[发明专利]一种高精度测量光学元件体内光斑大小的测试装置及方法

权利要求书

1.一种应用高精度测量光学元件体内光斑大小的测试装置测量光学元件体内光斑大小的方法，其特征在于，所述测试装置结构上包括有激光器(1)、衰减器(2)、聚焦透镜(3)、平行光管(4)、成像镜头(5)、CCD相机(7)、第一电动位移平台(10)、第二电动位移平台(8)、分划板(9)和计算机(11)；所述激光器(1)用于产生射向待测光学元件(6)的入射激光，在所述激光器(1)的出射光路上依次设有所述的衰减器(2)、聚焦透镜(3)和分划板(9)，该分划板(9)处于所述聚焦透镜(3)的焦点位置；在所述的第一电动位移平台(10)上设有所述的分划板(9)、待测光学元件(6)、成像镜头(5)和第二电动位移平台(8)，所述的CCD相机(7)设置于第二电动位移平台(8)上，在光路校准时所述的成像镜头(5)处于分划板(9)与CCD相机(7)之间的光路上，在测试时所述的待测光学元件(6)处于分划板(9)与CCD相机(7)之间的光路上；所述的平行光管(4)靠近所述的第一电动位移平台(10)，该平行光管(4)的出射光照向分划板(9)和待测光学元件(6)以进行校准；所述计算机(11)连接数据输出卡(12)，该数据输出卡(12)连接所述的激光器(1)，所述CCD相机(7)采集的光斑大小数据信息输入至所述的计算机(11)中，该测试方法具体包括以下步骤：

S1，调整待测光学元件(6)的位置，使得待测光学元件(6)的迎光面与侧面的平行光管(4)自准，保证激光器(1)发出的激光与待测光学元件(6)正入射，且待测光学元件(6)与平行光管(4)相垂直；

S2，将所述成像镜头(5)和CCD相机(7)移动至测试光路中，测量无待测光学元件(6)时激光焦点直径(ω₀)以及焦点两侧不同位置(x_m，x_n)的光斑直径(d_m，d_n)，可以计算光束远场发散角θ₁＝(d_n-d_m)/(x_n-x_m)，从而得到无元件时光束的M²因子M₁²，λ为入射激光波长：

S3，根据ABCD矩阵理论，结合无待测光学元件时焦点直径ω₀和不同位置的光斑直径以及待测试的光学元件的折射率n₂，有待测光学元件和无待测光学元件时的ABCD矩阵表达式：

无待测光学元件时：

有待测光学元件时：

其中d₁为聚焦透镜焦距长度，d₂为待测光学元件入射面至体内焦点的距离，n₁和n₂分别为空气折射率和待测光学元件的折射率，L为待测光学元件入射面至聚焦透镜的距离，由此得出待测光学元件内部的高斯光束参数y(x)与未放置待测光学元件L+(x-L)/n₂位置后的参数一致，即理论计算得到待测光学元件内部不同位置的光斑直径为：

y(x)＝y[L+(x-L)/n₂]

S4，将分划板(9)放置在聚焦透镜(3)后的激光焦点处，使CCD相机(7)呈现出清晰的像，并水平调节平行光管(4)，使平行光管(4)标线与分划板(9)的后表面相重合；

S5，将待测光学元件(6)放置在测试光路中，并使待测光学元件(6)前表面与平行光管(4)的标线重合，移动第一电动位移平台(10)，将待测光学元件(6)精确移动至实际测试位置；

S6，调节所述的第二电动位移平台(8)，使用所述CCD相机(7)测量待测光学元件(6)后方不同位置(x_j，x_k)的光斑直径(d_j，d_k)，可以计算加入待测光学元件(6)后的光束远场发散角θ₂＝(d_j-d_k)/(x_j-x_k)，并得到加入待测光学元件(6)后的光束M2因子M₂²：

S7，根据理论计算得到的待测的光学元件内部不同位置的光斑直径，结合加入光学元件前后的M2因子的比值：

得到待测光学元件内部不同位置的精确光斑直径：