本文介紹了一種脈沖激光束發(fā)散角的測(cè)試方法。 脈沖激光通過成像光學(xué)系統(tǒng)聚焦，在CCD相機(jī)上形成光斑并成像通過對(duì)光斑圖像進(jìn)行分析，得到光斑直徑，計(jì)算出發(fā)散度值激光束的角度。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量微小角度高能脈沖激光束的發(fā)散角值。
隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，高能脈沖激光在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用軍事領(lǐng)域非常廣泛。 光束質(zhì)量的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于評(píng)估光束質(zhì)量至關(guān)重要激光性能的作戰(zhàn)效能和激光武器系統(tǒng)的評(píng)估。
激光光束發(fā)散角作為評(píng)價(jià)激光器質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量高能脈沖激光束的發(fā)散角是必要的。
1、測(cè)量原理
本文采用光電法測(cè)量激光束的發(fā)散角。 放在光學(xué)系統(tǒng)孔徑光闌、光學(xué)線性陣列或面陣 CCD 的焦平面采集孔徑光闌后數(shù)據(jù)處理后得到光束的強(qiáng)度分布發(fā)散角。 這種測(cè)量方法測(cè)量精度高測(cè)試如圖1所示：
如果激光束是平行光束，則入射光束的發(fā)散角測(cè)量為如果像差很小，則光學(xué)系統(tǒng)聚焦在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，則焦平面形成漫射斑塊，漫射光斑大小取決于光束發(fā)散角測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的入瞳孔徑大小。
根據(jù)牛頓公式：
根據(jù)相似三角形定理：
激光發(fā)散角大小為：
由于測(cè)量的發(fā)散角很小，因此方程簡(jiǎn)化為：
如果測(cè)量?jī)x光學(xué)系統(tǒng)的光束發(fā)散角和焦距的準(zhǔn)確值計(jì)算其焦平面處的激光光斑直徑即可計(jì)算出光束的發(fā)散角。
2、計(jì)算點(diǎn)中心
激光束光斑中心位置表示為
3、激光光斑尺寸計(jì)算
在笛卡爾坐標(biāo)系中，Z光束在能量/功率密度函數(shù)上表示為第二時(shí)刻。
對(duì)應(yīng)的光斑尺寸為：
只要測(cè)量激光束在CCD像平面上的光斑尺寸，就可以得到激光束發(fā)散角。
4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)選用波長(zhǎng)532nm可見激光束和連續(xù)波長(zhǎng)測(cè)量1540nm脈沖紅外激光束。 焦距532nm光束計(jì)算測(cè)量計(jì)算焦距1540nm光束測(cè)量值。 激光光斑實(shí)驗(yàn)如圖2所示
532nm 光斑圖案
1540nm 光斑圖案
可見光CCD相機(jī)采集所得的一系列光斑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果為如下。
表1 532nm光束發(fā)散角測(cè)量結(jié)果
獲得的數(shù)據(jù)的平均值。
紅外CCD相機(jī)捕捉所得的一系列光斑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如下接下來。
表2 1540束光束發(fā)散角測(cè)量值
獲得的數(shù)據(jù)的平均值。
本文采用的測(cè)量方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性好，能夠完成脈沖激光束發(fā)散角的測(cè)量。
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