手持式激光光束分析仪

激光器输出光束质量分析及功率测量属激光技术领域。实时、准确测量激光束空间能量 分布等参数并对测量结果给出综合性分析和评价，对激光器研究、开发及应用有重要意义。

已有激光光束分析仪器产品，规格齐全(移动扫描式、照相机式、M2因子式等；适用波 长从200nm到1100nm，测量功率从nW到kW)，用途广泛，但都为置于光路中固定使用， 数据传输到电脑进行处理，适宜实验室条件下使用。然而，激光器很多应用是在实验室之外 的，比如工业激光加工现场，医学激光临床，激光通信设备，军用激光武器战地演习甚 至实战等。无疑这些现场应用的激光器也都有实时检测的需求。因此一种手持使用具有防抖 功能、接收显示一体化、内置电源的激光光束分析仪是需要的。

本发明建议的新型(照相机式)手持式激光光束分析仪，其测量范围0.01-1W，连续和 脉冲激光适用，波长范围400-1100nm，配置防抖功能。

选用面阵CCD接收器有效像素30万(500(H)×582(V))，面积5.16mm(H)×6.71mm(V)； 中心波长520nm；快门速度1/60-1/100,000秒。考虑CCD接收面积的选择：根据激光(高斯 光束)传输理论，激光束腰半径ω0定义为：能量下降到最大值1/e处的光束半径。距离光腰 z处，横模截面大小

ω(z)＝ω0[1+(z/z0)2]1/2

式中，共焦参数z0＝πω02n/λ，λ表示被测光波长。一般情况下，瓦级左右的激光束腰大小为 毫米量级。测量位置z不是距离激光器无穷远，比值z/z0小于1。以ω0～1mm，λ＝1064nm为 例，如果在距离激光器1m左右处测量，ω(z)＝～1.056ω0。再考虑CCD快门速度：其下限1/60 秒，相当于照相机启用闪光灯时被拍照物亮度所需要的曝光时间。由于测量对象是激光束， 而且光束大小基本充满CCD接收面，其亮度远高于普通拍照物亮度(高亮度正是激光最主要 的特征)，测量时快门速度远小于1/60秒。因此，数据采集期间手持抖动对测量结果影响应 该比较小。辅以防抖技术可以更好地保证测量准确性。

被测的瓦级激光束不能直射到CCD接收器上。否则，轻则接收器饱和，重则烧坏接收器。 因此，必须设计一个具有一定谱宽，而且衰减倍率适当的能量衰减器置于CCD之前。一般地， 衰减激光能量有三种传统方式：光学材料吸收式、玻片堆透射式、偏振式。三种方式各有不 足之处。吸收式由于镜片吸收激光能量而产生热畸变，而且不适用于大功率激光束；透射式 用N片玻片与入射光呈小角度放置，玻片反射的杂散光在镜筒内形成光噪声，而且光束透过 玻片堆后错位严重，不利调整光路；偏振式用晶体棱镜器件，体积大，安装结构复杂，造价 高。本发明专门设计了不同于上述方式的反射+偏振式激光能量衰减器。

1以CCD接收器为核心，设计了硬件电路。电路中主要功能芯片包括：主频300MHz的 TMS320VC5502型数字信号处理器(DSP)；容量256K的39VF400A型程序存储器(FLASH) 和容量512K的IS61LV51216型数据存储器(RAM)；26万2.8′TFT型触摸彩液晶显 示屏(320x240像素)。

3设计了反射+偏振式激光束衰减器(结构见图1)。光学系统由两片平面镜M1、M2和一片偏 振衰减片Patt构成。M1、M2尺寸均为φ10mm×2mm，通光两面镀有相应波长的激光增透膜 (透过率T＝99％)。Patt尺寸为φ10mm×2mm，偏振轴平行于通光面。M1、M2装置在内径 φ22mm镜筒中，与镜筒轴线呈9.6°角放置，两镜法线垂直间隔6.6mm。被测激光束(能量 为E0)沿镜筒轴线入射到M1上。经过M1后只有0.01×E0的光反射到M2上，～0.99×E0的 光能量透过M1后被染黑的散热结构的镜筒吸收。经M2反射后，只有10-4E0的光入射到 Patt上，光束方向平行入射光。绕Patt法线旋转偏振轴，可以继续连续衰减激光束，使得照 射到CCD上的激光能量以0-10-4E0连续变化。

4CCD将接收的光信号转变为模拟量的电信号，经过模-数转换变成数字量信号后储存在数据 存储器(RAM)中。根据FFT(快速傅里叶变换)算法设计编写的信号处理程序和维纳滤 波模式设计编写的防抖程序放在程序存储器(FLASH)中。由数字信号处理器(DSP)控制 数据采集、处理、显示和防抖程序。

5设计了整机结构，设置内置电源及充电插口，标准USB插口，外触发信号接口，可拆卸底 座，见图3(A)。设计了外形和尺寸，见图3(B)。

图1反射+偏振式激光能量衰减器光路结构图。

图2模拟液晶屏显示二维分析CW Nd:YAG/KTP激光光束示例。白/红交界处对应能量 下降到15％时的直径；红/黄对应30％处直径；黄/绿对应1/e处直径，即束腰处。

图3(A)整机结构设计图；(B)整机外形和尺寸。

手持式使用

1握住图3中的手柄并使激光能量衰减器窗口对准被测激光束，使之“正入射到分析仪上”。

2触摸液晶屏上的“CW/PULSE(连续/脉冲)”键。(被测激光是连续波选择CW，否则PULSE)。 如果选择脉冲工作，将激光电源的脉冲触发信号连接到“外触发IN”接口上。

3转动衰减器上的偏振片，使得液晶屏上显示的激光光斑图像最清晰。

4触摸液晶屏上的“锁定图像”功能键，截一帧激光模式灰度图像。

5触摸液晶屏上的“二维图”功能键，液晶屏显示截图的彩二维分析图像和分析数据，示 例见图2。

6触摸液晶屏上的“三维图”功能键，液晶屏显示截图的彩三维分析数据和分析数据。

7触摸液晶屏上的“能量/功率”功能键，液晶屏显示截图的激光能量或功率。

固定使用

1安装上可拆卸底座，调整分析仪的方位和高度，使得被测激光束“正如射到分析仪上”。

2重复手持式使用方式中步骤2-7。