本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種評價(jià)激光器光束質(zhì)量提升潛力的方法。

背景技術(shù)：

光束質(zhì)量是描述激光器的重要參數(shù)。光束質(zhì)量的好壞決定了激光束的遠(yuǎn)距離使用效果。由于光學(xué)元件熱變形、光學(xué)介質(zhì)熱畸變等因素的影響，激光器直接輸出的光束質(zhì)量通常較差，需采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步提升其光束質(zhì)量。然而，光束質(zhì)量的提升效果不僅與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的性能有關(guān)，還與激光器輸出光束的特性有關(guān)。不同類型的激光器，其光束質(zhì)量的提升潛力是不同的。采用同樣的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，有的激光器輸出的光束質(zhì)量可大幅提升，有的激光器輸出的光束質(zhì)量僅能夠小幅提升。盡管目前已有多種方法評價(jià)激光器的光束質(zhì)量，然而對于激光器光束質(zhì)量的提升潛力還缺少簡便有效的評價(jià)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種評價(jià)激光器光束質(zhì)量提升潛力的方法。

本發(fā)明提供一種評價(jià)激光器光束質(zhì)量提升潛力的方法，包括以下步驟：

步驟s100：測量激光器輸出光束的近場強(qiáng)度分布和遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布后，按公式(1)～(2)計(jì)算低頻功率p1和高頻功率p2，

其中，為遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)表示，r1為光束遠(yuǎn)場第一衍射暗環(huán)的半徑，r2為光束遠(yuǎn)場第四衍射暗環(huán)的半徑；

步驟s200：按照公式(3)計(jì)算環(huán)中功率pir：

其中，p1為低頻功率，p2為高頻功率；

步驟s300：判斷環(huán)中功率pir是靠近1還是靠近0，如果環(huán)中功率pir靠近1，則激光器的光束質(zhì)量提升的潛力大；如果環(huán)中功率pir靠近0，則激光器的光束質(zhì)量提升的潛力小。

進(jìn)一步地，光束遠(yuǎn)場第一衍射暗環(huán)的半徑r1和光束遠(yuǎn)場第四衍射暗環(huán)的半徑r2，按公式(4)～(5)計(jì)算：

其中，λ為激光光束的波長，f為遠(yuǎn)場測量透鏡的焦距，d為激光光束的等效直徑。

進(jìn)一步地，激光光束的等效直徑d按以下公式計(jì)算：

其中，σ²為近場光強(qiáng)的二階矩。

進(jìn)一步地，近場光強(qiáng)的二階矩σ²按以下公式計(jì)算：

其中，為近場強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)表示。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

1、本發(fā)明提供評價(jià)激光器光束質(zhì)量提升潛力的方法，只需測得高能激光器輸出光束的近場強(qiáng)度分布和遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布，并進(jìn)行簡單的計(jì)算即可得到環(huán)中功率pir值，通過能有效反映出激光器輸出光束的遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布狀況的環(huán)中功率pir值對激光器光束質(zhì)量的提升潛力進(jìn)行評價(jià)，能夠有效表征激光器輸出光束質(zhì)量提升的潛力。該方法具有簡便、快捷的特點(diǎn)。

2、本發(fā)明提供評價(jià)激光器光束質(zhì)量提升潛力的方法，尤其適用于高能激光器光束質(zhì)量提升潛力的評價(jià)。

具體請參考根據(jù)本發(fā)明的評價(jià)激光器光束質(zhì)量提升潛力的方法提出的各種實(shí)施例的如下描述，將使得本發(fā)明的上述和其他方面顯而易見。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的評價(jià)激光器光束質(zhì)量提升潛力的方法流程示意圖；

圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中測量近場強(qiáng)度分布和遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布所用的光路示意圖；

圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中初始光束質(zhì)量因子β0為4.2的高能激光器經(jīng)過61單元的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正后的光束質(zhì)量結(jié)果示意圖；

圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中初始光束質(zhì)量因子β0為4.2的高能激光器經(jīng)過91單元的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正后的光束質(zhì)量結(jié)果示意圖；

圖5是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中初始光束質(zhì)量因子β0為4.2的高能激光器經(jīng)過127單元的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正后的光束質(zhì)量結(jié)果示意圖。

