激光器光束质量测量技术研究
【doc】强激光远场光束质量参数的测试
强激光远场光束质量参数的测试第23卷第1期2011年1月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSV o1.23,NO.1Jan.,2011文章编号:lOOl4322(2011)010087—05强激光远场光束质量参数的测试叶征宇,宋海平.,王龙.,王涛涛,于彦明,吕跃广.,王智勇,蒋毅坚(1.北京工业大学激光工程研究院,北京l00124;2.中国北方电子设备研究所,北京100083;3.中国北方车辆研究所,北京100072)摘要:提出漫射红外成像多点标校测量方法,用于测量强激光远场光束质量参数.在激光远场距离处设置漫反射靶板,用成像探测器摄取经靶面漫射的脉冲强激光光斑图像;在靶面中心处挖小孔,孔后放置能量探测器实时测量激光脉宽和峰值功率.同时对整个激光光斑图像进行能量定标,进而得出远场脉冲强激光的实际空间能量/功率分布,总能量,以及相应的光束质量参数.应用该测量方法,对高能TEACO!激光进行测量研究,测得其远场光束截面半径为8o.2mm.发散角为1.55mrad.关键词:红外漫射成像;多点标校;脉冲强激光;光束质量;远场光斑中图分类号:TN24文献标志码:Adoi:10.3788/HPLPB20112301.0087在高能强激光的应用中,激光的作用效果主要取决于传输到目标上的功率密度,而功率密度分布不仅与激光输出功率有关,更与激光光束质量有着密切的关系.常采用的激光束光束质量评价参数有光束远场发散角,焦斑尺寸,衍射极限倍数因子,M.因子,斯特列尔(Streh1)比和环围功率比等.对于高能强激光的应用,实际关心的是激光到达远场时的能量分布状态,即激光远场能量能否尽量多地集中在应用所需的光桶尺度内,这种情况下光束质量的本质是远场焦斑上的能量集中度,因此,以远场光斑半径,发散角,光斑强度分布和总能量作为评价参数是比较客观的.国内外对高功率激光器远场靶目标处光束质量的测量研究较多l2],但这些远场光束质量测量方法都存在光斑捕捉不全,即不能大光斑进行测量的局限,而且对于能量相对较弱的高能激光,对单脉冲能量的响应不够甚至无法响应,要想提高系统测量动态范围,相应的成本将增加很多.综合各方因素考虑,本文提出采用漫射红外成像一多点标校的测量方法来测量远场激光光束质量,利用自主开发的光斑分析处理系统,测量远场靶目标处的激光光束质量参数.该方法对激光光斑测量直径不受限制,可对远场大光斑(m级)进行测量,还可获取光斑图像的细部特征,捕获脉冲激光的瞬态特征,进行动态在线测量,单脉冲总能量测量等.1实验装置研究采用的实验装置图如图1所示,先将激光光斑照射到设立于远场的漫反射靶面,再通过非制冷红外焦平面热像仪(工作波段8～14m)摄取脉冲TEACO.激光光斑图像,并在靶面中心区域挖小孑L,孔后放置快响应能量探测器(HgCdZnTe探测器),实时动态测量激光脉宽和峰值功率,然后对激光光斑图像进行能量定标,进而得出远场靶目标处脉冲CO.激光的实际空间能量/功率分布,总能量以及相应的光束质量参数.采用多晶硅非制冷红外焦平面阵列器件作为成像元件,其等效噪声温差(NETD)≤120mK,像元数为320×240,响应波段为8～14ptm,场频为50Hz.其积分时序图如图2所示,其中MC,TMC,SORTIC,INT,RESET分别是主时钟,主时钟周期,模拟输出信号,积分信号和复位信号.Fig.1Schematicillustrationofexperimentalsetup图1实验装置示意图*收稿日期:20090917;修订日期:2010-0331基金项目:新世纪优秀人才支持计划作者简介:叶征字(1963一),男,高级工程师,博士研究生,研究方向为光电探测,激光探测测量技术;***************.cn.88强激光与粒子束第23卷Ir～IllllTMC≤integrationtime~<320TM一(period>/340TMC_''-rIl^integrationofrow11"6…………IllL若I~LIUIrow3』rowreadoutduration320TMC—I185TMC:】!Lr=1'{,ri.'.…,……+f….,'An一一;…^r1,,—～1一…一一一一rFig.2Timingdiagramofintegrationofuncooledinfraredfocalplanearry图2非制冷红外焦平面探测器积分时序图图3所示为整光斑,半光斑图像.可以看出,这种红外焦平面热像仪不能对高速和瞬态(持续时间<20ms)现象完整成像,为此,采用激光发射同步技术,保证了脉冲CO激光光斑的完整稳定获取.(a)wholelightspot【b)haltlightspotFig.3WholearidhalfspotbitmapsofpulsedCOzlaser图3整光斑和半光斑图像为获得高能激光到达远场时的能量集中度和能量密度分布,测得实际激光脉冲的能量值,必须对光斑图像进行能量定标,即用能量探测器的功率值对整个光斑图像的灰度值进行标定.