因子測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于透射型液晶空間光調制器的激光光束 M2 因子測量方法，包括：根據液晶空間光調制器的器件參數和透鏡相位分布函數，計算生成所需焦距透鏡的理想相位灰度圖；搭建光路系統，并調整光路系統中起偏器和檢偏器的角度，使液晶空間光調制器處于正確工作狀態，然后加載不同焦距透鏡的相位灰度圖至液晶空間光調制器并采集對應焦距的光斑圖像；計算不同焦距透鏡相位灰度圖對應光斑圖像的光斑半徑，并通過曲線擬合計算得到待測激光光束的 M2 因子。本發明具有快速、準確、裝置簡單和成本低的優點，可廣泛應用于光學信息處理領域。
【專利說明】基于透射型液晶空間光調制器的激光光束M2因子測量方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學信息處理領域，尤其是涉及一種基于透射型液晶空間光調制器的 激光光束M2因子測量方法。

【背景技術】
[0002] 激光技術已經廣泛應用于科研、工業、醫療、信息和軍事等領域，例如激光切割、激 光打標、光纖通訊、激光測距、激光全息和激光武器等。在激光的實際應用中，光束質量是衡 量激光光束優劣的一項重要指標。
[0003] 光束質量是從質的方面來評價激光的特性，對激光器的設計、制造、檢測、應用等 具有重要作用。目前常用來評價激光光束質量的方法包括：斯特列爾比（Strehl Rate)、環 圍能量比、原衍射極限倍數因子、M2因子或其倒數K因子（光束傳輸因子）。不同光束質量 的定義對應于不同的應用目的，所反映光束質量的側重點也不同。所以，光束質量的好壞， 應視具體的應用目的做出評價。
[0004] 激光光束質量的評價是以應用為先導，對于低功率激光器產生的光強連續分布的 光束截面，常用M2因子來對激光光束質量進行評價。M2因子，亦稱光束傳輸比、衍射極限 倍數因子。國際標準化組織（ISO)制定了激光光束質量的測量標準（ISO 11146:2006)，規 定了用M2因子表示激光光束質量的概念和激光光束空間參數的測量方法，克服了常用的光 束質量評價方法的局限。
[0005] 評價激光光束質量的M2因子測量的關鍵是確定激光光束的束寬，亦即確定激光光 束沿光軸方向截面的能量分布范圍。根據公式定義法直接測量激光光束的束寬和遠場發散 角從而計算M2因子比較困難，業內通常采用兩點法或雙曲線擬合法進行測量，但是這兩種 方法均需采用高質量無像差透鏡、步進電機等機械部件進行精確位移控制，而且其測量周 期長、裝置復雜、成本高，這些因素成為了限制其廣泛應用的主要原因。


