專利名稱:一種新的高斯光束判別測量法及儀器的制作方法
本發(fā)明屬光學(xué)與激光技術(shù)，國際分類號G02B。
由于高斯光束在激光領(lǐng)域中具有特殊的意義，所以到目前為止，國內(nèi)外發(fā)展了四種掃瞄測量法，即刀口掃瞄法，針孔掃瞄法，狹縫掃瞄法和Ronchi刻尺掃瞄法來定量地測量其徑向強(qiáng)度分布及束徑。但缺點(diǎn)是①需要對光束截面逐點(diǎn)掃瞄。不但要因掃瞄元件運(yùn)動(dòng)而使機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且會(huì)因?yàn)樵趻呙闀r(shí)間內(nèi)光束強(qiáng)度起伏及光軸抖動(dòng)而引進(jìn)測量誤差;②所測的數(shù)據(jù)須用一假想的高斯函數(shù)去擬合。不但工作量大，而且容易把接近高斯函數(shù)的一些對稱分布函數(shù)擬合為高斯函數(shù)。此外，還有一些圖示法(如TV法)來定性地觀察高斯光束的強(qiáng)度分布。
本發(fā)明在對高斯光束的特性進(jìn)行了深入研究的基礎(chǔ)上提出了一種定量地判別和測量高斯光束的新方法僅須在光束截面內(nèi)同時(shí)對任意等距四點(diǎn)進(jìn)行采光測量即可判別和測量此高斯光束。并根據(jù)這一新測量方法，采用陣列接收元件、計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的高斯光束判別測量儀。此儀器不僅能把光束截面上的各點(diǎn)光強(qiáng)的測量值打印、顯示和圖示，而且可以定量地判別所測光束是否為高斯光束;如為高斯光束，則給出此高斯光束的徑向強(qiáng)度分布和束徑。
經(jīng)過科技期刊文獻(xiàn)檢索及專利文獻(xiàn)檢索證實(shí)本發(fā)明確實(shí)構(gòu)成為國內(nèi)外已有的四種定量測量方法(刀口掃瞄法，針孔掃瞄法，狹縫掃瞄法和Ronchi刻尺掃瞄法)之外的、獨(dú)具特點(diǎn)的第五種測量法。
下面簡述本發(fā)明的內(nèi)容及儀器設(shè)計(jì)的技術(shù)方案。
1.本發(fā)明是，在高斯光束截面測量任意等距三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的光強(qiáng)就可確定該高斯光束的束徑及徑向強(qiáng)度分布的測量方法以及在所測光束(高斯光束或其他強(qiáng)度分布函數(shù)的光束)截面內(nèi)測量任意等距四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的光強(qiáng)就可判別該光束是否為高斯光束的判據(jù)。簡述如下假定所測量的高斯光束的徑向強(qiáng)度分布I(r)=I0exp[-2( (r)/(r0) )2] (1)式中，Io為光束中心的峰值強(qiáng)度，ro為光束半徑。
如采用直角坐標(biāo)系表示，在x軸的徑向強(qiáng)度分布(如附圖1所示)將為I(x)=I0exp[-2( (r)/(r0) )2] (2)在x坐標(biāo)軸有任意四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)x1、x2、x3、x4，而且如附圖1所示，x1、x2、x3、x4各坐標(biāo)點(diǎn)取值
于是，高斯光束在這四個(gè)坐標(biāo)上所對應(yīng)的強(qiáng)度分別為I(x1)=I0exp[-2( (-c)/(r0) )2]I(x2)=I0exp[-2( (d-c)/(r0) )2]I(x3)=I0exp[-2( (2d-c)/(r0) )2]I(x4)=I0exp[-2( (3d-c)/(r0) )2] (4)由I(x1)、I(x2)、I(x3)、d一組數(shù)據(jù)和I(x2)、I(x3)、I(x4)、d另一組數(shù)據(jù)均可分別求得此高斯光束的束徑為r01=4 d2A1]]>(5)r0 2=4 d2A2]]>(5)式中的A1、A2分別為兩組數(shù)據(jù)所確定的系數(shù);
A1=ln (I(x1))/(I(x3)) -2ln (I(x1))/(I(x2))A2=ln (I(x2))/(I(x4)) -2ln (I(x2))/(I(x3)) (6)至此可得如下結(jié)論①對于高斯光束而言，于光束截面上任取等距三點(diǎn)采光測量其強(qiáng)度，則可測出此高斯光束的束徑及徑向強(qiáng)度分布。