能量探测器选用探测灵敏度高(探测率3×10cm?Hz"?W),响应速度快(响应时问1ns),可靠性高和可以在室温下工作的HgCdZnTe光电导探测器.HgCdZnTe探测器接收到光脉冲后,经光电转换输出电压信号,电压信号与入射光强之间存在一定的标量关系,即探测器接收到的辐射能量应正比于激光脉冲波形包络面积(比例因子为K),可通过实验测得,实验装置如图4所示.首先,在激光器出光口处放置一可变光阑,通过改变光阑孔径,使得通过光阑的光脉冲接近平面波,近似认为通过光阑的光脉冲为均匀辐照光波.然后,在可变光阑后放置分光镜监测激光脉冲能量值,以获取激光脉冲的实时真实能量值.Fig.4Experimentsetupofdetectorcalibration图4探测器标定实验装置接着,光束经可变衰减后照射到探测器表面,探测器将光脉冲信号转换为电信号,输入虚拟示波器,虚拟示波器与计算机之间通过USB口连接,经软件处理后,最终得出激光脉冲波形,即K一詈一㈩式中:P为探测器表面能量密度;S为激光脉冲波形包络面积;是为分光镜分光比;P.为能量计监测能量值;S.为探测器感光面积;为可变光阑通光孔径;为可变衰减分贝数.对包络中各采样点进行积分求和,可求得第1期叶征字等:强激光远场光束质量参数的测试89激光脉冲波形包络面积'S一∑r(2)i—l式中:r为采样间隔;N为采样数;为各采样点处的电压值.实验中,分光比是一1/17.36,光阑通光孔直径一5.51mm,S.===1mm,采样间隔r一10ns.分别对3个HgCdZnTe探测器进行标定的实验结果如图5所示.(v?ns)5/(v'ns)"v'ns)Fig.5CalibrationresultsofthreeHgCdZnTedetectors图5HgCdZnTe探测器的标定结果采集到激光光斑图像后,采用图像处理技术进行处理分析,得到了光脉冲在空间某个截面的相对光强分布.为了得到实际光强分布,需要对光斑图像进行能量定标.激光辐照后,设光斑图像中点能量探测器位置处的灰度值为H…能量探测器测得的脉冲包络面积为s,若入射光功率与光斑图像中对应位置的灰度值成线性关系,则根据式(3)可以推算出光斑内任意点处的脉冲包络面积,进而得出任意点处的能量值.S===H(3)式中:H,为光斑图像中坐标为(i,)点处的灰度值.然后对整个光斑图像积分,即可得出单个光脉冲的总能量值和实际光强分布,即一Hf4)H在成像器件热像仪设置保持不变,即光圈,焦距,增益一定的前提下,改变激光输出功率,以验证功率/灰度的线性关系.实验结果如图6所示,脉冲包络面积正比于激光功率值,线1和线2分别对应不同光圈,增益条件下,点能量探测点处的灰度值和峰值电压对应关系.由于测量过程的不同时性,必然加入许多复杂的客观因素,如成像器件的增益不同,光圈的微小变化等,这grayvalueFig.6RelationbetweenC()2laserpulseenvelopeareaandgrayvalue图6COz激光脉冲包络面积与图像灰度值关系图也可能带来能量值测量误差.线性关系的成立还需要其它依据,光斑图像中不能出现饱和点或是饱和点尽量很少,最高灰度值应处于亚饱和状态,且不能使最高灰度值过低,若最高灰度值过低,无形中降低成像器件的动态范围.2实验及结果2.1光斑图像处理由于非制冷热像仪自身噪声较强,在对光斑图像处理时,采用中值滤波技术,很好的消除了图像中的孤立噪声点,并保证了滤波后各区域的轮廓仍比较清晰.采用图像增强技术(伪彩色编码显示),突出和增强图像信息,提高人眼对图像的分辨能力.通过这些技术,对光斑图像内部细节进行分析,可以得出激光光斑的相对光强分布,采用边缘检测技术,对每个光斑的轮廓进行提取,可以直观地看出不同的光斑外部形态的变化,如图7所示.9O强激光与粒子束第23卷(a)medianfiltering(b)imageenhancement(c)edgedetectionFig.7Measuredfar—fieldspotimagesandreal—timewaveformofCO2laser图7CO.激光远场测量光斑图及实时波形图2.2光斑质心和半径测量利用计算一阶距算法来描述光斑的质心位置,通过连续时间内光斑质心的计算可得出光束瞄准精度和稳定度.图8是计算给出的TEACO激光器远场47m处光斑质心位置曲线,是连续时间段内的单次触发脉冲的抖动曲线.激光光斑的远场光斑半径采用1/e算法来描述,以光斑质心(一阶距)为原点,以r.为半径选取一个圆形区域,有rf.I(rc.s,,.sin)rdrdO1-——————一一一869.5/(5)?uu\/II(rcosO,rsinO)rdrdOeLJ0J0当满足式(5)时,即定义为远场光斑半径.2.3总能量测量sFig.8MasscentercoordinatesofC()2laser图8COz激光光束质心坐标曲线高能TEACO激光器一般采用非稳腔结构,其工作机制决定了输出光脉冲的不稳定性.在该系统中,采用虚拟示波器,对激光脉冲波形进行实时测量,依据测得的波形包络面积,得出单点对应的功率值,进而解算单脉冲总能量值.图9为经过解算处理后得到的不同时刻的波形图.