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專利名稱：激光束多種參量測試儀的制作方法
技術領域：
本發明是一種激光束多種參量測試儀。其參量主要包括二維激光束強度分布立體圖、等強度分布平面圖、激光波長、束腰直徑、束斑直徑、激光功率、光束發散角、激光束亮度等。
現有的技術，對激光束多個參量采用分別測量完成的。(1)激光束的功率用功率計單獨測量，例如美國EG&G公司460型激光功率計，美國JodonLaser公司的PM-950型數字激光功率計;(2)光斑尺寸用刀口法，狹縫法和熱釋電列陣系統測量，例如美國Spiricon公司的LMP-32×32-161型PyroelectricMatrixArrays;(3)激光波長用光譜儀測量。
本發明目的是用一臺儀器完成多種激光束參量的測量，如測量激光波長、束腰直徑、束斑直徑、激光功率、光束發散角、激光束亮度、二維激光束強度分布立體圖、等強度分布平面圖等。
構成本發明的測試儀的部件包含有氦氖激光器1(附圖1)中的標號)，它發出的632nm的紅色激光指示光學系統的調整，并做為典型的標準激光束，供參考測量。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，照射到探測器8。探測器輸出的電信號送入鎖相放大器14，再到微機顯示系統13。斬波器6給出的同步信號也送到鎖相放大器。帶有兩只微型步進電機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。驅動步進電機的步進電機驅動器15由微機通過程序控制。待測激光器7輸出的光束用衰減器5衰減。可插入的準直平面鏡4，用于調整待測量的激光束與指示調整的氦氖激光束同光路。
本發明的基本特征是，用微機13控制的二維光束掃描器11，將待測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。單色儀調整到剛好使該波長的激光從出射狹縫射出，并由探測器將光束截面上的光強分布顯示在微機屏幕上，呈現出如圖2所示的二維強度分布圖。經微機對數據處理，列表給出激光波長、束腰直徑、束斑直徑、激光功率、光束發散角(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的微動機構，同彈簧杠桿原理提高了調整精度。它由二臺三相步進電機驅動，可以做左右和俯仰方向的轉動。
步進電機驅動器15由微機和步進電機驅動電路構成。可外接三臺三相或四相步進電機。通過手動方式或遙控方式使電機以十種不同速度運轉。可單次步進，也可在指定范圍內連續運行。當前位置由數字顯示器指示。
微機13是與IBMPC/XT兼容的Super機型，通過RS-232C通訊接口向步進電機驅動器15發送遙控指令，并讀取步進電機驅動器15的狀態信息。發送與接收的流程圖如圖4所示。微機除了指揮控制步進電機驅動器15，還承擔光強數據存貯、二維光強分布圖形顯示和分析處理任務。數據和圖形在24針點陣打印機12上輸出。這些功能都是通過軟件設計完成的，軟件設計框圖如圖5所示。
上述二維光束掃描器或者是分成兩個組件，一個做左右方向掃描，稱為慢掃描;另一個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行。快掃描用快速旋轉的取樣器進行。在附圖6中，激光束經慢掃描反射鏡17做水平掃描(每秒鐘轉角2.29°)，光束照射到旋轉臂20的小孔19上，小孔直徑1mm，在旋轉臂內由小直角棱鏡18，直徑Φ7mm的透鏡21和中心小直角棱鏡22組成導光系統。最后，取樣光束經出射小孔23，照射到探測器8上。旋轉臂20在快速步進電機24帶動下，以每秒大于100周的頻率旋轉。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，可提高二維強度分布的成幀時間到每秒一幀。
本發明用氦氖激光調整儀器光路。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整光路，那么其次就是插入準直平面鏡4，使He-Ne激光自準，經分束器3表面反射至待測激光器輸出窗口，調整待測激光器光路，使待測激光與He-Ne激光同光路。當退出準直平面鏡4時，待測激光沿已調好的He-Ne激光光路進入單色儀。調整單色儀色散元件轉角，直到探測器指示有信號輸出。如果把He-Ne激光束做個測量對象，那么，不需要插入準直平面鏡4。用He-Ne激光引導10μm的CO2激光或其他不可見激光，可迅速調整好測量光路。
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。分束器材料與待測激光波長和強度有關。
光強度衰減器5，主要用于衰減過份強的待測激光。如果待測激光是線偏振的，可以用布儒斯特角檢偏器，通過角度旋轉連續調整激光強度。
斬波器6為熱釋電探測器提供調制信號。如果不用熱釋電探測器，也可不用斬波器。