②由于此高斯光束的測量采用了光束截面上任意取等距四點(diǎn)采光測量其強(qiáng)度，注意，要求盡可能避開取值I(x1)＝I(x4)，I(x2)＝I(x3)。并分成兩組數(shù)據(jù)一組為I(x1)，I(x2)，I(x3)，d;另一組為I(x2)，I(x3)，I(x4)、d，而可分別按上面導(dǎo)出的公式求出此高斯光束的束徑r01，r02，如無測量誤差，r01＝r02必然無疑。
③如果所測光束不是高斯光束，而是其他強(qiáng)度分布的光束，在其截面等距四點(diǎn)的光強(qiáng)將不遵守(4)式給出的值。此時(shí)，利用I(x1)、I(x2)、I(x3)、d一組數(shù)據(jù)及I(x2)、I(x3)、I(x4)、d另一組數(shù)據(jù)代入(5)、(6)式所求得的r01和r02必不相同或等于無窮大。舉例如下a、如激光束為均勻強(qiáng)度分布，I(x1)＝I(x2)＝I(x3)＝I(x4)，則A1＝0，r01＝∞;A2＝0，r02＝∞。
b、如有一模式較差的非高斯徑向強(qiáng)度分布的氦氖激光束，如任取靠近光斑中心的四點(diǎn)(d＝0.3毫米)的高度，即測出I(x1)＝18.0，I(x2)＝34.8，I(x3)＝36.3，I(x4)＝34.8。于是利用(5)、(6)兩式就可得出此激光束的束徑為r01＝0.76毫米，r02＝2.12毫米，即r01≠r02。根據(jù)前述判別高斯光束的基本原理，此激光束不是高斯光束。這一點(diǎn)在示波器的照片中已清楚看出，本方法于此取得數(shù)據(jù)加以定量判別。
c、對高斯光束的判別與測量。
如一單模氦氖激光束的測量數(shù)據(jù)為d＝0.3毫米，I(x1)＝4.85，I(x2)＝8.38，I(x3)＝10.0，I(x4)＝8.35。按(5)、(6)等式分別求得A1＝0.37，r01＝0.986毫米≈1毫米;A2＝0.35，r02＝1.01毫米≈1毫米。r01≈r02。因此可以認(rèn)為此光束是高斯光束，而且它的束徑r0＝1毫米，它的徑向強(qiáng)度分布為I(r)＝I0exp(-2r2)下面推導(dǎo)出有測量誤差時(shí)高斯光束的判別微分(5)式，可得本方法對高斯光束的束徑測量的相對誤差表示式
通常，
很小，可忽略。因此，束徑的測量誤差主要產(chǎn)生于在光束截面內(nèi)采光測量其光強(qiáng)的精度。由于四點(diǎn)光強(qiáng)測量相對誤差大體相同，即
因此，
這也就是說，本發(fā)明提出的方法對高斯光束束徑的測量相對誤差將取決于采光測量光強(qiáng)的相對誤差。
現(xiàn)在，可以提出在有一定光強(qiáng)測量誤差條件下，利用前面敘述的r01和r02的差值來判別所測光束是否為高斯光束的判據(jù)
其中
曾經(jīng)對與高斯函數(shù)十分相似的三角形函數(shù)、sinc函數(shù)，sinc2函數(shù)的光強(qiáng)分布做過大量計(jì)算，如果光強(qiáng)測量誤差ε≤±1%時(shí)，應(yīng)用上述判據(jù)而可以把它們和高斯分布區(qū)別開。
2.根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的高斯光束判別測量儀的方塊圖如附圖2所示。
被測光束經(jīng)衰減系數(shù)可調(diào)的衰減片后由陣列接收元件包括CCD元件或二極管陣列元件或TV或四個(gè)單立光電接收元件按一定間距排列的元件列陣接收后經(jīng)放大，A/D轉(zhuǎn)換送到微處理機(jī)后既可顯示和打印光電接收系統(tǒng)的光電信號，把光束的一維徑向強(qiáng)度分布顯示出來，進(jìn)而，亦可根據(jù)所采等距四坐標(biāo)點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)代入(5)、(6)兩式，計(jì)算機(jī)對(5)、(6)、(9)式進(jìn)行編程而對所測光束是否為高斯光束做出判別;如是高斯光束，根據(jù)(4)、(5)兩式編程計(jì)算出此高斯光束的束徑及徑向強(qiáng)度分布式及曲線。
