專利名稱：激光束多種參量測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種激光束多種參量測(cè)試儀。其參量主要包括二維激光束強(qiáng)度分布立體圖、等強(qiáng)度分布平面圖、激光波長(zhǎng)、束腰直徑、束斑直徑、激光功率、光束發(fā)散角、激光束亮度等。
現(xiàn)有的技術(shù)，對(duì)激光束多個(gè)參量采用分別測(cè)量完成的。(1)激光束的功率用功率計(jì)單獨(dú)測(cè)量，例如美國(guó)EG&G公司460型激光功率計(jì)，美國(guó)JodonLaser公司的PM-950型數(shù)字激光功率計(jì);(2)光斑尺寸用刀口法，狹縫法和熱釋電列陣系統(tǒng)測(cè)量，例如美國(guó)Spiricon公司的LMP-32×32-161型PyroelectricMatrixArrays;(3)激光波長(zhǎng)用光譜儀測(cè)量。
本發(fā)明目的是用一臺(tái)儀器完成多種激光束參量的測(cè)量，如測(cè)量激光波長(zhǎng)、束腰直徑、束斑直徑、激光功率、光束發(fā)散角、激光束亮度、二維激光束強(qiáng)度分布立體圖、等強(qiáng)度分布平面圖等。
構(gòu)成本發(fā)明的測(cè)試儀的部件包含有氦氖激光器1(附圖1)中的標(biāo)號(hào))，它發(fā)出的632nm的紅色激光指示光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整，并做為典型的標(biāo)準(zhǔn)激光束，供參考測(cè)量。氦氖激光束通過分束器3、斬波器6、照射到定位反射鏡10的中心。然后，光束聚焦通過可變孔徑光欄9照射到二維光束掃描器11。經(jīng)反射，光束照射到單色儀16入射狹縫上。通過單色儀，光束被分光、取樣，照射到探測(cè)器8。探測(cè)器輸出的電信號(hào)送入鎖相放大器14，再到微機(jī)顯示系統(tǒng)13。斬波器6給出的同步信號(hào)也送到鎖相放大器。帶有兩只微型步進(jìn)電機(jī)的二維掃描反射鏡組成的二維光束掃描器11，它可以在左右方向和俯仰方向呈弓字形掃描。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15由微機(jī)通過程序控制。待測(cè)激光器7輸出的光束用衰減器5衰減?？刹迦氲臏?zhǔn)直平面鏡4，用于調(diào)整待測(cè)量的激光束與指示調(diào)整的氦氖激光束同光路。
本發(fā)明的基本特征是，用微機(jī)13控制的二維光束掃描器11，將待測(cè)量激光束反射到單色儀16的入射狹縫上，使光束截面在入射狹縫上掃描。單色儀調(diào)整到剛好使該波長(zhǎng)的激光從出射狹縫射出，并由探測(cè)器將光束截面上的光強(qiáng)分布顯示在微機(jī)屏幕上，呈現(xiàn)出如圖2所示的二維強(qiáng)度分布圖。經(jīng)微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理，列表給出激光波長(zhǎng)、束腰直徑、束斑直徑、激光功率、光束發(fā)散角(全角)和激光束亮度等多種參量。如表1所示。
二維光束掃描器是本儀器的關(guān)鍵部件之一，它的二維掃描反射鏡帶有精密滾珠絲桿和彈性差動(dòng)的微動(dòng)機(jī)構(gòu)，同彈簧杠桿原理提高了調(diào)整精度。它由二臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以做左右和俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15由微機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成?？赏饨尤_(tái)三相或四相步進(jìn)電機(jī)。通過手動(dòng)方式或遙控方式使電機(jī)以十種不同速度運(yùn)轉(zhuǎn)?？蓡未尾竭M(jìn)，也可在指定范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)前位置由數(shù)字顯示器指示。
微機(jī)13是與IBMPC/XT兼容的Super機(jī)型，通過RS-232C通訊接口向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15發(fā)送遙控指令，并讀取步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15的狀態(tài)信息。發(fā)送與接收的流程圖如圖4所示。微機(jī)除了指揮控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15，還承擔(dān)光強(qiáng)數(shù)據(jù)存貯、二維光強(qiáng)分布圖形顯示和分析處理任務(wù)。數(shù)據(jù)和圖形在24針點(diǎn)陣打印機(jī)12上輸出。這些功能都是通過軟件設(shè)計(jì)完成的，軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。