探測器8根據待測激光的波長，可以是熱釋電探測器、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是裝在三維調整架上的全反射鏡。它起定位、微調光束位置的作用。
單色儀16起三種作用，一是用來測定激光波長，二是通過狹縫寬度調節連續改變入射光強，三是降低探測器的背景噪聲。有時不需要測量波長，只希望起后兩種作用，這時在光柵蓋板上貼上一塊平面反射鏡，就順利地達到目的，如不需測定激光波長，也可不用單色儀，直接用探測器接收。
本發明的優點是用一臺儀器可以完成多種激光束參量的測量，這些參量包括有;二維光強分布立體圖、等強度分布平面圖、激光波長、光腰直徑、光斑直徑、激光功率、光束發散角和激光束亮度。與最先進的美國Spiricon公司的LMP-32×32-161型熱釋電列陣系統相比，本發明除獲得參量多之外，還具有探測器易選擇，成本低，圖形分辨率高等優點。適用從100nm到1000μm的各種波長激光束參量的測量，易于普及和推廣。


。圖1.激光束多種參量測試儀組件圖。圖2.氦氖激光束二維強度分布立體圖，上面是線條式，下面是網格式。圖3.氦氖激光束等強度分布平面圖。上面不加標尺格，下面加標尺格。圖4.微機向步進電機驅動器發送指令與接收信息的流程圖。圖5.軟件設計框圖。圖6.由慢掃描和快掃描兩組件構成的二維光束掃描器結構圖。圖7.慢掃描和快掃描的光斑掃描和取樣方式。
最佳實施例結合附圖1說明本發明的實施例。腔長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所示的激光強度分布圖和圖3所示的等強度分布的平面圖，典型的激光束參量測試結果如表1所示。
二維掃描反射鏡，在俯仰方向，步進電機每進一步，反射鏡轉角8.75×10-6rad(～1.8″)，最大掃描范圍為17.5mrad;在左右方向，每步轉角4.5×10-6rad(～0.93″)，最大掃描范圍為72mrad。實驗中用的光柵單色儀是GDS-50-2型，其波長分辨率為1A，波長范圍為200nm至25μm。可變孔徑光欄由4個孔組成，其直徑分別是0.5mm、1mm、2mm和3mm，斬波器的頻率從10Hz至3000Hz可調。實驗中用熱釋電探測器作接收器件，它的性能如表2所示。步進電機驅動器15是GDS-50-2型光柵單色儀配件MSC掃描控制器。
表1.對氦氖激光束多種參量的測試結果激光速參量(Laser Beam Parameters)HN74912激光波長(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光束發散角(全角)(Diverge Angle (FW))2.32469mrad亮度(Brightness) 367582. W/cm2rad21991/07/04表2.熱釋電探測器性能

權利要求
1.一種激光束多種參量測試儀，包含有作為標準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和探測器8，其特征在于待測激光束7經過衰減器5衰減后，以準直平面鏡4使其待測激光束與標準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，經單色儀分束取樣后照射到探測器8上，探測器輸出的電信號送入鎖相放大器14，再到微機顯示控制系統13。
2.根據權利要求1所述的一種激光束多種參量測試儀，其特征在于二維光束掃描器是由兩只步進電機驅動器驅動的步進電機帶動的能夠左右俯仰呈弓字形掃描的二維掃描反射鏡所構成;或者是由一步進電機帶動的慢掃描反射鏡和一步進電機帶動的快掃描旋轉取樣器所構成。
3.根據權利要求1、2所述的一種激光束多種參量測試儀，其特征在于驅動步進電機的步進電機驅動器是由一臺微機和產生電機驅動電路所構成，并通過微機程序控制的。
4.根據權利要求1、2所述的一種激光束多種參量測試儀，其特征在于構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的微動機構。
5.根據權利要求1所述的一種激光束多種參量測試儀，其特征在于探測器隨其待測激光束的波長而選擇，可以是熱釋電探測器，光電倍增管，硅光二極管。
全文摘要
本發明是一種激光束多種參量測試儀。它由擴束(或縮束)光學系統將激光束光斑尺寸調節到合適的尺寸，用微機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。單色儀調整到剛好使該波長的激光從出射狹縫射出，由探測器將光束截面上的光強分布逐點顯示在微機屏幕上，呈現出三維立體強度分布圖。經微機對數據處理，可給出二維激光束強度分布圖、等強度分布平面圖、激光波長、束腰直徑、光束發散角、激光功率、激光亮度等激光束多種參量。
文檔編號G01J11/00GK1069574SQ91107468
公開日1993年3月3日 申請日期1991年8月15日 優先權日1991年8月15日
發明者傅恩生, 沈桂榮, 李穎峰, 王兵, 陳磊, 王玉芝, 王之江 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所