高能激光光束质量的测量

x I ( x, y, z) d x d y ∫∫ I ( x, y, z) d x d y ∫ ∫ y I ( x, y, z) d x d y ∫∫ I ( x, y, z) d x d y ∫∫
-∞ -∞ +∞ +∞ -∞ -∞ +∞ +∞ -∞ -∞ +∞ +∞ -∞ -∞ +∞ +∞
上述积分原则上是对整个 x - y 平面积分 , 实 际上此积分是至少在捕获光功率 (能量 ) 99 % 以上 的区域进行 。束宽的阵列探测器测量是由阵列探 测器测量和记录光强分布 , 并配以计算机数值图象 处理系统 , 利用上述公式可快速得到光束束宽值 。 束散角 θ是表征激光器品质的一个非常重要 的参数 , 它的大小决定激光束可传输多远距离而不 显著发散开来 , 它也与可聚焦多大能量 (功率 ) 有 关 。束散角 θ 定义为
表 1 不确定度分量对总不确定度的贡献 不确定度分量 由衰减系统的衰减倍率 、 透过率不 均匀性和像差引入的不确定度 由缩束光学系统的缩束倍率 、 焦距 和系统像差引入的不确定度 成像光学系统的成像倍率 、 焦距和 像差引入的不确定度 探测器的响应非均匀性 、 温度特性 、 像面 (焦面 ) 位置偏差引入的不确 定度 图像数据处理系统引入的不确定度 合成不确定度 对总不确定度的贡献
z z
L0 = -
B
4A
θ 0 = A
3 测量不确定度分量描述及估算
影响光束直径参数测量不确定度的主要因素 有 :衰减光学元件的像差 , 缩束光学的缩束倍率和 像差 , 成像光学系统的成像倍率和像差 , 阵列探测 器的非均匀性 、 线性响应的动态范围 、 空间像元数 和像元尺寸 , 图像处理及软件算法 。具体对总不确 定度的贡献如表 1 所示 。
器上 ,并且使光束大小与阵列探测器响应面大小 匹配 ; 最后 , 再由高速数据采集卡捕获光斑图形 , 采用台式计算机进行数据分析处理 , 实现计算 、 绘 图、 三维显示及打印等功能 , 从而获得激光输出模 式、 光束的空间强度分布 、 光束直径 、 束散角及指 向稳定性等参数
[ 7 - 11 ]
。
d f ( 6)
wx
wy
2
( x - x ) I ( x, y, z) d x d y ∫ ∫ = I ( x, y, z) d x d y ∫ ∫ ( y - y ) I ( x, y, z) d x d y 4 ∫ ∫ = I ( x, y, z) d x d y ∫ ∫
+∞
+∞
4
2
-∞
-∞ +∞ -∞
( Xiπ an Institute of App lied Op tics, Shanxi Xiπ an 710065 )
Abstract H igh 2energy lasers are increasingly used in various scientific, industrial and m ilitary ap 2 p lications . The p recision m etrology for the beam quality is essential for evaluating the performance of the
( ) θ = lim w z
z→∞
x =
( 1)
z
( 5)
y =
( 2)
则 x, y 方向的束宽 w x 、 w y 由功率密度分布 I ( x, y, z) 的二阶矩表示为
2
其中 , w ( z) 为激光沿 z轴传输在 z位置处的束宽 。 为了测量束散角 θ , 首先需要一无像差聚焦光 学元件 (焦距为 f ) 对激光束进行聚焦 , 在聚焦元件 后的像方焦平面处测量聚焦光斑直径 d (如图 2 所 [ 12 - 14 ] 示 ) 。则原激光束 (聚焦前 ) 的束散角为 θ=
1. 2 % 2. 8 %
等 , 其中以采用多点测量双曲线拟合法最为精确 。 沿传播轴 z 测量光束在不同位置处的束宽 w x 和 w y , 用最小二乘法拟合出双曲线以确定光束的传输 轮廓 , 最后确定光束质量因子 w x 和 w y 。原则上用 三个不同位置的束宽就可以计算出 M 因子 , 测量 多个位置可减小误差 。为了保证测量精度 , 测量次 数应足够多 , 一般至少测 10 次 , 其中必须有 5 次以
0. 8 % 1% 0. 8 %
Δy Δ θ y =
( 8)
式 ( 7 ) 和式 ( 8 ) 中的 Δx 和 Δy 为一段时间 (短 、 中、 长时间 ) 内光束质心位置的变化 。其测量原理 如图 3 所示 。
1. 8 % 0. 2 % 5. 0 %
图 3 指向稳定性测量原理图
2. 3 M 2 因子