毛21pulsewidth:680ns一l23●:t/gs123t/ttsFig.9PulsewaveformsofTEAC02laseratdifferenttime图9不同时刻TEACO.激光脉冲波形图实验中,利用中国科学院电子学研究所研制的大功率TEA脉冲CO激光器作为被测激光源.该激光器出光口能量值在1.4～1.6J之间,稳定度优于95.在远场,距离激光器出光口47rn处对直接输出的脉冲激光进行了实际测量,测得光束截面半径约为8O.2mm,远场发散角约为1.55mrad,表1为连续10次测量给出的单脉冲能量值,总能量值在1.O～1.5J之间.3结论本文提出的红外漫射成像多点标校法解决了脉冲强～.123.tius表1在47m处测得TEAC02激光器单脉冲能量值Table1Singlepulseenergymeasuredat47inawayfromTEAC02lasernumberenergy/Jnumberenergy/J11.43861.46721.OO471.40131.44781.1l241.13391.O1551.2191O1.173320A,.∞要oA第1期叶征字等:强激光远场光束质量参数的测试91激光远场大光斑光束质量参数的测试需求,得出了激光束的远场光斑强度分布,光斑质心,光斑半径,发散角和总能量等参数.通过对成像探测器件和标定探测器的扩展,可将测量波长扩展其它波段或者是混合波段,如Y AG激光器或光纤激光器的1m左右波段,高光束质量半导体激光器的808~980m 波段.但是从总测量结果可以看出,本系统对远场光斑总能量的测量存在较大误差.参考文献:[1]杜祥琬.实际强激光远场靶面上光束质量的评价因素EJ].中国激光,1997,24(4):327—332.(DuXiangwan.FactorsforevaluatingbeaITI qualityofarealhighpowerlaseronthetargetsurfaceinfarfield.ChineseJournalofLasers,199 7,24(4):327—332)E2]侯再红,吴毅,汪超.旋转式激光光斑测试仪[J].强激光与粒子束,2002,14(3):334—336.(HouZaihong,WuYi,WangChao.Deviceof rotationalarraydetectorforlaserfacula.HighPowerLaserandParticleBeams,2002,14(3):3 34336)[3][4]宋海平,叶征字,柯常军,等.非制冷焦平面热像仪获取脉冲C02激光光斑研究[J].激光与红外,2004,34(3):203—205.(SongHaiping,Y eZhengyu,KeChangjun,eta1.Studyoncapturinghigh—serandInfrared.2004,34(3):203205)刘泽金,陆启生,赵伊君.高能非稳腔激光器光束质量评价的探讨[J].中国激光,1998,25(3):193—196.(IiuZejin,IuQisheng,ZhaoYi—jun.Studyofevaluatingbeamqualityofhighenergylaserswithunstableresonators.ChineseJ ournalofLasers,1998,25(3):193—196) MeasurementoffarfieldbeamqualityparametersofhighpowerlaserY eZhengyu～,SongHaiping.,WangLong,WangTaotao..YuY anming.L{1Yueguang..WangZhiyong.JiangYijian(1.InstituteofLaserEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022.China2.NorthChinaInstituteofElectronicEquipment,Beijing100083,China;3.ChinaNorthV ehicleResearchInstitute,Beijing100072,China)Abstract:Thispaperproposesaninfrareddiffusionimagingandmulti—pointcalibrationmethodtomeasurethefar-fieldbeam qualityparametersofthehigh—powerlaser.Thehighenergypulselaserspot'simagesareobtainedwithanimagingdetectorby layingthediffusereflectiontargetinfarfield.Thepulse—widthandpeakpowerofthelaseraremeasuredusinganenergydetector whichisputbehindaholeatthecenterofthetargetplane.Accordingtotheenergycalibrationof