一種基于可變聚焦光路的激光光束質(zhì)量測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于激光光束質(zhì)量測試領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于可變聚焦光路的激 光光束質(zhì)量測量裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光產(chǎn)業(yè)是二十一世紀的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，其在工業(yè)、科研 領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。特別是激光的能量型應(yīng)用，作為一種加工工具，激光加工裝備對我 國近年來制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級起到了極大的促進作用。對于激光的能量型應(yīng)用來說，激光的 光束質(zhì)量是一個非常重要的參數(shù)，它是激光裝備中光路設(shè)計的一個很重要的輸入?yún)?shù)，也 很大程度上決定了激光裝備最終的性能指標。因此激光光束質(zhì)量測試技術(shù)的重要性日益凸 顯，兼具適用范圍廣和高測量精度的激光光束質(zhì)量測試設(shè)備是市場所急需的。
[0003] 根據(jù)高斯光束的雙曲線傳輸特性，將激光束的光斑半徑W表示為光程z的函數(shù)，A、 B、C分別為方程系數(shù)：
[0004] w2(z)=A+Bz+Cz2 (1)
[0005] 現(xiàn)有的激光光束質(zhì)量測試儀是用單透鏡(焦距f)對待測激光束進行聚焦，重造束 腰后，利用直線導(dǎo)軌（行程1)帶動感光元件在透鏡后焦點附近(也即重造的束腰附近)至少 10個不同的光程處 21測量激光束的光斑半徑大小Wl，然后由測得的這組數(shù)據(jù)(Zl，Wl)根據(jù)最 小二乘法擬合出上述雙曲線方程的系數(shù)A、B、C，則待測激光束的光束質(zhì)量M 2因子和聚焦后 的束腰半徑w由下式給出：
[0006]
[0007]
[0008]
[0009] 其中λ是待測激光束的波長。
[0010] 然而，為了確保測量的準確性，必須滿足兩個條件：（a)聚焦后的束腰直徑必須大 于感光元件的最小光斑測量直徑Do; (b)直線導(dǎo)軌的行程至少大于5倍的聚焦后激光束的瑞 利距離。假設(shè)待測激光束初始的束腰半徑為wo,則上述兩條件可用下面的數(shù)學(xué)不等式表示：
[0011]
[0012]
[0013]
[0014] 顯然，對于給定的聚焦透鏡焦距f、直線導(dǎo)軌行程1和感光元件最小光斑測量直徑 Do,只有一定范圍的(M2，wQ)才能滿足上述約束不等式，這意味著按現(xiàn)有方法一套給定的激 光光束質(zhì)量測試設(shè)備，其適用的待測激光束范圍將受到限制，或者難以保證測量的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 針對現(xiàn)有技術(shù)無法兼顧廣泛適用性和測量精度之間矛盾的缺陷，本發(fā)明的目的在 于提供一種基于可變聚焦光路的激光光束質(zhì)量測量裝置和方法，針對不同的待測激光束， 通過可變聚焦光路重造出滿足約束條件要求的束腰直徑和瑞利距離;可以極大的拓展激光 光束質(zhì)量測量系統(tǒng)的適用范圍，提高測量精度。
