本實用新型涉及一種光電研究、教學(xué)實驗系統(tǒng)，尤其是涉及激光測試及應(yīng)用方向的實驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人們對激光器研究的深入，關(guān)注的重點早已由單純追求輸出激光功率的提升轉(zhuǎn)移到如何獲得光束質(zhì)量更好的激光光束上來。光束質(zhì)量作為評價激光束性能的重要指標(biāo)也獲得了研究人員的重視，而激光器的束腰寬度、束腰位置、遠(yuǎn)場發(fā)散角、M2因子都是評價激光光束質(zhì)量的參數(shù)。
測量激光器光斑的方法有套孔法、刀口法、CCD法等。這些方法都存在著諸多不足。
套孔法主要是針對圓形或者是能夠預(yù)測大致形狀且光場分布對稱的光斑測量的。而對于很多場合來說，研究人員并不能提前預(yù)測光斑的形狀，且光斑也存在著各處強(qiáng)度不一致的情況。因此其測試結(jié)果不能很精確，在使用上受到了很大的限制。
刀口法具有很強(qiáng)的光斑形狀適應(yīng)能力，且測試中只是采用了光功率計，但是其光路調(diào)整較為復(fù)雜而導(dǎo)致測試精度不夠。
CCD法是將整個光束輪廓拍攝下來，同時提供整個光強(qiáng)的二維分布，從而得到光束寬度，市場上現(xiàn)有的對激光光束質(zhì)量測量的產(chǎn)品以Spiricon lnc 和Thorlabs lnc生產(chǎn)的光束質(zhì)量測量儀為代表，一方面，這些儀器價格昂貴，通常在10 萬元以上，難于在實驗教學(xué)過程中推廣；另一方面，在對激光器進(jìn)行光束質(zhì)量分析時，由于一些激光器的束腰位置距離激光器出光口較遠(yuǎn)或者在激光器內(nèi)部，導(dǎo)致測試光路較長使得測量系統(tǒng)體積過大，造成了測量上的不便性以及時間上的浪費；因此，需要一個性價比高、可以測量束腰位置在激光器內(nèi)部、測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)裝置。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，本實用新型提供了一種新型激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，既可以實現(xiàn)通過對多種類型激光器進(jìn)行光束變換，將激光器的束腰位置拉在可測量位置，方便于測量或者節(jié)省工作距離，或者通過光束變換對激光器進(jìn)行準(zhǔn)直，使其輸出為準(zhǔn)直光束；又可以對激光器光束質(zhì)量進(jìn)行測量分析。該測量系統(tǒng)簡單、成本低、可操作性較強(qiáng)，本實用新型采用動態(tài)范圍較高的CCD相機(jī)，通過光斑觀測儀測量并顯示水平、垂直光斑寬度、質(zhì)心位置、光強(qiáng)分布、三維顯示圖以及光束質(zhì)量的參數(shù)：束腰位置、束腰寬度、遠(yuǎn)場發(fā)散角、M2因子以及瑞利長度等，有助于學(xué)生對光束變換以及激光光束質(zhì)量參數(shù)的測量與理解。
本實用新型采用以下技術(shù)方案：
一種新型激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征包括激光控制電源、激光器、激光夾持卡具、光束變換裝置、組合衰減片、數(shù)字相機(jī)、光斑觀測儀。所述光束變換裝置、組合衰減片、數(shù)字相機(jī)沿激光器發(fā)出光束的傳播方向依次放置，所有器件同光軸。激光控制電源與激光器相連用于提供驅(qū)動電流，數(shù)字相機(jī)通過USB與光斑觀測儀相連用于傳輸數(shù)據(jù)。其中所述光束變換裝置，既可將激光器的束腰位置拉在可測量位置，方便于測量或者節(jié)省工作距離，也可通過光束變換對激光器進(jìn)行準(zhǔn)直，使其輸出為準(zhǔn)直光束。
上述的激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的光束變換裝置可以是單片透鏡也可以是多片透鏡組成的透鏡組。
上述的激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的激光控制電源用于驅(qū)動并控制激光器。
上述的激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的激光器可以是多種類型的激光器。
上述的激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的激光夾持卡具用于夾持激光器，可根據(jù)不同種類的激光器進(jìn)行選擇。
上述的激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的組合衰減片對激光光強(qiáng)具有均勻衰減作用。
上述的激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字相機(jī)相對于光束變換裝置的距離可沿光軸改變，優(yōu)選CCD相機(jī)或COMS相機(jī)。
上述的激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于所述的光斑觀測儀具有光斑分析功能，可以分析并顯示光斑參數(shù)：束腰位置、束腰寬度、遠(yuǎn)場發(fā)散角、M2因子以及瑞利長度等。