thelaserspot'simages,theen—ergyandpowerdistribution,thetotalenergyandthecorrespondingbeamqualityparameterso fthefarfieldhigh—energypulse1a—serbeamareattained.Thismethodhasbeenappliedtomeasuringtheparametersofahigh—energyTEACO2laser.Themeasuredcrosssectionradiusoffar—fieldbeamwas8O.2mmandthedivergenceanglewas1.55mrad. Keywords:infrareddiffusionimaging;multi—pointcalibration;high—energypulsedlaser;beamquality;farfieIdbeamspot。
光束质量M2因子测试及分析实验报告
实验名称：光束质量M2因子测试及分析实验目的1、了解M2因子的概念及M2因子评价光束质量的优越性；2、掌握M2因子的测量原理及测量方法；3、掌握测量激光器的腰斑大小和位置的方法。
实验原理1988年，A.E. Siegman利用无量纲的量——光束质量因子，较科学合理地描述了激光束质量，并由国际标准组织ISO采纳。
光束质量因子又被称为激光束质量因子或衍射极限因子，其定义为实际光束的束腰宽度和远场发散角的乘积理想光束的束腰宽度和远场发散角的乘积M2因子定义式中同时考虑了束宽和远场发散角的变化对激光光束质量的影响。
在二阶矩定义下，利用与量子力学中不确定关系类似的数学证明过程可得 M2≥1，它说明小的束宽和小的发散角二者不可兼得。
当M2=1时，激光束为基模高斯光束；当M2>1时，激光束为多模高斯光束。
当激光光斑为圆斑时，光束质量因子M2可表示为式中为光束束腰宽，为光束的远场发散角，A 为激光波长。
根据国际标准组织提供的ISOlll46—1的测量要求设计测试方案。
采用多点法测量光束质量因子，就是在激光束的传输方向上测量多个位置处的激光参数。
利用曲线拟合的方法求得各激光参数。
CCD 通过数据采集卡连接到计算机，二阶矩定义的光束宽度通过编程确定，在计算机上可以读到束宽的大小。
对测量结果采用多点双曲线拟法拟M2 = ━━━━━━━━━━━━━━━━合或抛物线拟合，求出按二阶矩定义束宽的传输方程中3个系数a i、b i；、c i后，就可以计算出相应的光束参数对于束腰不可直接测量的激光柬(绝大多数激光器产生的激光都是发散的)，先要用无像差透镜进行束腰变换。
实验测量两台会聚光束He-Ne激光器(一台是基模的，一台是多模的)M2因子和其腰斑的大小与位置、发散角及瑞利长度。
根据透镜对高斯光束的变化规律，可以根据以下公式算出和Z0。
从而求出激光器腰斑的大小和位置。
实验数据记录及处理①基模激光的拟合图像原始实验数据Waist Width X 0.538 mm Waist Width Y 0.583 mm Divergence X 3.374 mrad Divergence Y 3.304 mrad Waist Location X 232.03 mm Waist Location Y 233.64 mm M2 X 2.2532 M2 Y 2.3898 Rayleigh Range X 159.47 mm Rayleigh Range Y 176.33 mm Wavelength 632.8 nm Focal Length 100 mm Laser Location 507 mm Z-Position X Width Y Widthmm mm mm 106.55 0.2303 0.21891116.55 0.21483 0.22191126.55 0.25671 0.27044136.55 0.30434 0.31553146.55 0.29206 0.30925156.55 0.32241 0.34863166.55 0.36897 0.40218176.55 0.4072 0.44172186.55 0.48755 0.5182196.55 0.54782 0.56461206.55 0.63207 0.68761216.55 0.69338 0.73035226.55 0.7324 0.76752236.55 0.81272 0.85872296.55 1.3694 1.4259346.55 1.7949 1.858拟合的X轴方向双曲线为，拟合得到的腰斑位置为116mm，大小为0.292mm；拟合的Y轴方向双曲线为，拟合得到的腰斑位置为112mm，大小为0.278mm；由以上数据，编写程序计算后可得：X轴方向的激光器腰斑大小和位置为Y轴方向的激光器腰斑大小和位置为②多模激光的拟合图像实验结论实验测得的激光器基模光束X轴方向质量因子M x2的值为2.2532，腰斑位置z0x的值为376.033mm，腰斑大小dσ0x的值为0.168972mm；Y 轴方向质量因子M y2的值为2.3898, 腰斑位置z0y的值为398.756mm，腰斑大小dσ0y的值为0.191698mm.激光器多模光束质量因子M x2的值为2.0554，M y2的值为2.1228.。