[0016] 本發(fā)明提供了一種基于可變聚焦光路的激光光束質(zhì)量測量裝置，包括:可變聚焦 模塊，感光元件，用于帶動所述感光元件移動的第一直線導(dǎo)軌和數(shù)據(jù)處理模塊;可變聚焦模 塊用于對接受的待測激光光束進行可變聚焦處理，使得聚焦的位置可調(diào);感光元件，其輸入 端用于接收聚焦后的激光，并輸出光斑圖像數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理模塊，其輸入端連接至感光元件 的輸出端，第一輸出端連接至第一直線導(dǎo)軌的控制端，第二輸出端連接至可變聚焦模塊的 控制端；用于控制第一直線導(dǎo)軌帶動感光元件移動，控制第二直線導(dǎo)軌帶動負透鏡移動，采 集感光元件在不同位置的光斑圖像數(shù)據(jù)，并對光斑圖像數(shù)據(jù)進行處理后輸出激光光束質(zhì)量 M2因子。
[0017] 更進一步地，所述可變聚焦模塊包括依次同光軸設(shè)置的負透鏡和正透鏡，以及用 于帶動所述負透鏡沿著光軸方向移動的第二直線導(dǎo)軌;通過直線導(dǎo)軌帶動負透鏡沿光軸方 向運動，改變負透鏡和正透鏡之間的間距，實現(xiàn)可變聚焦處理。
[0018] 更進一步地，所述負透鏡和所述正透鏡的表面鍍有與激光波長相匹配的增透介質(zhì) 膜。
[0019] 更進一步地，所述激光光束質(zhì)量測量裝置還包括衰減模塊，設(shè)置在所述可變聚焦 模塊與所述感光元件之間，用于對聚焦后的激光進行衰減。
[0020] 更進一步地，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括:控制單元，控制第一直線導(dǎo)軌帶動感光元件 移動，控制第二直線導(dǎo)軌帶動負透鏡移動;采集單元，用于采集感光元件在不同位置的光斑 圖像數(shù)據(jù)；以及處理單元，用于對光斑圖像數(shù)據(jù)進行處理后輸出激光光束質(zhì)量M 2因子。
[0021 ] 更進一步地，所述感光元件可以為C⑶或CMOS。
[0022] 本發(fā)明還提供了一種基于上述的激光光束質(zhì)量測量裝置對激光光束質(zhì)量進行測 量的方法，包括下述步驟：
[0023] (1)控制第一直線導(dǎo)軌帶動感光元件沿光軸移動，在導(dǎo)軌行程范圍內(nèi)至少10個不 同光程處21測量經(jīng)可變聚焦模塊聚焦后的光斑圖像數(shù)據(jù)，并對光斑圖像數(shù)據(jù)進行處理后獲 得激光光束半徑Wi，
[0024] 根據(jù)所述光程Zl和激光光束半徑^計算待測激光束的光束質(zhì)量Μ2因子和聚焦后的 束腰半徑
[0025] 根據(jù)待測激光束的光束質(zhì)量Μ2和聚焦后的束腰半徑wf獲得入射激光束初始的束腰 半徑并將光束質(zhì)量M 2和束腰半徑wo組合后獲得待測激光束光束質(zhì)量參數(shù)的第一組值 (M2,wo)i；
[0026] (2)根據(jù)第一組值(12，《〇)1計算負透鏡和正透鏡之間間距(T，通過數(shù)據(jù)處理模塊控 制第二直線導(dǎo)軌帶動負透鏡移動到目標距離處；
[0027] (3)重復(fù)步驟(1)得到待測激光束光束質(zhì)量參數(shù)的第二組值(M2，w0)2;
[0028] (4)計算第二組值(M2，wo)2與第一組值(M^woh的相對誤差，并與誤差控制因子ε相 比較；若
ε，則獲得待測激光束的光束質(zhì)量參數(shù)（M2，w q)2;S ;，則根據(jù)入射激光束光束質(zhì)量第二組參數(shù)(M2，Wq)2,重復(fù)步驟(2) 全步驟(4)。
[0029] 更進一步地，根據(jù)以下公式計算得到入射激光束初始的束腰半徑wo:

[0032] 更進一步地，根據(jù)上述公式以Z 獲得負透鏡和正透鏡之間間 ρ· 距d7。