本發(fā)明同國內(nèi)外迄今為止所采用的四種掃瞄法(刀口掃瞄法，針孔掃瞄法，狹縫掃瞄法以及Ronchi刻尺掃瞄法)對高斯光束的徑向強(qiáng)度分布及束徑進(jìn)行定量測量有如下優(yōu)點(diǎn)①能定量地判別所測光束是否為高斯光束。而目前已有的四種掃瞄法是將所測光束的徑向強(qiáng)度分布曲線用一個(gè)高斯函數(shù)去擬合，這就有可能把和高斯曲線相接近的幾種分布函數(shù)誤認(rèn)為是高斯分布。
②測量精度高。本發(fā)明的測量方法及測量儀器僅須在光束截面內(nèi)同時(shí)對四坐標(biāo)點(diǎn)光強(qiáng)采光測量，無須運(yùn)動(dòng)任何測量元件。而四種掃瞄法須要運(yùn)動(dòng)接收元件或掃瞄元件，從而產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差以及非同時(shí)刻對光束截面內(nèi)諸點(diǎn)光強(qiáng)進(jìn)行采樣引入光源瞬時(shí)波動(dòng)誤差。本發(fā)明完全克服了此種誤差。
③能對脈沖激光進(jìn)行測量。這是因?yàn)楸景l(fā)明對光束截面內(nèi)四坐標(biāo)點(diǎn)光強(qiáng)采樣是同一時(shí)刻進(jìn)行的。而四種掃瞄法幾乎難以做到。
權(quán)利要求
1.一種判別和測量高斯光束的方法，其特征是只須在光束截面內(nèi)同時(shí)對任意等距四點(diǎn)進(jìn)行采光測量。
2.如權(quán)利要求
1所述的判別和測量高斯光束的方法，其特征是，確定該高斯光束的束徑和徑向強(qiáng)度分布只須在高斯光束截面任取等距三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的光強(qiáng)。
3.一種根據(jù)高斯光束判別測量方法制作的由衰減片，接收元件，放大器，示波器，A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的高斯光束判別測量儀，其特征是在微處理機(jī)里加上一個(gè)晶體振蕩器。
專利摘要
本發(fā)明提出了一種高斯光束判別和測量的新方法，并據(jù)此法設(shè)計(jì)了一臺新型的高斯光束判別測量儀器。此方法，僅須在光束截面內(nèi)，對任意等距四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行采光測量即可判別該光束是否為高斯光束；如為高斯光束，則僅利用其中等距三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的光強(qiáng)信息而測出該高斯光束的束徑及徑向強(qiáng)度分布。所設(shè)計(jì)的儀器能打印、顯示和圖示該光束的徑向強(qiáng)度分布并給出高斯光束的束徑和徑向強(qiáng)度分布。
文檔編號G02B。
由于高斯光束在激光領(lǐng)域中具有特殊的意義，所以到目前為止，國內(nèi)外發(fā)展了四種掃瞄測量法，即刀口掃瞄法，針孔掃瞄法，狹縫掃瞄法和Ronchi刻尺掃瞄法來定量地測量其徑向強(qiáng)度分布及束徑。但缺點(diǎn)是①需要對光束截面逐點(diǎn)掃瞄。不但要因掃瞄元件運(yùn)動(dòng)而使機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且會(huì)因?yàn)樵趻呙闀r(shí)間內(nèi)光束強(qiáng)度起伏及光軸抖動(dòng)而引進(jìn)測量誤差;②所測的數(shù)據(jù)須用一假想的高斯函數(shù)去擬合。不但工作量大，而且容易把接近高斯函數(shù)的一些對稱分布函數(shù)擬合為高斯函數(shù)。此外，還有一些圖示法(如TV法)來定性地觀察高斯光束的強(qiáng)度分布。
本發(fā)明在對高斯光束的特性進(jìn)行了深入研究的基礎(chǔ)上提出了一種定量地判別和測量高斯光束的新方法僅須在光束截面內(nèi)同時(shí)對任意等距四點(diǎn)進(jìn)行采光測量即可判別和測量此高斯光束。并根據(jù)這一新測量方法，采用陣列接收元件、計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的高斯光束判別測量儀。此儀器不僅能把光束截面上的各點(diǎn)光強(qiáng)的測量值打印、顯示和圖示，而且可以定量地判別所測光束是否為高斯光束;如為高斯光束，則給出此高斯光束的徑向強(qiáng)度分布和束徑。