【發明內容】

[0006] 為了解決上述技術問題，本發明的目的是：提供一種快速、準確、裝置簡單和成本 低的，基于透射型液晶空間光調制器的激光光束M2因子測量方法。
[0007] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0008] 基于透射型液晶空間光調制器的激光光束M2因子測量方法，包括：
[0009] S1、根據液晶空間光調制器的器件參數和透鏡相位分布函數，計算生成所需焦距 透鏡的理想相位灰度圖；
[0010] S2、搭建光路系統，并調整光路系統中起偏器和檢偏器的角度，使液晶空間光調制 器處于正確工作狀態，然后加載不同焦距透鏡的相位灰度圖至液晶空間光調制器并采集對 應焦距的光斑圖像；
[0011] S3、計算不同焦距透鏡相位灰度圖對應光斑圖像的光斑半徑，并通過曲線擬合計 算得到待測激光光束的M2因子。
[0012] 進一步，所述步驟S1，其包括：
[0013] S11、根據液晶空間光調制器的器件參數和透鏡相位分布函數，生成所需焦距透鏡 相位圖；
[0014] S12、對所需焦距透鏡相位圖的相位值進行2 模除；
[0015] S13、將2 模除后的相位值與0?255這256個灰度值進行線性映射，從而得到 所需焦距透鏡的理想相位灰度圖。
[0016] 進一步，所述步驟S2中彳合建的光路系統包括激光器、光能哀減系統、起偏器、液晶 空間光調制器、檢偏器和圖像采集系統，所述激光器發出的激光光束依次經過光能衰減系 統、起偏器、液晶空間光調制器和檢偏器后由圖像采集系統進行采集，得到激光光束光場分 布。
[0017] 進一步，所述光能哀減系統包括可拆卸固定哀減系數的中性S度濾光片組合和液 晶調光衰減器。
[0018] 進一步，所述液晶空間光調制器的器件參數包括入射波長、分辨率、像元尺寸和相 位調制深度。
[0019] 進一步，所述步驟S3，其包括：
[0020] S31、計算不同焦距透鏡相位灰度圖對應光斑圖像沿X軸方向和沿y軸方向的光斑 半徑；
[0021] S32、測量液晶空間光調制器與圖像采集系統之間的距離，曲線擬合光斑半徑與 所加載透鏡相位灰度圖焦距之間的關系，從而確定擬合系數；
[0022] S33、根據計算的光斑半徑、確定的擬合參數和測量的距離計算待測激光光束在X 軸方向和y軸方向的M2因子。
[0023] 本發明的有益效果是：基于透射型液晶空間光調制器的激光光束M2因子測量光路 系統無需移動任何器件即可準確進行測量，省去了進行精確位移控制的步驟，快速而準確； 相比傳統方法，裝置結構更簡單，測量成本更低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0025] 圖1為本發明基于透射型液晶空間光調制器的激光光束M2因子測量方法整體流 程圖；
[0026] 圖2為步驟Sl的流程圖；
[0027] 圖3為本發明步驟S3的流程圖；
[0028] 圖4為激光光束沿光軸方向傳播的示意圖；
[0029] 圖5為激光光束沿光軸方向經透鏡變換傳播的示意圖；
[0030] 圖6為本發明基于透射型液晶空間光調制器的激光光束M2因子測量方法的光路 系統原理圖；
[0031] 圖7為本發明雙曲線擬合法測量激光光束M2因子的光路系統原理圖；
[0032] 圖8為本發明基于透射型液晶空間光調制器的激光光束M2因子的測量結果示意 圖；
[0033] 圖9為本發明雙曲線擬合法測量激光光束M2因子的結果示意圖。

【具體實施方式】
[0034] 參照圖1，基于透射型液晶空間光調制器的激光光束M2因子測量方法，包括：
[0035] S1、根據液晶空間光調制器的器件參數和透鏡相位分布函數，計算生成所需焦距 透鏡的理想相位灰度圖；
[0036] S2、搭建光路系統，并調整光路系統中起偏器和檢偏器的角度，使液晶空間光調制 器處于正確工作狀態，然后加載不同焦距透鏡的相位灰度圖至液晶空間光調制器并采集對 應焦距的光斑圖像；
[0037] S3、計算不同焦距透鏡相位灰度圖對應光斑圖像的光斑半徑，并通過曲線擬合計 算得到待測激光光束的M2因子。
[0038] 參照圖2,進一步作為優選的實施方式，所述步驟S1，其包括：
[0039] S11、根據液晶空間光調制器的器件參數和透鏡相位分布函數，生成所需焦距透鏡 相位圖；
[0040] S12、對所需焦距透鏡相位圖的相位值進行2 模除；
[0041] S13、將2 模除后的相位值與0?255這256個灰度值進行線性映射，從而得到 所需焦距透鏡的理想相位灰度圖。
[0042] 進一步作為優選的實施方式，所述步驟S2中搭建的光路系統包括激光器、光能衰 減系統、起偏器、液晶空間光調制器、檢偏器和圖像采集系統，所述激光器發出的激光光束 依次經過光能衰減系統、起偏器、液晶空間光調制器和檢偏器后由圖像采集系統進行采集， 得到激光光束光場分布。
[0043] 進一步作為優選的實施方式，所述光能衰減系統包括可拆卸固定衰減系數的中性 密度濾光片組合和液晶調光衰減器。
[0044] 進一步作為優選的實施方式，所述液晶空間光調制器的器件參數包括入射波長、 分辨率、像元尺寸和相位調制深度。
[0045] 參照圖3,進一步作為優選的實施方式，所述步驟S3,其包括：
[0046] S31、計算不同焦距透鏡相位灰度圖對應光斑圖像沿X軸方向和沿y軸方向的光斑 半徑；
[0047] S32、測量液晶空間光調制器與圖像采集系統之間的距離，曲線擬合光斑半徑與 所加載透鏡相位灰度圖焦距之間的關系，從而確定擬合系數；
[0048] S33、根據計算的光斑半徑、確定的擬合參數和測量的距離計算待測激光光束在X 軸方向和y軸方向的M2因子。
[0049] 下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0050] 實施例一
[0051] 本實施例對本發明基于透射型液晶空間光調制器的可變焦透鏡功能實現方法的 相關理論及原理進行說明。
[0052] 在理想情況下，入射光波通過透鏡不同厚度時，產生了不同的相位延遲，故可將透 鏡看作是相位型衍射屏。在傍軸近似條件下，由標量衍射理論可知，透鏡的相位分布函數 為：
[0053]