激光光束质量评价
激光光束参数—束腰
束腰：
束腰是光束宽度取最小值的位置，束腰也是能量最集中的地方。
激光光束参数—发散角
光束发散角θ
激光束在腰部最细,随着离腰部距离的逐渐增大,光束的有效截面逐渐变粗,也 就是激光束具有一定的发散性质,发散程度用发散角θ表示。对于某些激光器, 其远 场可能距激光器很远,直接测量远场发散角十分不方便。根据拉格朗日不变式,可采 用聚焦光束测量法,即在透镜的像方焦点处,测得光束直径为Df ,则光束发散角θ表示 为: θ = Df/ f 对于非对称的激光光束,应求出x , y 方向上相应的发散角θx ,θy
相干性是所有波 的共性，但由于 各种光波的品质 不同，导致它们 的相干性也有高 低之分。普通光 是自发辐射光， 不会产生干涉现 象。激光不同于 普通光源，它是 受激辐射光，具 有极强的相干性 所以称为相干光
激光高斯光束的特性
激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布 是不均匀的，即光束波面上的测量原理
实际光束的腰斑半径 远场发散角 M d0 f 理想高斯光束的腰斑半径 远场发散角 4
2
M 2 因子越大,则光束质量越 ▪ 可知：在近轴条件下, M 2 1 。 差。 ▪ d0 为实际光束束腰宽度, f 为光束远场发散角。 ▪ 由上式可知,对激光束质量因子 M 2 的测量,归结为光束束 腰宽度 d0 和光束远场发散角 f 的测量。
3
•
在工程光学和傅里叶光学上，已知传播过程中任意一 个位置的光强和相位分布，用惠更斯菲涅尔衍射理论 可以计算出任意位置的光强分布。
光束近场和远场计算
近场衍射
或称菲涅尔衍射。是指在光源和障碍物间距离为有限远 的情况下发生的衍射。
远场衍射
在工程光学中，认为远场即光源和观察幕与障碍物 （孔或屏）之间的距离均为无穷远。此时为菲涅尔衍射的 特例，可以直接通过夫琅禾费衍射计算出远场的光强分布。
实验报告——激光模式 的测量
实验报告——激光模式2M 的测量实验时间：2017.03.02 晚上一、实验目的激光光束传输质量因子2M 是一种全新的描述激光光束质量的参数。
本实验介绍了M 2的物理概念、物理意义、特点及测量方法。
并对下面三个方面进行了解。
1）了解2M 的定义； 2）了解2M 实验原理； 3）了解2M 的测试过程； 二、实验原理 （一）、2M 的定义目前国际上普遍将“光束衍射倍率因子2M ”作为衡量激光光束空域质量的参量。
它的一般定义为：2M =实际光束的束腰半径与远场发散角的乘积基模高斯光束的束腰半径与远场发散角的乘积（1）（二）、2M 的物理意义如图1所示，对于基模的高斯光束02λωθπ=（2）式中0ω是基模光束束腰半径，θ是基模光束的远场发散角。
根据定义式（1）可知对于实际光束有200W M ωθΘ=，即200224W M W πλλπΘ==Θ（3） 式中0W 代表实际光束的束腰半径，Θ代表实际光束的远场发散角。
图2无像差透镜对束腰和发散角的变换下面我们根据“束腰的束宽和远场发散角的乘积不变原理”对2M 进行推导。
0d d const θθ''==（4） 式（4）可由量子力学的测不准原理来解释：在束腰处光子的位置不确定度是X ∆，X ∆最小值是单模高斯光束束腰束宽0d ；光子的横向不确定度是x P ∆,在近轴近似条件下sin x hh P λλΘ∆=Θ=（5）式中h 为普朗克常数，Θ最小值是单模高斯光束远场发散角θ4dπλθ=（6）根据测不准关系：4X P h π∆∙∆≥（7）对一般光束束腰处有：0X D ∆=x h P λΘ∆=代入方程(7)有04D λπΘ≥（8）定义光束质量因子2M 为：200014D M D d πθλΘ==Θ≥（9） 又因为实际光束的截面常常不是圆形的，即光束的光强分布不是对称的或存在像散时，光束质量应用两个参数来描述：202044x x xyy y M D M D πλπλ⎧=Θ⎪⎪⎨⎪=Θ⎪⎩(10) 2xM 、2y M 是分别表示X 方向和Y 方向的光束质量因子。
强激光远场光束质量参数的测试
２１ ０ １年 １月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯ Ｗ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ Ｒ ＴＩ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ ． １ ２３，ＮＯ １ ．
Ｊ ３ ２ ２ １ ） １０ ８ — ５ Ｏ ｌ４ ２ （ ０ １ ０ ０ ７０
强 激 光 远 场 光 束 质 量 参 数 的 测 试
叶征宇 ， 宋海平。 王 龙。 王涛涛 ， 于彦明 ， ， ，
吕跃广。 王智勇 蒋毅坚 ， ，
（．北 京 工 业 大 学 激 光 工程 研 究 院 ，北 京 ｌ０ ２ ； ２ 中 国北 方 电 子 设 备 研 究 所 ， 京 １ ０ ８ ； １ ０ １４ ． 北 ０ ０ ３
