Устройство для измерения качества лазерного излучения

Устройство для измерения качества лазерного излучения, представляющее собой ключевые элементы датчика волнового фронта, работающего по принципу Шака-Гартмана, дополненные блоком анализатора, реализующего непосредственно предложенную схему измерения. Блок анализатора является отличительным элементом устройства, который по измеренному распределению интенсивности и фазы волнового фронта в ближнем поле и по модельному распределению пучка с гауссовским профилем, определяет распределения интенсивности измеряемого и модельного гауссова пучка в фокусе, по которым находится параметр качества излучения М², как отношение диаметров измеряемого и гауссовского пучка в фокусе. Технический результат - прибор, выдающий на выход полные амплитудно-фазовые характеристики излучения как в ближнем так и в дальнем поле, в том числе и параметр качества излучения лазера М², при этом упрощается методика измерения и повышается точности измерения по сравнению с аналогами.

Устройство относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметра качества лазерного излучения. Преимущественные области применения - лазерная техника, адаптивная оптика, оптический контроль.

Параметр, характеризующий качество пучков с высокой степенью дифракции, М² (или K), по принятому международному стандарту (Document ISO/DIS 11146, International Organization for Standardization, 1996) есть соотношение между диаметром перетяжки d₀ и углом расходимости в дальней зоне :

где - длина волны в среде с коэффициентом преломления n.

Предельное значение параметра М²=1 достигается в случае гауссовских пучков.

Аналоги способов и устройств реализующих определение качества излучения:

1. Аналог. В обзорной статье "Propagation factor quantifies laser beam performance", K.Roundy, Laser Focus World 12, pp.119-122, 1999 описан метод измерения, а на веб-странице компании Спирикон (www.spiricon.com) представлено устройство датчика «M-square beam propagation analyzer». Основными элементами устройства являются линза и приемник, регистрирующий распределение излучения. Линза с заданным фокусным расстоянием, фокусирует излучение на приемник. Приемник (в частности ПЗС матрицу) перемещают вдоль оси и измеряют распределение интенсивности в десяти сечениях с двух сторон от фокуса (зона Рэлея) с последующей аппроксимацией поверхности каустики параболической функцией, по данным коэффициентам аппроксимации вычисляются d₀ и . Устройство предназначено для измерения качества лазерного излучения для случая, когда перетяжка пучка находится внутри резонатора. Недостатками описанного измерения качества излучения являются: 1) сложность, поскольку испытания предполагают наличие развернутого протокола испытаний со многими параметрами для измерений, включая все элементы в оптической схеме, а также статистическую обработку и калибровку; 2) необходимость предварительного определения астигматичности пучка для выбора методики; 3) необходимость априорного знания о положении перетяжки пучка; 4) невозможность измерять импульсное излучение в реальном режиме времени; 5) неоднозначность в определении истинной причины того, что M² >1, то ли это результат геометрических погрешностей измерения, то ли это связано с природой излучения.

2. Прототип. По совокупности признаков наиболее близким к предлагаемому устройству является датчик Шака-Гартмана, с описанным в статье способом измерения параметров пучков "Determination of beam parameters and coherence properties of laser radiation by use of an extended

Hartmann-Shach wavefront sensor", B.Schafer, K.Mann, Appl.Optics, 41, No 15, 2809 (2002). Устройство работает следующим образом: по измеренному профилю интенсивности и фазы в ближнем поле рассчитывается интеграл Френеля и, соответственно, воспроизводятся распределения интенсивности в разных сечениях. Но в отличие от предыдущего случая (аналог), распределения вычисляются у прототипа численно, а далее, аналогично предыдущему случаю рассчитывается диаметр наименьшего сечения и расходимость излучения по формуле (1).

Недостатком прототипа является замена сложных прямых измерений сложными методиками расчета пучка при его распространении и вычисление второго порядка пространственных и угловых моментов в нескольких сечениях вблизи зоны Рэлея.

В настоящем изобретении также как в прототипе для измерения качества лазерного излучения применяется датчик волнового фронта Шака-Гартмана. Но измерения реализованы в более простой схеме. В этой схеме за основу понятия качества излучения берется его определение, как способность излучения к фокусируемости. Если представить согласно определению угол расходимости, как отношение диаметра пучка в фокусе линзы к значению фокуса, а из формулы (1) выразить диаметры гауссовского и измеряемого пучка в фокусе через М² и значение расходимости, то тогда можно получить физический смысл значения М ² излучения, как отношение диаметров фокусных пятен измеряемого пучка d_f и гауссовского при одинаковом размере перетяжки пучков d ₀ на входе:

Схема устройства (прибора) может быть представлена в виде блоков, осуществляющих последовательно обработку данных, которые можно выделить в следующие конструктивные (ключевые) элементы, представленные на рисунке фиг.1 (см приложение) Это: 1 - дифференциатор, представляющий периодическую структуру, разбивающую приходящий волновой фронт на отдельные подобласти (микролинзовый растр); 2 - регистратор (приемник) излучения (например, ПЗС матрица); и программируемое многофункциональное средство, которое по функциональным признакам можно разбить на: 3 - сумматор (накопитель информации - видеоплата или блок персонального компьютера), принимающий данные с камеры 2 с последующей обработкой его по алгоритму Шака-Гартмана, и анализатор 4 (блок процессора), производящий спектральную обработку сигнала Анализатор 4 является отличительным элементом устройства, благодаря которому реализуется непосредственно измерение качества излучения

Предложенное устройство работает следующим образом:

Приходящее на вход излучение лазера разбивается дифференциатором 1 (например, матрицей микролинз) и фокусируется в виде массива фокальных пятен на приемнике 2 (ПЗС матрица) Массивы интенсивностей в фокальных пятнах от опорного волнового фронта (вначале, в процессе калибровки) и от измеряемого волнового фронта (в процессе измерения) передаются в блок 3, в котором восстанавливается распределения фазы (x, y), градиент которой пропорционален измеренным смещениям фокальных пятен S волнового фронта относительно опорного, в

соответствие с принципом Шака-Гартмана. Далее интенсивность излучения на полной апертуре пучка I₀(x, y) и воспроизведенная по численному алгоритму фаза (x, y) в ближнем поле передаются в отдельный блок анализатора 4, функциональное назначение которого - анализ качества излучения.

Суть работы анализатора 4 заключается в том, что, в нем, методом спектрального анализа (в том числе, заложенного в процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ)), по двумерным массивам фазы и интенсивности в ближнем поле на входе, на выходе выдается распределение интенсивности в дальнем поле (в фокусе линзы) как для измеряемого пучка, так и для гауссовского пучка, смоделированного на апертуре, равной входной апертуре измеряемого пучка. Полученные распределения интенсивности позволяют однозначно определить такие характеристики излучения как: диаметр пучка в фокусе по вторым моментам и найти параметр качества излучения М² по формуле (2); определить положение центра и величину смещения фокального пятна по первым моментам; направление распространения пучка по угловым моментам; асимметрию по третьим моментам и т.д.

Таким образом, отличительными признаками устройства являются:

1). Введение блока 4, осуществляющего спектральные преобразования с целью определения распределения интенсивности измеряемого пучка I_f(x, y) в фокусе линзы (в дальнем поле), позволяющее, в частности, найти размер пучка в фокусе по вторым моментам интенсивности в дальнем поле - dx и dy по направлениям x, и y, соответственно.

2). Моделирование на входной апертуре пучка с гауссовым распределением интенсивности и расчет в 4 его распределения в фокусе с последующим нахождением диаметра гауссова пучка .

3). И, наконец, определение параметра качества излучения М² как отношение диаметра измеряемого пучка в фокусе к диаметру гауссова пучка в фокусе, согласно (2).

Технический результат предлагаемого устройства - получить датчик качества лазерного излучения, позволяющий по сравнению с аналогами, во-первых, упростить процесс измерения параметра М²; во-вторых, определять параметр качества излучения без погрешностей, связанных с неточностями измерений распределения интенсивностей в нескольких сечениях пучка вблизи фокуса, без учета положения перетяжки в резонаторе лазера; в-третьих, - наиболее полно и однозначно характеризовать лазерное излучение по полному набору фазовых и амплитудных характеристик излучения одновременно в ближнем и дальнем полях.

Устройство для измерения качества лазерного излучения, основанное на известном устройстве измерения волнового фронта, в котором оптический блок дифференциатор разбивает приходящий волновой фронт на равные участки, которые фокусируются в виде пятен в блоке регистратора, на выход которого передаются 2n сигналов, пропорциональных измеренным смещениям пятен измеряемого волнового фронта относительно опорного, и поступают в блок сумматора, на выходе которого формируются сигналы, пропорциональные интенсивности I(x_i, y_i), i=1, 2...n, и сигналы, пропорциональные фазе в тех же точках i=1, 2...n, отличающееся тем, что сигналы, далее поступают в дополнительный блок - блок анализатора, где представляются в виде диаметра фокусного пятна анализируемого излучения d_f, и сравниваются с заранее откалиброванным сигналом, представленным в виде диаметра d_f^G, причем отношение этих диаметров дает на выходе анализатора параметр качества лазерного излучения м-квадрат: .