上述二維光束掃描器或者是分成兩個(gè)組件，一個(gè)做左右方向掃描，稱為慢掃描;另一個(gè)做垂直方向的光束取樣，稱為快掃描。慢掃描可以用圖1中的二維掃描反射鏡進(jìn)行?？鞉呙栌每焖傩D(zhuǎn)的取樣器進(jìn)行。在附圖6中，激光束經(jīng)慢掃描反射鏡17做水平掃描(每秒鐘轉(zhuǎn)角2.29°)，光束照射到旋轉(zhuǎn)臂20的小孔19上，小孔直徑1mm，在旋轉(zhuǎn)臂內(nèi)由小直角棱鏡18，直徑Φ7mm的透鏡21和中心小直角棱鏡22組成導(dǎo)光系統(tǒng)。最后，取樣光束經(jīng)出射小孔23，照射到探測(cè)器8上。旋轉(zhuǎn)臂20在快速步進(jìn)電機(jī)24帶動(dòng)下，以每秒大于100周的頻率旋轉(zhuǎn)。慢掃描和快掃描的光斑掃描如圖7所示方式取樣。
用慢掃描和快掃描組合成二維光束掃描器，可提高二維強(qiáng)度分布的成幀時(shí)間到每秒一幀。
本發(fā)明用氦氖激光調(diào)整儀器光路。使直徑1cm左右的光束照射到單色儀入射狹縫上。如果只是用氦氖激光指示調(diào)整光路，那么其次就是插入準(zhǔn)直平面鏡4，使He-Ne激光自準(zhǔn)，經(jīng)分束器3表面反射至待測(cè)激光器輸出窗口，調(diào)整待測(cè)激光器光路，使待測(cè)激光與He-Ne激光同光路。當(dāng)退出準(zhǔn)直平面鏡4時(shí)，待測(cè)激光沿已調(diào)好的He-Ne激光光路進(jìn)入單色儀。調(diào)整單色儀色散元件轉(zhuǎn)角，直到探測(cè)器指示有信號(hào)輸出。如果把He-Ne激光束做個(gè)測(cè)量對(duì)象，那么，不需要插入準(zhǔn)直平面鏡4。用He-Ne激光引導(dǎo)10μm的CO2激光或其他不可見激光，可迅速調(diào)整好測(cè)量光路。
分束器3是尖劈狀的圓形鏡片。使用尖劈形狀，能使前后兩表面反射的光束分開，消除干擾。分束器材料與待測(cè)激光波長(zhǎng)和強(qiáng)度有關(guān)。
光強(qiáng)度衰減器5，主要用于衰減過份強(qiáng)的待測(cè)激光。如果待測(cè)激光是線偏振的，可以用布儒斯特角檢偏器，通過角度旋轉(zhuǎn)連續(xù)調(diào)整激光強(qiáng)度。
斬波器6為熱釋電探測(cè)器提供調(diào)制信號(hào)。如果不用熱釋電探測(cè)器，也可不用斬波器。
探測(cè)器8根據(jù)待測(cè)激光的波長(zhǎng)，可以是熱釋電探測(cè)器、光電倍增管、硅光二極管。
可變孔徑光欄9是染黑的鋁制輪盤，邊緣圓周上有不同直徑的圓孔，含有所需要的光欄孔徑。
定位反射鏡10是裝在三維調(diào)整架上的全反射鏡。它起定位、微調(diào)光束位置的作用。
單色儀16起三種作用，一是用來測(cè)定激光波長(zhǎng)，二是通過狹縫寬度調(diào)節(jié)連續(xù)改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)，三是降低探測(cè)器的背景噪聲。有時(shí)不需要測(cè)量波長(zhǎng)，只希望起后兩種作用，這時(shí)在光柵蓋板上貼上一塊平面反射鏡，就順利地達(dá)到目的，如不需測(cè)定激光波長(zhǎng)，也可不用單色儀，直接用探測(cè)器接收。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是用一臺(tái)儀器可以完成多種激光束參量的測(cè)量，這些參量包括有;二維光強(qiáng)分布立體圖、等強(qiáng)度分布平面圖、激光波長(zhǎng)、光腰直徑、光斑直徑、激光功率、光束發(fā)散角和激光束亮度。與最先進(jìn)的美國(guó)Spiricon公司的LMP-32×32-161型熱釋電列陣系統(tǒng)相比，本發(fā)明除獲得參量多之外，還具有探測(cè)器易選擇，成本低，圖形分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。適用從100nm到1000μm的各種波長(zhǎng)激光束參量的測(cè)量，易于普及和推廣。


。圖1.激光束多種參量測(cè)試儀組件圖。圖2.氦氖激光束二維強(qiáng)度分布立體圖，上面是線條式，下面是網(wǎng)格式。圖3.氦氖激光束等強(qiáng)度分布平面圖。上面不加標(biāo)尺格，下面加標(biāo)尺格。圖4.微機(jī)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令與接收信息的流程圖。圖5.軟件設(shè)計(jì)框圖。圖6.由慢掃描和快掃描兩組件構(gòu)成的二維光束掃描器結(jié)構(gòu)圖。圖7.慢掃描和快掃描的光斑掃描和取樣方式。
最佳實(shí)施例結(jié)合附圖1說明本發(fā)明的實(shí)施例。腔長(zhǎng)260mm的He-Ne激光器1，輸出的激光通過BaFz晶體尖劈分束器3(其尖劈夾角1°)和斬波頻率為12.5Hz的斬波器6，用曲率半徑50cm的鍍金定位反射鏡10聚焦，再由平面反射鏡組成的二維光束掃描器反射掃描得到如圖2所示的激光強(qiáng)度分布圖和圖3所示的等強(qiáng)度分布的平面圖，典型的激光束參量測(cè)試結(jié)果如表1所示。