量 探 测 器 实 时 测 量 激 光 脉 宽 和 峰 值 功 率 。 同时 对 整 个 激 光 光 斑 图像 进 行 能 量 定 标 ， 而 得 出 远 场 脉 冲 强 激 光 进 的实 际空 间 能 量 ／ 率 分 布 、 能 量 ， 功 总 以及 相 应 的 光束 质 量 参 数 。应 用 该 测 量 方 法 ， 高 能 ＴＥ Ｏ 对 Ａ Ｃ ！激 光 进 行
在 高能 强激光 的应 用 中 ， 光 的作用 效果 主要 取决 于传 输到 目标 上 的功率 密度 ， 功率 密度 分布不 仅 与激 激 而 光 输 出功率有 关 ， 与激光 光束 质量 有着 密切 的关 系 。常采 用 的激光 束光 束质 量评 价参 数有 光束 远场 发散 角 、 更 焦 斑尺 寸 、 射极 限倍 数 因子 、 衍 Ｍ。因子 、 特 列 尔 （ ｔｅ １ 比和 环 围功 率 比等 。对 于 高 能 强激 光 的应 用 ， 斯 Ｓ ｒｈ） 实 际关 心 的是激 光 到达远 场 时的 能量分 布状 态 ， 即激 光远 场能 量能 否尽 量多 地集 中在 应用 所需 的光 桶尺 度 内 ， 这 种情况 下 光束质 量 的本质 是 远场 焦斑 上 的能量 集 中度 ， 因此 ， 以远 场光斑 半 径 、 散 角 、 斑强 度分 布和 总能 发 光 量作 为评 价参 数是 比较 客 观的 。国内外 对高功 率激 光 器远 场 靶 目标 处 光束 质 量 的测 量 研 究 较 多ｌ ， 这 些 远 ２但 ］ 场 光束质 量测 量方 法都 存在 光斑 捕捉 不 全 ， 即不 能 大光 斑进 行 测量 的局 限 ， 而且 对 于 能 量 相 对较 弱 的高 能 激 光 ， 单脉 冲能量 的响应 不够 甚 至无 法 响应 ， 想提 高 系统 测 量动 态 范 围 ， 应 的 成本 将 增 加 很 多 。综 合 各 方 对 要 相 因素考 虑 ， 文提 出采用 漫射 红外 成像 一 本 多点标 校 的测 量 方法 来 测 量 远 场激 光 光 束 质量 ， 用 自主 开发 的光斑 利
氦氖激光器和半导体激光器的光束质量分析
深圳大学实验报告课程名称：大学物理实验（三）实验名称：氦氖激光器和半导体激光器的光束质量分析学院：物理科学与技术学院组号: 17 指导教师：赵改清报告人：学号：实验地点: 科技楼B108 实验时间：2015.6.2实验报告提交时间：2015.6.23激光器光束质量分析仪计算机和分析软件用途二、数据记录与处理1、光束质量分析：氦氖激光器：由图2和图3可以看出，氦氖激光器的光束横截面形状接近圆形，光强在中心处最大，并且只有一个峰值，从中心到边缘逐渐减小。
光束有比较好的对称性。
由图4可得，测得 M 2因子为 M x 2= 0.9579，M 2 = 0.8396，束腰宽度ω = 0.404mm ，ω = 0.376mm 。
从测量的数据来看， M 2因子小于1，这已经图2 光斑平面图图4 束腰宽度曲线的拟合和 M 2因子图3 激光强度3D 图图5 两个互相垂直方向光强的高斯拟合不能与基模高斯光束作对比了，初步认为是激光不太稳定造成的，但还可以和半导体激光器的结果做对比。
另外，查阅资料可知，在ωλ足够小时， M 2因子是可以小于1的。
可以看出，x 、y 两个方向的 M 2因子和束腰宽度都相差不大，即光束的横截面对称性比较好。
半导体激光器：图6 光斑平面图图7 激光强度3D 图图8 束腰宽度曲线的拟合和 M 2因子图9 两个互相垂直方向光强的高斯拟合由图6和图7可以看出，半导体激光器的横截面形状接近椭圆，有多个光强最大峰值，但最大峰值不及氦氖激光器，边缘的光强最小。
由图8可得，测得 M 2因子为 M x 2 = 1.6362，M y 2= 1.1147，束腰宽度ωx = 2.662mm ，ωy = 1.706mm 。
与氦氖激光器的数据对比可知，半导体激光器输出激光的光强比氦氖激光器的小， M 2因子和束腰宽度都明显比氦氖激光器大，且x 、y 两方向的参数相差较大。
因此，可初步认为，氦氖激光器的激光光束质量比半导体激光器的好。
板条激光器光束质量控制技术研究进展
第 ４期
闫钰锋，等：板条激光器光束质量控制技术研究进展
７６９
进行校 正，可 以 提 高 转 换 效 率，从 而 抑 制 热 效 应［２５］。（ｂ）改变泵浦光的抽运方式，从而提高转 换效率，减小“热效应”的影响。经过不断的优化 与创新，目前泵浦光的抽运方式大致可以分为侧 面抽运［２６］、角抽运［２７］、面抽运［２８］和端面抽运［２９］４ 种。与端面抽运方式相比，侧面抽运能够保证较 好的均匀性，有利于功率放大。端面抽运有利于 获得较高的转换效率，且冷却方式较为便捷。角 泵浦则结合了以上两种抽运方式的优点 。 ［３０］ 在 采用主震 荡功 率 放 大 （ＭＯＰＡ）结 构 的 功 率 放 大 器中，通过调整模块间的像传递系统（４Ｆ）也可以 达到像差校正的效果［３１］。