圖例說明：

1、高能激光器；2、高反鏡；3、衰減片；4、分光鏡；5、近場測量ccd相機(jī)；6、遠(yuǎn)場測量透鏡(焦距為f)；7、遠(yuǎn)場測量ccd相機(jī)。

具體實(shí)施方式

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。

本發(fā)明提供的評價(jià)激光器光束質(zhì)量提升潛力的方法尤其適用于高能激光器1。此處的高能激光器1是指平均輸出功率在10kw以上的連續(xù)波激光器。

參見圖1，本發(fā)明提供的評價(jià)激光器光束質(zhì)量提升潛力的方法，包括以下步驟：

步驟s100：測量激光器輸出光束的近場強(qiáng)度分布和遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布后，按公式(1)～(2)計(jì)算低頻功率p1和高頻功率p2，

其中，為遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)表示，r1為光束遠(yuǎn)場第一衍射暗環(huán)的半徑，r2為光束遠(yuǎn)場第四衍射暗環(huán)的半徑；

步驟s200：按照公式(3)計(jì)算環(huán)中功率pir，

其中，p1為低頻功率和p2為高頻功率；

步驟s300：判斷環(huán)中功率pir是靠近1還是靠近0，如果環(huán)中功率pir靠近1，則激光器的光束質(zhì)量提升的潛力大；如果環(huán)中功率pir靠近0，則激光器的光束質(zhì)量提升的潛力小。

激光器光束質(zhì)量的提升潛力主要取決于輸出光束波前畸變的空間頻率成分。一般來說，若波前畸變的空間頻率以低頻成分為主，則激光器光束質(zhì)量提升的潛力大；若波前畸變的空間頻率以高頻成分為主，則激光器光束質(zhì)量提升的潛力小。

本發(fā)明提供的方法，通過分析激光器輸出光束的遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布狀況，得到激光器光束質(zhì)量的提升潛力。環(huán)中功率pir值代表了輸出光束中低頻畸變成分在總畸變成分中占的份額，能夠有效表征激光器輸出光束質(zhì)量提升的潛力。p1表示光束遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布中第一衍射暗環(huán)至第四衍射暗環(huán)之間功率，反映了光束中的低頻畸變成分；p2表示光束遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布中第四衍射暗環(huán)之外的功率，反映了光束中的高頻畸變成分。0.7024是理想光束遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布中第一至第四衍射暗環(huán)之間的功率與第一衍射暗環(huán)之外的功率之比，在此處作為歸一化參數(shù)。

環(huán)中功率pir值介于0和1之間，代表了輸出光束中低頻畸變成分在總畸變成分中占的份額。若某一光束的環(huán)中功率pir值靠近1，說明此光束以低頻畸變成分為主，其波前易于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正，其光束質(zhì)量提升的潛力大；若某一光束的環(huán)中功率pir值靠近0，說明此光束以高頻畸變成分為主，其波前難以被自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正，其光束質(zhì)量提升的潛力小。從而通過環(huán)中功率pir值簡便的評價(jià)各類激光束是否值得對其進(jìn)行進(jìn)一步的校正、提高光束質(zhì)量。

本發(fā)明提供方法中的近場強(qiáng)度分布和遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布可以按照常規(guī)方法測定。例如采用圖2所示的光路，測量激光器輸出光束的近場強(qiáng)度分布和遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布。近場強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)表示為遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)表示為

優(yōu)選的，r1為光束遠(yuǎn)場第一衍射暗環(huán)的半徑，r2為光束遠(yuǎn)場第四衍射暗環(huán)的半徑，可以按照現(xiàn)有方法根據(jù)所得近場強(qiáng)度分布和遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布求得。具體如下：

其中，λ為激光光束的波長，f為遠(yuǎn)場測量透鏡6的焦距，d為激光光束的等效直徑。

優(yōu)選的，其中激光光束的等效直徑d可以按下式求得：

其中，σ²為近場光強(qiáng)的二階矩。

優(yōu)選的，近場光強(qiáng)的二階矩σ²可以按下式求得：

其中，為光束近場強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)表示。

以下結(jié)合具體仿真算例，對本發(fā)明提供的方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