收稿日期 : 2007 - 04 - 09 作者简介 : 杨鸿儒 ( 1962 — ) ,男 ,主要研究领域 : 光学计量和固体激光技术 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
和适用性 ,在学术界还颇有争议。长期以来 ,激光光 束质量的评价 ,特别是高能强激光光束质量的评价一 直没有统一的标准 ,也没有建立标准的测量方法 ,这 [ 7 - 11 ] 给科学研究和工程研究都带来诸多不便 。
2 测量方法及测量原理
2. 1 测量装置
高能强激光光束质量测量装置原理图如图 1
2007 年 10 月 第 27 卷 第 5期
宇航计测技术
Journal of A stronautic M etrology and M easurem ent
Oct . , 2007 Vol . 27, No. 5
文章编号 : 1000 - 7202 ( 2007 ) 05 - 0048 - 04 中图分类号 : O432
0. 8 % 3. 5 % 8%
・51・
[ J ]. IEEE J. Quant . Electron. 29, 1212 - 1217 ( 1993 ) .
图 1 高能强激光光束质量校准装置原理图
2. 2 测量原理
在空间域中 , 光束束宽 (直径 ) 有三种定义方 2 法 ,即 1 / e 定义 , 86. 5%环围功率 (能量 ) 定义及二 阶矩定义 。其中 ,以束宽的二阶矩定义在理论上最 为严格 。光束束宽的二阶矩定义为 : 设在沿光轴方 向的某一位置 z处 , 由测量得到光束截面功率密度 分布为 I ( x, y, z) ,则功率密度分布 I ( x, y, z) 的一阶 矩给出了光束分布的质心位置坐标 x, y
M 因子测量有两点法 、 三点法和多点拟合法
2
影响束散角测量不确定度的主要因素有 : 反射 式离轴抛物面聚焦光学系统的像差和焦距 , 测量焦斑 直径偏差 。具体对总不确定度的贡献如表 2 所示 。
表 2 不确定度分量对总不确定度的贡献 不确定度分量 由反射式离轴抛物面聚焦光学系 统的像差引入的不确定度 由聚焦光学系统的焦距引入的不 确定度 对总不确定度的贡献
w =A z +B z + c
2 2
( 9)
式中 A、 B、 C 为拟合系数 , 与光束参数关系为
M =
2 2 π B AC λ 4
( 10 ) ( 11 ) ( 12 ) ( 13 )
w0 = C 图 2 束散角测量原理图
B 4A
2
激光指向 (光轴 ) 稳定性主要指测量由激光器 和光束发射系统造成的激光束光轴指向随时间的 变化 。假定在某一时刻在成像元件的像面上 (即对 应沿光轴方向某一位置 z处 ) , 由测量得到光束截面 功率密度分布为 I ( x, y, z) , 则由式 ( 3 ) 和式 ( 4 ) 得到 光束分布的质心位置坐标 ( x, y ) 。则该质心位置 ( x, y )处为该时刻激光束光轴指向点 (或光束位置 ) 。 在 x, y 方向 , 激光指向稳定性单位为弧度 , 表 达式为 Δx Δ θ ( 7) x =
+∞
( 3)
-∞
+∞
+∞
2
-∞
-∞ +∞ -∞
+∞
( 4)
-∞
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

・50・
宇航计测技术 2007 年 上位于瑞利尺寸之内 。束宽的双曲线拟合公式为
关键词 高能强激光 + 光束质量 测量不确定度
Beam Qua lity M ea surem en t for H igh2energy La sers
YANG Hong2ru WU LE I SH I J i2fang WANG Xue 2xin L I Gao 2 p ing J I X I AO
2 2 2
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

第 5 期 高能激光光束质量的测量 续表 不确定度分量 聚焦元件的口径引入的不确定性 由测量焦斑直径偏差引入的不确 定度 合成不确定度 对总不确定度的贡献
文献标识码 史继芳 王学新 黎高平 吉 晓
(西安应用光学研究所 ,陕西西安 710065 )
高能激光广泛应用于科研 、 工业和军事等领域 ,其光束质量的精确计量对激光器性能的评价及化 摘 要 学和固体激光武器系统的作战效能的评估至关重要 。提出一种高能强激光光束质量测量装置 , 能实时观察光束 强度分布变化 ,通过数据处理系统可获得光束直径 、 束散角 、 光束指向稳定性及 M2 因子等光束质量参数 , 最后分 析和讨论了各测量参数的测量不确定度 。