經(jīng)過科技期刊文獻(xiàn)檢索及專利文獻(xiàn)檢索證實(shí)本發(fā)明確實(shí)構(gòu)成為國內(nèi)外已有的四種定量測量方法(刀口掃瞄法，針孔掃瞄法，狹縫掃瞄法和Ronchi刻尺掃瞄法)之外的、獨(dú)具特點(diǎn)的第五種測量法。
下面簡述本發(fā)明的內(nèi)容及儀器設(shè)計(jì)的技術(shù)方案。
1.本發(fā)明是，在高斯光束截面測量任意等距三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的光強(qiáng)就可確定該高斯光束的束徑及徑向強(qiáng)度分布的測量方法以及在所測光束(高斯光束或其他強(qiáng)度分布函數(shù)的光束)截面內(nèi)測量任意等距四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的光強(qiáng)就可判別該光束是否為高斯光束的判據(jù)。簡述如下假定所測量的高斯光束的徑向強(qiáng)度分布I(r)=I0exp[-2( (r)/(r0) )2] (1)式中，Io為光束中心的峰值強(qiáng)度，ro為光束半徑。
如采用直角坐標(biāo)系表示，在x軸的徑向強(qiáng)度分布(如附圖1所示)將為I(x)=I0exp[-2( (r)/(r0) )2] (2)在x坐標(biāo)軸有任意四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)x1、x2、x3、x4，而且如附圖1所示，x1、x2、x3、x4各坐標(biāo)點(diǎn)取值
于是，高斯光束在這四個(gè)坐標(biāo)上所對應(yīng)的強(qiáng)度分別為I(x1)=I0exp[-2( (-c)/(r0) )2]I(x2)=I0exp[-2( (d-c)/(r0) )2]I(x3)=I0exp[-2( (2d-c)/(r0) )2]I(x4)=I0exp[-2( (3d-c)/(r0) )2] (4)由I(x1)、I(x2)、I(x3)、d一組數(shù)據(jù)和I(x2)、I(x3)、I(x4)、d另一組數(shù)據(jù)均可分別求得此高斯光束的束徑為r01=4 d2A1]]>(5)r0 2=4 d2A2]]>(5)式中的A1、A2分別為兩組數(shù)據(jù)所確定的系數(shù);
A1=ln (I(x1))/(I(x3)) -2ln (I(x1))/(I(x2))A2=ln (I(x2))/(I(x4)) -2ln (I(x2))/(I(x3)) (6)至此可得如下結(jié)論①對于高斯光束而言，于光束截面上任取等距三點(diǎn)采光測量其強(qiáng)度，則可測出此高斯光束的束徑及徑向強(qiáng)度分布。
②由于此高斯光束的測量采用了光束截面上任意取等距四點(diǎn)采光測量其強(qiáng)度，注意，要求盡可能避開取值I(x1)＝I(x4)，I(x2)＝I(x3)。并分成兩組數(shù)據(jù)一組為I(x1)，I(x2)，I(x3)，d;另一組為I(x2)，I(x3)，I(x4)、d，而可分別按上面導(dǎo)出的公式求出此高斯光束的束徑r01，r02，如無測量誤差，r01＝r02必然無疑。
③如果所測光束不是高斯光束，而是其他強(qiáng)度分布的光束，在其截面等距四點(diǎn)的光強(qiáng)將不遵守(4)式給出的值。此時(shí)，利用I(x1)、I(x2)、I(x3)、d一組數(shù)據(jù)及I(x2)、I(x3)、I(x4)、d另一組數(shù)據(jù)代入(5)、(6)式所求得的r01和r02必不相同或等于無窮大。舉例如下a、如激光束為均勻強(qiáng)度分布，I(x1)＝I(x2)＝I(x3)＝I(x4)，則A1＝0，r01＝∞;A2＝0，r02＝∞。
b、如有一模式較差的非高斯徑向強(qiáng)度分布的氦氖激光束，如任取靠近光斑中心的四點(diǎn)(d＝0.3毫米)的高度，即測出I(x1)＝18.0，I(x2)＝34.8，I(x3)＝36.3，I(x4)＝34.8。于是利用(5)、(6)兩式就可得出此激光束的束徑為r01＝0.76毫米，r02＝2.12毫米，即r01≠r02。根據(jù)前述判別高斯光束的基本原理，此激光束不是高斯光束。這一點(diǎn)在示波器的照片中已清楚看出，本方法于此取得數(shù)據(jù)加以定量判別。