二維掃描反射鏡，在俯仰方向，步進(jìn)電機(jī)每進(jìn)一步，反射鏡轉(zhuǎn)角8.75×10-6rad(～1.8″)，最大掃描范圍為17.5mrad;在左右方向，每步轉(zhuǎn)角4.5×10-6rad(～0.93″)，最大掃描范圍為72mrad。實(shí)驗(yàn)中用的光柵單色儀是GDS-50-2型，其波長(zhǎng)分辨率為1A，波長(zhǎng)范圍為200nm至25μm。可變孔徑光欄由4個(gè)孔組成，其直徑分別是0.5mm、1mm、2mm和3mm，斬波器的頻率從10Hz至3000Hz可調(diào)。實(shí)驗(yàn)中用熱釋電探測(cè)器作接收器件，它的性能如表2所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15是GDS-50-2型光柵單色儀配件MSC掃描控制器。
表1.對(duì)氦氖激光束多種參量的測(cè)試結(jié)果激光速參量(Laser Beam Parameters)HN74912激光波長(zhǎng)(Laser Wavelength).6328μm束腰直徑(Waist Diameter)*3.46586e-2 cm光斑直徑(Beam Diameter)1.69647cm激光功率(Laser Power)1.87412e-3W光束發(fā)散角(全角)(Diverge Angle (FW))2.32469mrad亮度(Brightness) 367582. W/cm2rad21991/07/04表2.熱釋電探測(cè)器性能

權(quán)利要求
1.一種激光束多種參量測(cè)試儀，包含有作為標(biāo)準(zhǔn)和指示光束的氦氖激光器1、分束器3、斬波器6、定位反射鏡10、單色儀16和探測(cè)器8，其特征在于待測(cè)激光束7經(jīng)過衰減器5衰減后，以準(zhǔn)直平面鏡4使其待測(cè)激光束與標(biāo)準(zhǔn)指示光束的氦氖激光束同光路，通過分束器、斬波器照射到一定位反射鏡10的中心，光束被聚焦后通過一可變孔徑光欄9，照射到微機(jī)控制的二維光束掃描器11上，二維光束掃描器將其光束反射到單色儀16的入射狹縫上，經(jīng)單色儀分束取樣后照射到探測(cè)器8上，探測(cè)器輸出的電信號(hào)送入鎖相放大器14，再到微機(jī)顯示控制系統(tǒng)13。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光束多種參量測(cè)試儀，其特征在于二維光束掃描器是由兩只步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的能夠左右俯仰呈弓字形掃描的二維掃描反射鏡所構(gòu)成;或者是由一步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的慢掃描反射鏡和一步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的快掃描旋轉(zhuǎn)取樣器所構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種激光束多種參量測(cè)試儀，其特征在于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是由一臺(tái)微機(jī)和產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路所構(gòu)成，并通過微機(jī)程序控制的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種激光束多種參量測(cè)試儀，其特征在于構(gòu)成二維光束掃描器的二維掃描反射鏡帶有精密滾珠絲桿和彈性差動(dòng)的微動(dòng)機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光束多種參量測(cè)試儀，其特征在于探測(cè)器隨其待測(cè)激光束的波長(zhǎng)而選擇，可以是熱釋電探測(cè)器，光電倍增管，硅光二極管。
全文摘要
本發(fā)明是一種激光束多種參量測(cè)試儀。它由擴(kuò)束(或縮束)光學(xué)系統(tǒng)將激光束光斑尺寸調(diào)節(jié)到合適的尺寸，用微機(jī)控制的二維光束掃描器，使光束截面在單色儀入射狹縫上掃描。單色儀調(diào)整到剛好使該波長(zhǎng)的激光從出射狹縫射出，由探測(cè)器將光束截面上的光強(qiáng)分布逐點(diǎn)顯示在微機(jī)屏幕上，呈現(xiàn)出三維立體強(qiáng)度分布圖。經(jīng)微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理，可給出二維激光束強(qiáng)度分布圖、等強(qiáng)度分布平面圖、激光波長(zhǎng)、束腰直徑、光束發(fā)散角、激光功率、激光亮度等激光束多種參量。
文檔編號(hào)G01J11/00GK1069574SQ91107468
公開日1993年3月3日 申請(qǐng)日期1991年8月15日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月15日
發(fā)明者傅恩生, 沈桂榮, 李穎峰, 王兵, 陳磊, 王玉芝, 王之江 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所