本實用新型光束變換以及光束質(zhì)量測量的基本理論依據(jù)和方法為：選取光束變換前的束腰位置為零點,選取沿光束傳播方向為正方向,激光器出射的光束經(jīng)光束變換后形成輔助束腰,光束變換前后束腰半徑與束腰位置滿足：
式中?為光束變換前束腰位置到光束變換透鏡之間的距離(與光束傳播方向一致為正，相反為負(fù))，?'為光束變換透鏡到光束變換后束腰位置之間的距離， ?為光束變換透鏡的焦距， ω0為光束變換前束腰半徑， ω0'光束變換后束腰半徑，λ為所測量激光器的波長。
光束變換前的束腰位置、束腰半徑、遠(yuǎn)場發(fā)散角、M2因子以及瑞利長度是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)ISO11146上所述通過測量不同位置的光斑寬度，擬合成雙曲線，其雙曲線的表達(dá)式為：
束腰位置、束腰半徑、遠(yuǎn)場發(fā)散角、M2因子以及瑞利長度的表達(dá)式如下：
上述公式（3）和（4）為光束變換前的束腰位置以及束腰半徑，將其帶入公式（1）可計算出光束變換后激光器的束腰半徑以及束腰位置，將計算的理論值與實際測量值進(jìn)行對比。
本實用新型具有以下有益效果：
1、與傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比，本實用新型提供的用于激光器系統(tǒng)的參數(shù)測量，能夠通過沿光軸調(diào)節(jié)光束變換透鏡，既可將激光器的束腰位置拉在可測量位置，方便于測量或者節(jié)省工作距離，或者通過光束變換對激光器進(jìn)行準(zhǔn)直，使其輸出為準(zhǔn)直光束,又可對變換后的光束進(jìn)行光束質(zhì)量分析；
2、本實用新型測量過程全部為手動測量，有助于學(xué)生對光束變換以及激光光束質(zhì)量參數(shù)光斑寬度、束腰位置、遠(yuǎn)場發(fā)散角、M2因子、瑞利長度的測量與理解。
附圖說明
圖1是一種新型激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)示意圖。
圖中：1—激光器控制電源、2—激光器、3—激光夾持卡具、4—光束變換裝置、5—組合衰減片、6—數(shù)字相機(jī)、7—光斑觀測儀。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步的說明，以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型，根據(jù)本實用新型的思想，可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實用新型的保護(hù)范圍。
參照附圖1，對本實用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明.本實用新型采取的技術(shù)方案如下：一種新型激光測試教學(xué)實驗系統(tǒng)，包括激光器控制電源1、激光器2、激光夾持卡具3、光束變換裝置4、組合衰減片5、數(shù)字相機(jī)6以及光斑觀測儀7。
本實施例各部分器件的連接方式如下：
光束變換裝置4、組合衰減片5、數(shù)字相機(jī)6沿激光器2發(fā)出光束的傳播方向依次放置，所有器件同光軸，數(shù)字相機(jī)6相對于光束變換裝置4的距離可沿光軸改變，數(shù)字相機(jī)6與光斑觀測裝置4通過USB相連接。
其中，光束變換裝置4可以是單片透鏡也可以是多片透鏡組成的透鏡組。操作人員可根據(jù)自己的需求來選擇不同焦距的變換透鏡4以及透鏡與激光器2的距離。
其中所述激光器2可以為多種類型激光器，本實用新型的實施例選用的激光器2為半導(dǎo)體激光器，其束腰位置距離激光器2出光口較遠(yuǎn)，使測量系統(tǒng)的體積增大，不便于測量，通過對激光器2進(jìn)行光束變換，拉近其束腰位置，節(jié)省工作距離，由于其具有快慢軸之分，快慢軸的光斑寬度以及束腰位置不一樣，因此需要分別對激光器2的快軸和慢軸的光斑參數(shù)進(jìn)行分析。
本實施例的具體操作步驟如下：
將光束變換裝置4、組合衰減片5、數(shù)字相機(jī)6沿所述激光器2發(fā)出光束的傳播方向順次放置，所有器件同光軸。數(shù)字相機(jī)4通過USB與光斑觀測儀7相連接。用激光夾持卡具3固定激光器2，點亮激光器2，調(diào)節(jié)激光夾持卡具3，使激光器2與光束變換裝置4、組合衰減片5、數(shù)字相機(jī)6同光軸，并且入射到數(shù)字相機(jī)6的靶面上，激光器2與光束變換裝置4之間的距離根據(jù)光束變換后要得到的光束寬度與束腰位置來確定，使通過光束變換裝置4的光束垂直打到數(shù)字相機(jī)6的靶面上，通過光斑觀測儀7觀察并記錄光斑寬度，沿光軸移動數(shù)字相機(jī)6的位置，通過光斑觀測儀7找到光束變換后的束腰位置，并記錄束腰寬度，在光束變換后的束腰位置前后以及較遠(yuǎn)距離處使用數(shù)字相機(jī)6分別測量幾組光斑寬度；通過光斑觀測儀7上的軟件分別對測量得到的快軸光斑寬度以及慢軸光斑寬度進(jìn)行分析，得到光斑光束質(zhì)量的參數(shù)：束腰位置、束腰寬度、發(fā)散角、M2因子、瑞利長度以及二維光強(qiáng)分布、三維顯示圖等。