c、對高斯光束的判別與測量。
如一單模氦氖激光束的測量數(shù)據(jù)為d＝0.3毫米，I(x1)＝4.85，I(x2)＝8.38，I(x3)＝10.0，I(x4)＝8.35。按(5)、(6)等式分別求得A1＝0.37，r01＝0.986毫米≈1毫米;A2＝0.35，r02＝1.01毫米≈1毫米。r01≈r02。因此可以認(rèn)為此光束是高斯光束，而且它的束徑r0＝1毫米，它的徑向強(qiáng)度分布為I(r)＝I0exp(-2r2)下面推導(dǎo)出有測量誤差時(shí)高斯光束的判別微分(5)式，可得本方法對高斯光束的束徑測量的相對誤差表示式
通常，
很小，可忽略。因此，束徑的測量誤差主要產(chǎn)生于在光束截面內(nèi)采光測量其光強(qiáng)的精度。由于四點(diǎn)光強(qiáng)測量相對誤差大體相同，即
因此，
這也就是說，本發(fā)明提出的方法對高斯光束束徑的測量相對誤差將取決于采光測量光強(qiáng)的相對誤差。
現(xiàn)在，可以提出在有一定光強(qiáng)測量誤差條件下，利用前面敘述的r01和r02的差值來判別所測光束是否為高斯光束的判據(jù)
其中
曾經(jīng)對與高斯函數(shù)十分相似的三角形函數(shù)、sinc函數(shù)，sinc2函數(shù)的光強(qiáng)分布做過大量計(jì)算，如果光強(qiáng)測量誤差ε≤±1%時(shí)，應(yīng)用上述判據(jù)而可以把它們和高斯分布區(qū)別開。
2.根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的高斯光束判別測量儀的方塊圖如附圖2所示。
被測光束經(jīng)衰減系數(shù)可調(diào)的衰減片后由陣列接收元件包括CCD元件或二極管陣列元件或TV或四個(gè)單立光電接收元件按一定間距排列的元件列陣接收后經(jīng)放大，A/D轉(zhuǎn)換送到微處理機(jī)后既可顯示和打印光電接收系統(tǒng)的光電信號，把光束的一維徑向強(qiáng)度分布顯示出來，進(jìn)而，亦可根據(jù)所采等距四坐標(biāo)點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)代入(5)、(6)兩式，計(jì)算機(jī)對(5)、(6)、(9)式進(jìn)行編程而對所測光束是否為高斯光束做出判別;如是高斯光束，根據(jù)(4)、(5)兩式編程計(jì)算出此高斯光束的束徑及徑向強(qiáng)度分布式及曲線。
本發(fā)明同國內(nèi)外迄今為止所采用的四種掃瞄法(刀口掃瞄法，針孔掃瞄法，狹縫掃瞄法以及Ronchi刻尺掃瞄法)對高斯光束的徑向強(qiáng)度分布及束徑進(jìn)行定量測量有如下優(yōu)點(diǎn)①能定量地判別所測光束是否為高斯光束。而目前已有的四種掃瞄法是將所測光束的徑向強(qiáng)度分布曲線用一個(gè)高斯函數(shù)去擬合，這就有可能把和高斯曲線相接近的幾種分布函數(shù)誤認(rèn)為是高斯分布。
②測量精度高。本發(fā)明的測量方法及測量儀器僅須在光束截面內(nèi)同時(shí)對四坐標(biāo)點(diǎn)光強(qiáng)采光測量，無須運(yùn)動(dòng)任何測量元件。而四種掃瞄法須要運(yùn)動(dòng)接收元件或掃瞄元件，從而產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差以及非同時(shí)刻對光束截面內(nèi)諸點(diǎn)光強(qiáng)進(jìn)行采樣引入光源瞬時(shí)波動(dòng)誤差。本發(fā)明完全克服了此種誤差。
③能對脈沖激光進(jìn)行測量。這是因?yàn)楸景l(fā)明對光束截面內(nèi)四坐標(biāo)點(diǎn)光強(qiáng)采樣是同一時(shí)刻進(jìn)行的。而四種掃瞄法幾乎難以做到。GK86107992SQ86107992
公開日1988年6月8日 申請日期1986年11月28日
發(fā)明者朱延彬, 沈孝緯 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan