[发明专利]激光束参数和全息光栅条纹检测装置及方法

说明书

本发明属于测量技术领域。

本发明作出以前，国内外普遍采用四象限光电探测器寻找光束中心以测量激光方向漂移。图1中，四象限光电探测器D固定，当激光束照射在四块光电池上时，产生电压V₁，V₂，V₃，V₄，利用两对角象限（一和三）与（二和四）输出电压的差值，就能决定光束中心的位置。（激光在精密计量中的应用，叶声华主编，202页和208页）。因为激光光斑中心光强很强，偏离中心处光强很快衰减（图2所示），所以沿径向移动距离与四象限的电压输出量并不严格成比例。又因为激光器功率有30%左右的起伏，当光斑移动单位距离时，四象限的电压输出将随功率而起伏，因而造成误差。

光束能量的横向分布和光斑尺寸由光电扫描法测量。利用小面积的光电探测器，依靠机械位移装置，在激光束光斑横截面上进行扫描，在xy记录仪上得到光电信号的分布，也即光束能量的横向分布，再由曲线作图计算出光斑尺寸。此外，利用照相底片的黑度和曝光量对数值之间的线性关系，用自动测微密度计，可测出黑度随位置的分布，求出曝光量，从而求得激光束能量的分布。

发散角的测量是在三米导轨上不同位置处，用小面积光探测器和机械位移装置进行光电扫描，由不同位置处的光强分布曲线，计算出发散角。或者采用焦面光斑法，也就是测量经过象差校正的物镜焦平面上的光斑直径d_o，d_o与物镜焦距f的比值，即激光束的发散角。（以上参考激光技术手册〔苏〕巴伊鲍罗金，克里克松诺夫，李特文年科主编，1986年10月机械工业出版社出版，316页上：激光束参数的测量）。以上测量各自进行，传感元件和方法较落后，故精度受到限制。

本发明的目的是克服上述缺点和不足，设计出全自动高精度测量激光束多个参数的测量技术，此装置还可以作为一维光信息自动记录处理装置，可以在制作全息光栅前，实时测量空间的光强分布曲线，打印出条纹间距参数和光栅常数。

本发明的要点是：采用分束器将一束激光分为两束光，在等光程处分别放置两片CCD电荷耦合器件（阵列光电器件Charge    Coapled    Device），CCD输出两列幅度受光信号调制的脉冲，由计算机控制采集和处理数据，实现激光束方向漂移，激光束能量分布，激光光斑尺寸，激光功率起伏的全自动测量，将探测器沿导轨移动两个位置，可自动测量激光束在此位置的发散角及远场发散角，并同时测得激光束的共焦参数b和束腰光斑尺寸ω。

此法测量光斑漂移径向精度高于1um（经计算机曲线拟合，由计算机应用最小二乘法原理算得为0.5um），目前国内外先进为5um-10um以上，

可定时（定时可调）打印出光强分布曲线，打印出全部数据和误差，并可随时打印出激光光斑中心漂移路径。

此系统可以作为一维光信息自动记录装置。例如可以处理全息光栅干涉条纹信息，可以打印出光强分布曲线及条纹间距，从而测得待制作光栅的光栅常数。

图1是四象限探测器测激光方向漂移

图2是单模激光束光斑光强分布图。

图3（a）、（b）、（c）是CCD器件水平放置，竖直放置和水平竖直同时放置三种情况下激光光斑说明图

图4是激光方向漂移说明图

图5是高斯光束按双曲线函数发散图

图6是CCD驱动脉冲的时序关系图

图7是光路与计算机系统总框图

图8是测量系统总电路图

图9是全息光栅光路图

图10是示波器输出的全息光栅干涉条纹的光强分布图

本发明的原理方法和技术路线是这样的：

（一）原理方法：

1激光束能量分布，光斑尺寸与激光方向漂移的测量。

图2是单模激光束圆对称的激光光斑，光强分布为： I = I 0 e - 2 r 1 ω 5 2 ]]>