[0033] 本發(fā)明即是通過引入可變聚焦光路，利用第一直線導(dǎo)軌帶動負透鏡運動，改變負 透鏡和正透鏡之間的間距d來實現(xiàn)上述目的，以同時保證激光光束質(zhì)量測試裝置的廣泛適 應(yīng)性和高測量精度。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發(fā)明實施例提供的基于可變聚焦光路的激光光束質(zhì)量測量裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0035]圖2是本發(fā)明實施例提供的基于可變聚焦光路的激光光束質(zhì)量測量裝置測量方法 的實現(xiàn)流程圖；
[0036] 1為負透鏡，2為正透鏡，3為衰減模塊，4為感光元件，5為第二直線導(dǎo)軌，6為第一直 線導(dǎo)軌，7為數(shù)據(jù)處理模塊。
【具體實施方式】
[0037]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0038] 本發(fā)明提供的一種基于可變聚焦光路的激光光束質(zhì)量測量裝置，包括依次的同光 軸的負透鏡、正透鏡、衰減模塊和感光元件，用于帶動負透鏡移動的第一直線導(dǎo)軌、帶動感 光元件移動的第二直線導(dǎo)軌和用于系統(tǒng)控制分析的數(shù)據(jù)處理模塊。負透鏡、正透鏡、衰減模 塊、感光元件在同一光軸上;所述的感光元件的數(shù)據(jù)線、第一直線導(dǎo)軌的控制線和所述的第 二直線導(dǎo)軌的控制線分別與數(shù)據(jù)處理模塊相連。數(shù)據(jù)處理模塊具有圖像數(shù)據(jù)采集卡、控制 卡和計算激光光束質(zhì)量M 2因子的數(shù)據(jù)處理程序，實現(xiàn)對兩個直線導(dǎo)軌的運動進行控制，進 而精確控制負透鏡和感光元件的空間位置，實現(xiàn)對感光元件所成激光束光斑圖像數(shù)據(jù)的采 集分析，獲得激光束光斑大小，實現(xiàn)對激光束光束質(zhì)量M 2因子的計算。
[0039] 在本發(fā)明實施例中，第二直線導(dǎo)軌用于帶動負透鏡沿光軸方向運動，并精確定位 負透鏡的位置。衰減模塊能對入射激光功率進行衰減，且可根據(jù)入射激光功率的大小選擇 合適衰減倍率的衰減片進行更換。第一直線導(dǎo)軌用于帶動感光元件沿光軸方向運動，并精 確定位感光元件的位置。感光元件能對入射激光束的光斑大小進行分析計算;直線導(dǎo)軌可 以帶著感光元件沿光軸方向運動，并精確定位感光元件的位置，從而實現(xiàn)在至少10個不同 的光程處對激光束光斑大小進行測量。數(shù)據(jù)處理模塊具有圖像數(shù)據(jù)采集卡、控制卡和計算 激光光束質(zhì)量M 2因子的數(shù)據(jù)處理程序，通過數(shù)據(jù)線與感光元件相連，通過控制線與第二直 線導(dǎo)軌相連，通過控制線與直線導(dǎo)軌(6)相連，實現(xiàn)對第二直線導(dǎo)軌和第一直線導(dǎo)軌的運動 進行控制，進而精確控制負透鏡和感光元件的位置，實現(xiàn)對感光元件獲取的光斑圖像數(shù)據(jù) 的采集分析，獲得激光束光斑大小，實現(xiàn)對激光束光束質(zhì)量M 2因子的計算。
[0040] 在本發(fā)明實施例中，fi為負透鏡的焦距;f2為正透鏡的焦距;d為負透鏡和正透鏡之 間的間距;h為第一直線導(dǎo)軌的行程;1 2為第二直線導(dǎo)軌的行程。根據(jù)高斯激光束的q參數(shù)表 示理論，將待測激光束在負透鏡入射前表面處的q參數(shù)qo表示為下式：
[0041 ]
(4)
[0042]其中do為激光出射口到負透鏡的距離，λ是待測激光束的波長，WQ為待測激光束的 初始束腰半徑，Μ2為待測激光束的光束質(zhì)量因子。
[0043]根據(jù)高斯光束的矩陣傳輸理論，可將負透鏡、負透鏡和正透鏡之間的空氣層、正透 鏡三者用矩陣表示為下式：
[0044]
[0045]則三者總的傳輸矩陣可表示為下式：
[0046]<