【權利要求】
1. 基于透射型液晶空間光調制器的激光光束#因子測量方法，其特征在于：包括： 51、 根據液晶空間光調制器的器件參數和透鏡相位分布函數，計算生成所需焦距透鏡 的理想相位灰度圖； 52、 搭建光路系統，并調整光路系統中起偏器和檢偏器的角度，使液晶空間光調制器處 于正確工作狀態，然后加載不同焦距透鏡的相位灰度圖至液晶空間光調制器并采集對應焦 距的光斑圖像； 53、 計算不同焦距透鏡相位灰度圖對應光斑圖像的光斑半徑，并通過曲線擬合計算得 到待測激光光束的#因子。
2. 根據權利要求1所述的基于透射型液晶空間光調制器的激光光束#因子測量方法， 其特征在于：所述步驟S1，其包括： 511、 根據液晶空間光調制器的器件參數和透鏡相位分布函數，生成所需焦距透鏡相位 圖； 512、 對所需焦距透鏡相位圖的相位值進行2 模除； 513、 將2 Ji模除后的相位值與0?255這256個灰度值進行線性映射，從而得到所需 焦距透鏡的理想相位灰度圖。
3. 根據權利要求1所述的基于透射型液晶空間光調制器的激光光束#因子測量方法， 其特征在于：所述步驟S2中搭建的光路系統包括激光器、光能衰減系統、起偏器、液晶空間 光調制器、檢偏器和圖像采集系統，所述激光器發出的激光光束依次經過光能衰減系統、起 偏器、液晶空間光調制器和檢偏器后由圖像采集系統進行采集，得到激光光束光場分布。
4. 根據權利要求3所述的基于透射型液晶空間光調制器的激光光束#因子測量方法， 其特征在于：所述光能衰減系統包括可拆卸固定衰減系數的中性密度濾光片組合和液晶調 光衰減器。
5. 根據權利要求1所述的基于透射型液晶空間光調制器的激光光束#因子測量方法， 其特征在于：所述液晶空間光調制器的器件參數包括入射波長、分辨率、像元尺寸和相位調 制深度。
6. 根據權利要求3所述的基于透射型液晶空間光調制器的激光光束#因子測量方法， 其特征在于：所述步驟S3,其包括： 531、 計算不同焦距透鏡相位灰度圖對應光斑圖像沿z軸方向和沿_7軸方向的光斑半 徑； 532、 測量液晶空間光調制器與圖像采集系統之間的距離，曲線擬合光斑半徑與所加 載透鏡相位灰度圖焦距之間的關系，從而確定擬合系數； 533、 根據計算的光斑半徑、確定的擬合參數和測量的距離計算待測激光光束在z軸方 向和軸方向的#因子。
【文檔編號】G01J1/00GK104406685SQ201410659717
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月18日 優先權日:2014年11月18日
【發明者】田勁東, 張磊, 李 東 申請人:深圳大學