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1、19 88年2月_ 步学工程_第1期洛第73期测量高斯激光光束直径方法评述周晨波(中国科学院光电技术研究所)【摘要】本文论述了 测量高斯 激光光束直径的几种 方法,介绍了这些方法的装置和 理论结果,讨论了测量误差的影响 因素,将几种方法的优 缺点进行了 比较,最后,简介了应 用情况。引言众所 周知,激光光束的横场 强度分布是高斯 型 的,所以 测 量这 种1/e“高斯 激 光光束参量诸如横场强度分布,光束直径和光束发散角等,首先要分析高斯光束的物理特性和数学表达式。无论用什么样的方法去测量高斯激光光束参量,分析的核心是高斯型光束这个特征。此外,测量方法的选择常常取决于激 光是如何使用 的,必须
2、 清楚要测定 的精度范围情况,正确地选择要使 用的方法和器件。19 62年Bessis等人曾在生物细胞的研究中首先使用 了微小激光光束做照 明扫 描用,自此,激光光束尺寸的测量受到 了人们的重视,特别是近十几年来,高技术领域中激光的应用日益增加,使得激光 光 束质量的要 求日益 求精以及激光光束轮廓的更精确 的测量。诸如各 种类型的激光扫描仪:光学存储器;光 学文字记录信息系统;编 码系统;二极管激光打 印机;显示系统和光 盘记录系统等等,都需要测定 光束或会聚光束的斑点情 况,其系统性能完全取决于光束尺寸。另外,知道了光束横场分布,可以 了解光点能量以确定系统的性能;通过扫描测量可得到调制的
3、光点对比度和 波形,从而 可定性或定量地 判断光束的高斯性或非高斯 情况。本 文评述了测量高斯 激 光光 束直径和横场强度分布的 几 种方 法。一初l昌育牛、刃,、J二 二备夕碑甲 口,要想测量光束的轮廓,最简单的 技术 是用眼睛 对一定标 的 光 束进行观察和测 定(光 屏置于测量点),但是人眼加上通常甩的标尺分辩不出1协m左右的光 束尺寸,而 大 于1协。而又小于50 0“m光束尺寸则由 于边环、杂光瓣、光 束椭圆性、测量技巧 和主观随机性而使误差过大不能精确测定。这样一来,.人们 就 借助 于某种器件,精密的机械扫描装置来测量光束轮廓。所说的这些器件的共同特点是由遮光和透光部份组成,光束
4、通过这些器件由单元或阵列探测 器接收透射或反 射 的光功率,再由显示器和计算机处理和记录信息数据。通常,探测器均是单收至,l日期:19 87年10月8日。元件放置在光路中使用,而阵列探测器本身的费用比前面 所提到的激光扫描仪的费用还要多所以,阵列探 测器最好是用于光束直径大于50 0微米的测量中。一般地,阵列探测器单元点之间间距 要求1 5 到2 5林m范围,实际上这就表明 了探测器阵列的分辨能力范围。用哪一种方法和器件和探测器形式均取决于光束的使用情况和对光束的具体要求,表1列出的是 目前通行的一些测量激光光束轮廓的扫描机械装置和比较典型的遮光器件。表1扫描 测皿高斯激光光束的技术机械扫描装
5、置遮 光 器件 一只而犷J夕毋勺尹砂子袋例宕精密导向螺杆,少共睦旋转圆盘; 渡走光来 精密承丁旋转毅盘;转动式反射镜。刀口;针孔;狭缝;鱼 尾槽式;朗琴尺(包括黑白线宽比率不同的光栅尺),三角形 和 正 弦形尺;振动铜丝。_厂图1精密导向螺 杆扫描光束截面1.扫描机械装置(1)精密导向螺杆如图1所 示,利用螺,杆微动方式将一狭缝扫描激光光束,此装置很简单。但是,不足之处是运动速度慢,一般为手动,这样一来,光束的瞬时强度起 伏就不能如实地反映出来,而螺杆 自身的 动态不均 匀性容易使人误认为是光束的波动,在测量精度要求不 高的情况下,可以 用 此装置。( 2)快速旋转圆盘如 图2所 示,由于圆盘