首先，參見圖2，搭建光路測量高能激光器1輸出光束的近場強(qiáng)度分布和遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布。該光路包括依次光路連接的高能激光器1、高反鏡2、衰減片3、分光鏡4和遠(yuǎn)場測量透鏡6。激光束經(jīng)過分光鏡4分為兩路后，第一束激光進(jìn)入近場測量ccd相機(jī)5被捕獲。另一束激光經(jīng)過遠(yuǎn)場測量透鏡6后進(jìn)入遠(yuǎn)場測量ccd相機(jī)7。

高能激光器1輸出的光束經(jīng)過高反鏡2(反射率>99.8％)反射后被分為兩部分，功率較大的反射光未經(jīng)處理。功率較小的透射光經(jīng)過衰減片3(均勻性優(yōu)于0.01，光密度視光束強(qiáng)度而定)后衰減至毫瓦量級。衰減后的光束被分光鏡4(分光比50:50)分為兩路，一路入射到近場測量ccd相機(jī)5(像素?cái)?shù)目>640×480，動(dòng)態(tài)范圍>8bit)中，測得光束的近場強(qiáng)度分布，另一路經(jīng)過遠(yuǎn)場測量透鏡6(等效焦距為f)后，入射到遠(yuǎn)場測量ccd相機(jī)7(像素?cái)?shù)目>640×480，動(dòng)態(tài)范圍>8bit)中，測得光束的遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布。

其次，根據(jù)公式(1)-(7)，計(jì)算得到光束的環(huán)中功率pir的值。

為說明環(huán)中功率pir值描述高能激光器1光束質(zhì)量提升潛力的有效性，數(shù)值模擬了具有不同波前畸變的高能激光器1的光束質(zhì)量提升狀況。數(shù)值計(jì)算中，高能激光器1輸出光束具有不同的波前畸變狀況。隨機(jī)產(chǎn)生了176種波前畸變，這些波前畸變具有不同的空間頻率分布，調(diào)整這些波前畸變的大小，使得高能激光器1的輸出光束質(zhì)量因子β0均為4.2。根據(jù)公式(1)-(7)分別計(jì)算出這176種情況下光束的pir值。然后，分別采用61單元、91單元、127單元的理想自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對上述176種高能激光束進(jìn)行波前校正，分別計(jì)算得到176種高能激光束校正后的光束質(zhì)量因子β1。高能激光束的pir值與校正后的光束質(zhì)量因子β1之間的關(guān)系如圖3～5所示。

由所得結(jié)果可見，高能激光器1光束質(zhì)量的提升情況不僅與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的能力有關(guān)，還與光束的pir值緊密相關(guān)。對于同一自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，高能激光器1輸出光束的pir值越大，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正后的光束質(zhì)量因子β1越小，表明高能激光器1光束質(zhì)量提升得越多。從圖2中可以看出，對于61單元的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，高能激光器1輸出光束的pir值大于0.83則表明其光束質(zhì)量的提升潛力十分巨大，其光束質(zhì)量因子可由4.2提高到接近1的水平；對于91單元的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，高能激光器1輸出光束的pir值大于0.7，則表明其光束質(zhì)量的提升潛力十分巨大，其光束質(zhì)量因子可由4.2提高到接近1的水平；對于127單元的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，高能激光器1輸出光束的pir值大于0.35則表明其光束質(zhì)量的提升潛力十分巨大，其光束質(zhì)量因子可由4.2提高到接近1的水平。綜上，高能激光器1輸出光束的環(huán)中功率pir值能夠有效的表征其光束質(zhì)量的提升潛力，環(huán)中功率pir值越大，表明光束質(zhì)量提升的潛力越大。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚本發(fā)明的范圍不限制于以上討論的示例，有可能對其進(jìn)行若干改變和修改，而不脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍。盡管己經(jīng)在附圖和說明書中詳細(xì)圖示和描述了本發(fā)明，但這樣的說明和描述僅是說明或示意性的，而非限制性的。本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例。

通過對附圖、說明書和權(quán)利要求書的研究，在實(shí)施本發(fā)明時(shí)本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解和實(shí)現(xiàn)所公開的實(shí)施例的變形。在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”不排除其他步驟或元素，而不定冠詞“一個(gè)”或“一種”不排除多個(gè)。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中引用的某些措施的事實(shí)不意味著這些措施的組合不能被有利地使用。權(quán)利要求書中的任何參考標(biāo)記不構(gòu)成對本發(fā)明的范圍的限制。