CN113203474A - 一种光斑光强度分布测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光斑光强度分布测量装置及方法，其主要组成元件为：功率计、带透过孔径的遮挡屏、XZ轴平动机械装置、机械控制***和计算机。所述的功率计与计算机相连，导轨与控制***相连。利用上述装置，通过透过孔径确定光斑内待测位置，光束透过遮挡板上的后进入功率计，测定相应位置的光强度。在XZ轴不断移动遮挡屏和功率计，得到整体光斑位置与光强度的关系，从而实现光斑内部的光强度分布测量的目的。本发明具有透射孔径尺寸可调从而控制测量精度的优点，能够有效地测量高功率、大面积光斑内部的光强度分布。

Description

一种光斑光强度分布测量装置及方法

技术领域

本发明涉及激光大气传输领域，特别是适用于高功率、大面积光斑的光强度分布测定。

背景技术

光斑光强度分布，是指光强度在二维平面上的分布情况，测量光斑光强度分布有着广泛的应用。例如，随着激光技术的不断发展地对空、地对地、空对地、空对空的激光无线能量传输技术越来越受到重视。由于其不需要铺设光缆、准直性好、能量高且集中，在能量输运领域有其独特的优势。激光束在大气中传输时，受到大气分子的散射、大气中各种成分对光束的吸收、以及湍流、热晕引起的闪烁、光斑漂移等大气效应，使得能量损失严重，分布也不再呈高斯分布。另外，对于一些高功率激光器产生的光斑，由于热效应，其光束空间分布与低功率下的是不同的。为了得到光强度分布均匀的远场光斑，需要对这些效应产生的光束畸变进行补偿。自适应光学技术按照补偿原理可以分为两种：一种是校正式自适应光学技术，即利用电光器件、声光器件和可变形反射镜进行补偿的***；另一种是非线性相位共轭技术，不需要其他设备，利用激光与某些介质的非线性互相作用产生畸变光波的相位共轭波。这两种补偿技术的前提都是需要测定远场光斑的光强度分布，因此对光斑内部强度分布的测定具有重要的意义。

在现有的光强探测技术中，主要基于不同的探测原理。例如通过功率计测定光斑的整体功率，不同类型的功率计基于不同原理将接收到的光信号转换为电信号经CPU处理输出光功率数据，其优势在于可测量光功率的范围比较广，可达到百瓦甚至千瓦级别。但功率计无法得到光斑内部的强度分布，仅仅能够测定光斑整体的光强度；另一种常用的方法是采用阵列探测器，基于探测器阵列技术和CCD探测技术对需要探测的光斑直接测量。例如构造8×8阵列式探测器，但这种探测器造价昂贵，阵列单元数量随着光斑尺寸的增大呈平方增长。光电探测器探头测量功率阈值仅为毫瓦级，若用于高功率激光测量需要对激光进行大倍率衰减，带来较大误差。且由于探测器数量过多，每个光电探测器的光电响应特性不相同。因此对于不同光源需要对阵列整体的响应非线性、响应非均一性进行标定，技术难度复杂，给高功率、大面积光斑测量造成了极大的限制。

发明内容

针对上述存在的各种问题，本发明通过比较上述两种方式各自的优势及缺点，提出一种光斑光强度分布的测量装置及测量方法，适用于高功率、大面积的光斑。

本发明的技术解决方案如下：

一种光斑光强度分布测量装置，其特点在于：包括带有透过小孔且孔径可调的光束遮挡板、功率计、供光束遮挡板及功率计移动的滑轨和机械控制***，该机械控制***控制滑轨带动光束遮挡板和功率计移动；所述的功率计用于显示并记录接收的光强度；

入射光通过光束遮挡板上的小孔射入置于滑轨上的功率计，通过滑轨调整功率计及光束遮挡板的位置，在确定的移动范围内，按照预先设定的移动顺序扫描整个被测光斑，并记录各个位置实时的光强度，最终得到光斑内部的光强度分布。

被测光斑平均功率在一百瓦以上、光斑尺寸在数十厘米到数米之间。

所述的光束遮挡板与滑轨连接，光束遮挡板的孔径尺寸可调，可调范围在2mm～20mm，最小孔径尺寸应远大于光波长；遮挡板的尺寸应遮挡住光束入射到功率计上除感光区以外的区域；遮挡板透过孔径中心应与待测位置及功率计中心同轴。

所述的功率计的测量阈值大于被测光斑的峰值功率。

利用上述光斑光强度分布测量装置测量光斑光强度分布的方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

1)根据光束空间分布，确定滑轨移动范围：以光斑中心为圆心，光斑半径为半径的圆形区域内；

2)设定滑轨移动顺序，使功率计及光束遮挡板的透过小孔遍历被测光斑的所有范围；

3)设定空间测量精度，并根据空间测量精度调整光束遮挡孔径的孔径尺寸；

4)移动XZ轴滑轨将光束遮挡孔和功率计移动至待测量位置，待测位置由计算机显示并记录；

5)功率计测量通过光束遮挡孔至功率计上的光强度，由计算机显示并记录；

6)根据步骤1)所设定的移动顺序，移动至下一个待测量位置，重复步骤4)至步骤5)，扫描整体光斑，直至记录得到光斑内部整体光强度分布。

优选的，设定滑轨移动顺序，指从左到右或从上到下。

与先前技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、光束经过透过孔径直接射入功率计，无需增加能量衰减片，减小了光强度的测定误差。