6、转速快,则此装|、|习凡器/ .让内掀又挤 电!置克服 了导向螺 杆由于速度慢而造成的瞬时光信息波动 的误 解。但存在一 个 问题,由于转动,狭缝 的线速度随圆盘半径位置(光束 打到圆 盘上的半径位置)变化而 变 化。实际 上,圆盘转动的 不 均 匀性造成了狄缝相对光束的位置偏差。所以,要精密 定位光束斑点在转动圆盘 上的某一半径位置或者修正测量值。(3)旋转毅盘激光充承刃矢 债旋转圈盆图马快速旋 转圆盘扫描光束截面如 图3所 示,旋转毅盘装置由于光束可 置于沿狭缝 长度方.向的 任何地方,则不会导致 像旋转圆盘那样的 相对位置的偏差。缺点是装置复杂些,体积比圆盘大。另外,探测器与毅盘同步转,
7、虽 然这对测量精度有好处,但是,探测器接线 不好处置。当然,可以考虑将 探测器置于 空间某一位置对准 光束,脱离毅盘而不必与 毅盘一起转的设计方案。前面几种扫 描装置均是令光 束不动 的情况,相反地,如果让窗口器 件(如 抉缝、针 孔等)相对光束不动,而让光束扫描它们,同样是允许的。旋转招盛: : :一林冷冷. . .冲冲 / / /图3毅盘与探测器一起转动扫描尤未图4旋转反 射镜装置(4)旋转式反射镜如图4所示,此方式是利用 旋转式反 射镜(装有检 流计)将待检光束反射 后扫描一个 固定不 动的狭缝。测量精度取决 于反射镜转角的 均匀性和 检流计的速率,此方式 曾得到的结果很令人满 意,但是
8、,由于反射镜到狭缝距离是固定 的或有一最小固定 距离,所 以,此技术不适合 于测量透镜焦 距小 于卜述 距离 的会聚焦 点尺寸。如果狭缝装有光轴 方向的平移玻置,则可以在短焦透镜附近测量,从而减少了上述 距离的限翻。2.遮透 光器件(1)刀1如图5a ()所示,一 刀口由一测微计监视驱动扫描光束,刀口是现存的有很长历 史 的光学测量工具 之一。其优点是方法简单且对信号很敏感,而且比狭缝容易制作,一般的剃 须刀片就有很好 的刀口。另外,它可以测量任何尺寸的 光 束轮 廓,而其它(见表1 )器件都与要测 量的尤束尺一寸有关。如果刀口扫描光束截面,如图5(b )所 示,则对于l/e“高斯光束直径而
9、言,透 过功率 为一正态分布函数:= P F会二诚一犷一p(一号a ) t一巾、(囚此,只要 测 得 通过刀!1的龙功 书比书p(X工)/中x (:、所对 应 的刀口位 置读数b,和b:,即 可求 出 尤班半径。:。)一2(b:一b:)/(x厂x:)(2、如!习具t 刀日l为旋转斩 波 器又类似于旋转圆盘)扫 亨 颧龙束时,则有:摇渭J昌脸完未嘴面一- 一一大斌J扁刀口一/ / /一/ / /尸刀7/ 一卜才夕才苗乃向图几(。)月及刁关汉微 计的刀口( b)刀口扫描尤未截面座俘5).。=0。780 3 绍v(tz一t:)(3)其中。为旋转斩波器的转动角速度;r是斩波器轴心到光束轴 心的距离;(
10、t;一t:)是 探测器所 接收 的光功率信号由 示波器扫描波形 得到 的P,由O。9到0.1之间的时 间间隔。刀口扫描光束测量的缺点是由于切 刀口以外的光功率全部传输接收,则很大的功 率减少了光束尺寸的i f f l量精度。(5)狭缝(a )实际上,狭缝是一限制的刀口,它可以测量比刀口所能测量的光束尺寸更小的光束尺寸,狭缝开口尺寸和要测量的光束尺寸之间的关系由经验可知,狭缝尺寸要介于测量的最小光点尺寸 的百分 之一 到百分之三十之间,同样地,针孔也适合于此关系。一般选择狭缝作为遮光器件是很便利的,前面介绍 的扫描装置的遮光器件均是狭缝,说明了狭缝的应用较广泛些。(b)相互 成直角的两 个狭缝同
11、时 又 与扫描轴向成4 5(如 图6所示),这样可以在两个轴 向上出现同一光束轮廓,所得到的数据对于扫述 光束的椭圆性很有用,一般地,双狭缝以不同角度多次扫描光束,然后再用计算机算法将层析摄影的光束轮廓重构一个多维光束 轮廓,可 以很全面地反映出光束截面情况。(3)鱼尾槽式基于2(b )的结构思想,改造一下刀口,如图7所示。鱼尾槽式器 件是由一对相互成直角的刀口组成,转动此装置,可 以得到光束截面二维强度分布,其测量和公式描述类似于单刀口情况。李摊器茹月钾了图6相互成直角的两狭 缝图7鱼尾槽式 遮 光器件(主)朗琴尺国外曾有人 用 等宽线条的 朗 琴尺测量过阴极射线管的射线斑点尺寸。目前应用之
