳的进行测量做好准备；计算机对接收到的数据进行处理并输出被测激光的M2因子矩阵结果。实施例2本实施例使用实施例1所述的光束质量因子矩阵仪对激光器1输出的激光进行M2因子矩阵测量。光束质量因子矩阵仪的工作流程见图4,激光光束M2因子矩阵测量的程序见图5。1、预热与自检预热时间为5分钟，预热之后，使测量仪进行自检。2、初始参数的输入与预测量初始参数为输入波长652nm，聚焦器4的焦距20cra。经过预测量之后，程序给出参考调整参数聚焦器4中凸透镜和凹透镜之间的距离d取10cm，线性衰减器2的衰减倍数1000倍。各CCD曝光时间的调整由计算机自动完成。3、测量(1)被测激光入射到系统中时，PIN硅光二极管将信号实时发送给同步控制器8，通过同步控制器内的微处理器15发出同步控制信号，同时触发各电荷耦合器件工作，得到被测激光同一时刻不同光程处的IO个光斑(2)对步骤(1)得到的被测激光的各光斑图通过计算机进行以下处理①去除光斑图的背景噪声，计算其二阶距(二阶距的计算见IS011146)，得到被测激光同一时刻10个不同光程处的束宽，见下表表1被测激光同一时刻10个不同光程处的束宽<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>②根据被测激光同一时刻不同光程处的束宽及所对应的光程位置，采用最小二乘法进行拟合，得到被测激光在实验室坐标系下的N^因子M、M^;M:=3.17《=1.86(3)通过计算机将步骤1得到的被测激光的各光斑图旋转a角(本实施例a=9°，光斑图旋转可见《数字图像处理学》，阮秋琦编著，2001年01月第1版，电子工业出版社)，再按步骤(2)的处理方法得到旋转后的MZ因子:.M^、M,=，(4)通过实验室坐标系下的N^因子M、My2、旋转后的M"因子i^各光斑图旋转的角度a,按照下式计算被测激光的M2因子矩阵《i一乾2.cos2a—《.sin2orMx2Mj'sin2a+M5'cos2q;-M2sinacosa2'sinacosaM-23.17—0.5549一0.55491.8权利要求1、一种光束质量因子矩阵仪，其特征在于由衰减倍数可调的线性衰减器(2)、分束器(3)、焦距可调的聚焦器(4)、分束器组(5)、光电探测器(6)、同步控制器(8)、电荷耦合器件组(7)、路由器(9)和计算机(10)组成，分束器组(5)包括至少9个分束器，电荷耦合器件组(7)包括至少10个电荷耦合器件；衰减倍数可调的线性衰减器(2)、分束器(3)、焦距可调的聚焦器(4)、分束器组(5)依次放置在同一光路上，分束器组(5)中的分束器一半位于瑞利距离以内；所述分束器(3)将入射激光分成两束，其中一束沿原光路传播，另一束至光电探测器(6)，光电探测器(6)将信号实时发送给同步控制器(8)；分束器组(5)中的各分束器将经聚焦器(4)聚焦后的入射激光分成两束，其中一束沿原光路传播，另一束至对应的电荷耦合器件接收面，分束器组(5)中处于末端的分束器所分成的两束激光分别被两个电荷耦合器件接收；同步控制器(8)分别与计算机(10)及电荷耦合器件组(7)中的各电荷耦合器件连接，当接收到光电探测器(6)发送的激光入射信号时，同时触发各电荷耦合器件工作，并向计算机(10)发出已进行了一次触发的信号；路由器(9)分别与计算机(10)及电荷耦合器件组(7)中的各电荷耦合器件连接，将来自各电荷耦合器件的数据传送给计算机(10)；计算机(10)对接收到的数据进行处理并输出被测激光的M2因子矩阵结果。2、根据权利要求1所述的光束质量因子矩阵仪，其特征在于焦距可调的聚焦器(4)由一个凸透镜(ll).和一个凹透镜(12)组合而成，其焦距按下式计算式中，/为凸透镜(11)的焦距，/2为凹透镜(12)的焦距，d为凸透镜和凹透镜之间的距离。3、根据权利要求1或2所述的光束质量因子矩阵仪，其特征在于光电探测器(6)为光电二极管。4、根据权利要求1或2所述的光束质量因子矩阵仪，其特征在于同步控制器(8)包括放大器(13)、比较器(14)、微处理器(15)和计算机接口电路(16);放大器(13)与比较器(14)连接，将来自光电探测器的信号进行放大处理后传送给比较器；比较器(14)与微处理器(15)连接，将来自放大器的信号与其设置的基准电平进行比较并将比较结果信号传送给微处理器；微处理器(15)与计算机接口电路(16)及电荷耦合器件组(7)中的各电荷耦合器件连接，当接收到大于比较器所设置的基准电平的比较结果信号时，发出同步控制信号，同时触发各电荷耦合器件工作，并通过计算机接口电路(16)向计算机(10)发出已进行了一次触发的信号。5、根据权利要求3所述的光束质量因子矩阵仪，其特征在于同步控制器(8)包括放大器(13)、比较器(14)、微处理器(15)和计算机接口电路(16);放大器(13)与比较器(14)连接，将来自光电探测器的信号进行放大处理后传送给比较器；比较器(14)与微处理器(15)连接，将来自放大器的信号与其设置的基准电平进行比较并将比较结果信号传送给微处理器；微处理器(15)与计算机接口电路(16)及电荷耦合器件组(7)中的各电荷耦合器件连接，当接收到大于比较器所设置的基准电平的比较结果信号时，发出同步控制信号，同时触发各电荷耦合器件工作，并通过计算机接口电路(16)向计算机(10)发出己进行了一次触发的信号。6、根据权利要求1或2所述的光束质量因子矩阵仪，其特征在于沿光路方向，分束器组(5)中各分束器的反射率依次增大。7、根据权利要求5所述的光束质量因子矩阵仪，其特征在于沿光路方向，分束器组(5)中各分束器的反射率依次增大。8、根据权利要求1或2所述的光束质量因子矩阵仪，其特征在于电荷耦合器件组(7)中的各电荷耦合器件均为具有以太网接口、能被外触发和通过计算机程序调整曝光时间的电荷耦合器件。9、根据权利要求7所述的光束质量因子矩阵仪，其特征在于电荷耦合器件组(7)中的各电荷耦合器件均为具有以太网接口、能被外触发和通过计算机程序调整曝光时间的电荷耦合器件。专利摘要一种光束质量因子矩阵仪，由衰减倍数可调的线性衰减器、分束器、焦距可调的聚焦器、分束器组、光电探测器、同步控制器、电荷耦合器件组、路由器和计算机组成，分束器组包括至少9个分束器，电荷耦合器件组包括至少10个电荷耦合器件。同步控制器分别与计算机及电荷耦合器件组中的各电荷耦合器件连接，当接收到光电探测器发送的激光入射信号时，同时触发各电荷耦合器件工作，并向计算机发出已进行了一次触发的信号；路由器分别与计算机及电荷耦合器件组中的各电荷耦合器件连接，将来自各电荷耦合器件的数据传送给计算机；计算机对接收到的数据进行处理并输出被测激光的M²因子矩阵结果。文档编号G01J1/42GK201285324SQ200820141228公开日2009年8月5日申请日期2008年11月7日优先权日2008年11月7日发明者冯国英,周寿桓,玮李,邓国亮申请人:四川大学