2、遮挡板的透过孔径尺寸可调，可以根据空间分辨率需求实现光斑内部光强度分布不同精度的测量。

3、单个功率计的光电响应特性唯一，不需要像阵列式探测器方法进行标定，装置结构简单、成本低廉。

4、可调孔径—功率计—滑轨的组合装置，能够在测量平均功率在一百瓦以上的高功率光斑的同时，实现几十厘米到米级别的大面积光斑内部光强度分布的测定。

附图说明

图1是本发明光斑光强度分布测量装置结构示意图。

图2为光束遮挡板遮挡后的测量部分结构示意图。

图3为光束遮挡板上可调孔径的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

首先参阅图1，图1是光斑光强度分布测量装置结构示意图，由图可见，本发明光斑光强度分布测量装置结构示意图，包括：包括带有透过小孔且孔径可调的光束遮挡板2、功率计4、供光束遮挡板2及功率计4移动的滑轨3和机械控制***5，该机械控制***5控制滑轨3带动光束遮挡板2和功率计4移动；所述的功率计4用于显示并记录接收的光强度。利用上述装置，入射光1通过光束遮挡板2上的小孔射入置于导轨3上的功率计4，通过调整功率计4及光束遮挡板2的位置，按照预先设定的移动顺序，在确定的移动范围内扫描整个光斑并记录各个位置实时的光强度，最终得到光斑内部的光强度分布。

一种光斑光强度分布的测量方法，步骤如下：

1)根据光束空间分布，确定滑轨3移动范围：以光斑中心为圆心，光斑半径为半径的圆形区域内；

2)设定移动顺序：从上之下或从左至右但不限于上述两种顺序，移动顺序能使功率计及透过孔径移动至光斑内部所有位置即可；

3)设定空间测量精度，并根据空间测量精度调整遮挡孔2的孔径尺寸；

4)移动XZ轴滑轨3将光束遮挡孔2和功率计4移动至待测量位置，待测位置由计算机6显示并记录；

5)功率计4测量通过光束遮挡孔2至功率计上的光强度，由计算机6显示并记录当前位置及光强度；

6)根据步骤1)所设定的移动顺序，移动至下一个待测量位置，重复步骤4)至步骤5)，扫描整体光斑，直至记录得到光斑内部整体光强度分布。

Claims (6)

1.一种光斑光强度分布测量装置，其特征在于：包括带有透过小孔且孔径可调的光束遮挡板(2)、功率计(4)、供光束遮挡板(2)及功率计(4)移动的滑轨(3)和机械控制***(5)，该机械控制***(5)控制滑轨(3)带动光束遮挡板(2)和功率计(4)移动；所述的功率计(4)用于显示并记录接收的光强度；

入射光(1)通过光束遮挡板(2)上的小孔射入置于滑轨(3)上的功率计(4)，通过滑轨(3)调整功率计(4)及光束遮挡板(2)的位置，在确定的移动范围内，按照预先设定的移动顺序扫描整个被测光斑，并记录各个位置实时的光强度，最终得到光斑内部的光强度分布。

2.根据权利要求1所述的光斑光强度分布测量装置，其特征在于，被测光斑平均功率在一百瓦以上、光斑尺寸在数十厘米到数米之间。

3.根据权利要求1所述的光斑光强度分布测量装置，其特征在于，所述的光束遮挡板与滑轨连接，光束遮挡板的孔径尺寸可调，可调范围在2mm～20mm，最小孔径尺寸应远大于光波长；遮挡板的尺寸应遮挡住光束入射到功率计上除感光区以外的区域；遮挡板透过孔径中心应与待测位置及功率计中心同轴。

4.根据权利要求1所述的光斑光强度分布测量装置，其特征在于，所述的功率计的测量阈值大于被测光斑的峰值功率。

5.利用权利要求1-4任一所述的光斑光强度分布测量装置测量光斑光强度分布的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据光束空间分布，确定滑轨(3)移动范围：以光斑中心为圆心，光斑半径为半径的圆形区域内；

2)设定滑轨(3)移动顺序，使功率计(4)及光束遮挡板(2)的透过小孔遍历被测光斑的所有范围；

3)设定空间测量精度，并根据空间测量精度调整光束遮挡孔径(2)的孔径尺寸；

4)移动XZ轴滑轨(3)将光束遮挡孔(2)和功率计(4)移动至待测量位置，待测位置由计算机(6)显示并记录；

5)功率计(4)测量通过光束遮挡孔(2)至功率计上的光强度，由计算机(6)显示并记录；

6)根据步骤1)所设定的移动顺序，移动至下一个待测量位置，重复步骤4)至步骤5)，扫描整体光斑，直至记录得到光斑内部整体光强度分布。

6.根据权利要求5所述的测量光斑光强度分布的方法，其特征在于，设定滑轨(3)移动顺序，指从左到右或从上到下。

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