12、一是在, , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : : : : : : : 、 、 、 入入入入入 冬冬冬 冬冬括琪i名图8不对称朗琴栅尺 座 标图9明琴栅尺 扫描尤束情况一种自动检验仪上用 朗琴尺检验超 级市场扫描仪上的激光器光束斑 点尺 寸,广义的不对称 朗琴栅尺座标如图3所示,其中Q=”/屯定义 为光栅黑 白线宽比率,也称为Q参数,当Q二1时,为对称朗琴栅尺。在假定 光束为高斯型情况下,用具有Q值的光栅扫描光束,其光 束中心 和栅尺透砚线条 中心重合时,透过功率最大;当光束中心和非透 明线条中乙重合时,功率最小,如图9所示。如果光束直径为
13、。=2。,在最大 透过功 率情况下,则透过光栅的光功率为:卜2l中(誉一争)一判一!(一丝护二一系a一 )一 I(4)其中,其二,a为扫描变数。引人两个参量,其一是 功率比值k如 下:左二么,只-(5)FP一一F一P卫一一U 习制沁, jl七度M:M二Pm。二P。二,一Pmi+Pmi丁=ZPF一1(6)当Q二1时,山线性回 归方 程分析,对于测量范围 为:1.3毛d。l r /提2.7时,有线性关系式如 下:d。厂门=2.Z k+1(7)其理论精度低于1%,当Q不 同时,可测量 光束经 光 栅扫描后的 调制波 形和尺寸。同样地,有一 系列理论精度为n %左右的 不同定 义域的 类 似于公式(7
14、)的 线性关系式。由上 述 可知,用光栅尺测 呈 光束 轮廓,优点是快速 和便 利,仅 测量最大 值和最小值功率 即可。由于扫 描,可 得到 调制波 形情况。当沿 光轴 方向移 功光 册时,可由调制波 形 寻 找 和 确定最小光斑。由此,可评 价光学系统 的象质,而 要测 量1协m左 右的光束尺寸,则要求 光 棚不 透光 浅条宽 变为).3士 0.lom,透 过线宽为1.1 士G.1协m,所测 量的1卜m光束 直径误 差 为1% 左右。另外,栅尺很适合于 测量运动中的 高斯 光束 尺寸,由于简单性,可 用 于 自动 测 显系统。一 般讲,对 于较大 光束朗琴尺 仕是一禾 书实验室 环境下用 来
15、 测量 光束尺寸 的最 好 方法。(5)正 弦 形和 三角形刘 线尺这两种尺沟方法己用于全息 光 班尺 寸自自动 险险,此类方法是受朋琴l册尺 自周 朋改姐 形线 条 为启 示 而发 展起来为。另外,它 也是由 于经济性和 测 量1林m光 束直 径用 常规方法 遇到 困难而 探 索 的又 一方 法,这两种尺 寸 的座 标 如 图 1 0 所 示。K表 达式如 下:厂1-“eXp卜巨卜/) L2/211+1exPL一(兀 r。/L)乙/2(_ 正弦 形)K=1一(8Tz:2)乙exp一u)兀:。/l)222/五艺1+(“ T/兀2奇数n灯乙 奇数n(8) (三角形)exP一(n兀:。/七)“/2/n“尹中T二T。、:一T。 1:l;Tm,:和T二;分 别 为尺透过 功率最大 值和最小值。据文献报道,这 两 种尺 对于 测量1林m左右光束尺 寸比朗琴尺 更 可靠些,此 两种 尺 均属 于对 称 周 期 性 的 非线性透过 功率刘线尺。图n示出当AT二1.0时,分别为:A,三角形;B,正弦形和C,朗 琴 姗尺 的KI孙)。/L关系曲线、由此可看出,在 三种 划线尺情况下,随K值下降所对应d。/Ll直不同,/飞八少仪图10正弦形和三角形尺的座标图11T二1.0时在K一d。/L关 系曲线1 1 1 1 1狡牛尸一债图12振动铜丝扫描光未测量 方式.