虽然研究人员针对板条激光器从多个方面对 “热效应”产生机理进行分析与抑制。但是，针对 其产生 机 理 和 抑 制 的 研 究 工 作 只 能 减 小 “热 效 应”的影 响，对 光 束 质 量 的 改 善 效 果 有 限。 随 着 激光器输出功率的不断提升，由“热效应”引起的 波前畸变依然是限制高功率、高光束质量激光输 出的主要因素。针对这一问题，有学者提出应采 用额外的校正器件对激光器的残余像差进行校 正。 ２．１．２ 静态相位板校正技术
mlaser 准分子激光器 光束质量
mlaser 准分子激光器光束质量MLaser准分子激光器是一种常用的激光器，其光束质量是评判激光器优劣的重要指标之一。
光束质量是指激光器输出光束的空间分布和光束形状的好坏程度，是激光器的性能之一。
光束质量可以通过多种参数来评价，其中最常用的是M²因子。
M²因子是一种无量纲参数，用于描述激光光束与理想高斯光束之间的差异程度。
M²因子的理论最小值为1，但实际中通常会略大于1。
MLaser准分子激光器具有较好的光束质量，主要体现在以下几个方面：1. 光束直径和发散角度：MLaser准分子激光器的光束直径较小，发散角度较小，能够输出高质量的窄束光。
这对于需要精细加工和高精度测量的应用非常重要。
2. 光束形状：MLaser准分子激光器的光束形状主要为高斯光束，光束能量分布近似于高斯分布。
高斯光束具有光强分布均匀、光斑质量好等特点，适用于许多精密加工和科学研究领域。
3. 光束稳定性：MLaser准分子激光器的光束稳定性较好，能够保持较长时间的稳定输出。
光束稳定性对于实验和工程应用非常重要，可以提高实验的可重复性和工程的稳定性。
4. 光束均匀性：MLaser准分子激光器的光束均匀性较好，能够输出均匀的光斑。
光束均匀性对于某些光学实验和材料加工非常关键，能够避免因光斑不均匀而导致的实验误差或加工不均匀。
MLaser准分子激光器的优秀光束质量得益于其特殊的设计和优良的制造工艺。
在设计过程中，MLaser准分子激光器注重光学元件的精度和稳定性，采用优质的光学材料和涂层技术，以确保光束的高质量输出。
在制造过程中，MLaser准分子激光器严格控制每个工序的质量，避免因制造误差而影响光束质量。
MLaser准分子激光器具有优秀的光束质量，表现在光束直径和发散角度小、光束形状为高斯光束、光束稳定性好和光束均匀性高等方面。
这使得MLaser准分子激光器在精密加工、科学研究和工程应用中得到广泛应用。
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工 业 技 术
０ 引言
目前在特种材料加工制造领域中大部分使用CO 2激光器和YAG 激光器，近十年来随着对大功率半导体激光器物理机制的研究以及半导体工艺的创新和应用，特别是在新材料新技术合成应用的突破，由于大功率半导体激光器具有较高的输出功率和良好的光束质量，使大功率半导体激光器在加工制造业中得到了广泛的应用。
激光加工技术是对材料进行精准加工，为此须对激光器光束质量进行测量。
１ 大功率半导体激光器光束质量测量
该文从M2因子、远端发散角、近端及远端的光强分布等方面对大功率半导体激光器的光束质量进行了测量研究。
１．１ 测量方案
图1中的可调谐衰减器为德国Metrlux 的ML2300Polarlu，其作用是在光束分析CCD 前进行衰减。
图1中的滤波片采用德国Metrlux 的中性滤波片：
与CCD 相机配套光束分析软件为德国 Metrlux 的ML1201 beamlux II advanced
ML2300 Polarlux 的Maximum input power 选择1 000 w/cm 2；Metrolux 中性滤波片选择02402-41025（700-1100）一套4片，其型号及技术
透光率为：10%，1%，0.1%，0.01%
ML37430-11200-1光束分析仪，重点技术指标为：（1）Wavelength range:320 nm~1100 nm。
（2） Resolution:1392×1040。
（3） Frame rate:50帧/秒。
系统选用的Metrolux ML1201 beamlux Ⅱ advanced 系列软件必须与光束CCD 分析相机匹配。
１．２ 注入电流与光束质量的关系
利用透镜变换法，测量激光器在不同工作电流下的质量参数。
通过高斯拟合，当注入电流分别为800 mA、1 600 mA、
2500 mA 和5 000 mA 时，M 2
因子的值分别为69、56、42、52；当注入电流较小时，由于有源区较大，仅有边缘部分激射，此时光束质量较差，光斑呈现为环形；随着电流的不断增大，有源区电流密度也近似平均并全部激射，此时光斑为圆形对称，当再次增大电流时，有源区造成电流拥阻，因此造成光束质量开始变差。
１．３ 出光口径与光束质量的关系
选用为100 mm、200 mm、300 mm 和500 mm 不同出光口
径的器件时，在同时注入电流为2 A 下的远场光斑强度分布。
小口径发射器件电流分布相对较均匀，有源区边缘电流密度与中心电流密度相似，全部激射。
阈值下，光束分布趋近于高斯模型，远场光束以中心轴为对称均匀分布，中心处光强大，此时光束发散角较小，当有源区直径逐渐增加时，激光强度分布越发不均匀，其中注入载流子浓度较高的地方，激射也相对较高，光束分布不均匀，光束质量随着出光口径的增大而变小。
２ 大功率半导体激光器发散角测量２．１ 测量方案
测试系统由脉冲电机、光电探测器和计算机等组成。
测
激光器光束质量测量技术研究
吴乔石
（鞍山高新技术孵化器发展中心，辽宁 鞍山 114044）
摘 要：由于半导体激光器结构的特点，在其应用中需对其波束进行整形，为了有利于大功率半导体激光器的推广应用，需准确识别大功率半导体激光器的输出分布特性。
该文从M 2因子、远端发散角，近端及远端的光强分布等方面对大功率半导体激光器的光束质量进行了测量技术研究，给出了相应的测量方案和误差分析。
关键词：大功率半导体激光器；远端光强分布；光束质量；
发散角中国分类号：TN284 文献标志码：A
图1 激光器光束质量测试方案
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工 业 技 术
０ 前言
我国是农业生产大国，粮食安全关系到国计民生，只有全面保证粮食生产安全，才能推动经济快速发展，实现伟大的中国梦。
化肥是促进农作物生长的重要肥料，其质量好坏决定了粮食的品质，只有全面保证化肥品质，才能形成经济推动力，保证广大农民切身利益，化肥质量至关重要。
各级监管部门需要全面做好化肥的检测检验，从根本上保证品质，才能全面发挥化肥作用，检验检测的精准度非常重要，只有不断创新技术方法，提高检测质量，才能保证化肥质量，确保肥力稳定、质量合格，在实际检验检测工作中，化肥分析检验质量受很多因素影响，往往会造成检验准度低的问题，起不到检测环节控制作用，影响了化肥市场竞争与推广，当前，市场中化肥品质差别较大，良好的检测方法是保证化肥检测质量的根本，需要各级监
管部门发挥职能作用，提升检测方法，做好化肥的检验检测，从根本上保证国家利益、维护农业生产。
１ 化肥分析检验必要性及方法１．１ 化肥检测的必要性
当前，市场上的化肥五花八门，各种化肥产品越来越多，只有全面保证化肥的质量，才能形成健康良好的市场秩序，推动好产品进入生产环节。
当前经济发展条件下，我国农业生产对化肥需求量不断增加，对化肥的依赖性越来越大，从整体看，我国农业生产中的化肥施用总量占世界第一位，约占全球施用总量1/3，我国化肥生产与使用量较大。
可以说，为了解决人口吃饭问题，我国大力发展新农业，在化肥研发与生产中也不断增加投入，化肥在农业增产、增收积极作用是毋庸置疑的。
但是从整体看，我国
关于提高化肥分析检验的准确度探析
王英爽
（绥化市质量技术检验检测中心，黑龙江 绥化 152000）
摘 要：农业生产离不开化肥，化肥在农业生产中有着重要的作用，全面影响农作物产量质量。
只有全面保证化肥分析检验精准度，才能提高化肥产品质量。
该文结合化肥质量要求，对提高分析检验准度的策略作了全面的总结。
关键词：化肥分析检验；准度；样品中图分类号：U418 文献标志码：A
试系统在一个相对平行的光学导轨上，探测器的狭缝可调节，根据光功率可调整其宽度；探测器底座装在马达的驱动下竖直平面内移动，在测量开始时完成CCD 与光斑中心、（光强最大点处）的寻心和对心，进而测得发散角数值；过去的测量方法往往根据器件的几何外形进行对心，通常难以保证找准真正的光斑中心点。
该文采用相对科学的寻心方法，具体为首先调节CCD 的位置，调制到光斑平面内，驱动放置LD 的脉冲电机在0~180°，使其能在够水平范围内转动，通过CCD 对光斑X 方向的直线进行光强检测。
当PD 在X 方向检测后，计算机找出并记录该直线上的光强最大值。
由计算机驱动脉冲电机回到检测到的最大光强点处，该点应为直线到光斑中心点距离最小处，驱动马达使CCD 沿过该点的垂线移动，从而可进行光强检测。
同理找到Y 方向的最大光强点即为光斑中心。
确定光斑中心后，由计算机驱动脉冲电机从光斑中心向左右2个方向进行水平运动，当功率值降到一半处为光斑边缘。
２．２ 误差分析
（1）脉冲电机的误差影响激光器发散角，其误差主要由脉冲电动机的步距角误差、失步误差、起停误差构成。
在这些影响误差的因素中，很难减小随机性误差，一般只能通过全面提高脉冲电机各部分的精度、配合质量、增强刚度、减少摩擦系数等来改善。
（2）可以使用误差补偿的方法提高精度，在脉冲电机的转轴上安装增量式光学码盘，使脉冲电机形成闭环控制。
３ 结论
该文从M2因子、远端发散角，近端及远端的光强分布等方面对大功率半导体激光器的光束质量进行了分析研究，给出了相应的测量方案及误差分析。
除了固态激光器泵浦源以外，大功率半导体激光器也被直接使用于特种材料加工再制造领域中，其性能相较于传统加工制造手段，在降低成本、提高产能、增强稳定性等方面有显著优势。
未来，随着基础材料性能的提升，工艺的升级，大功率半导体激光器将会在材料加工领域中得到更广泛、更深入的应用。
参考文献
[1]周炳琨，高以智，陈倜嵘，等.激光原理（第四版）[M].北京：国防工业出版社，2000.
[2]杜宝勋.半导体激光器原理[M].北京:兵器工业出版社， 2004.
[3]祝敏，陆耀东，高玉萍，等.大功率高速半导体激光峰值功率测试技术研究[J].光电子·激光，2006，17（11）:1343-1345.。