本发明公开了一种高精度激光发散角参数标定装置，待测激光(1)经平晶(3)和分光镜(2)反射后经透镜(6)聚焦，汇聚光经分束镜(7)后分为透射和反射两条测试光路，当聚焦光斑不超过CCD相机(8)光敏面时，测试光路为透射光路，CCD相机(8)位于透镜焦面位置，利用公式(2)计算出焦斑直径；反之，测试光路为反射光路，毛玻璃屏(9)位于透镜焦面位置，成像系统(10)对毛玻璃屏(9)上光斑成像，利用公式(2)计算出焦斑直径。代入已标定参数fn，利用公式(3)计算出待测激光发散角；根据建立的弥散斑模型库，对采集焦斑进行弥散斑扩散叠加，评估出透镜(6)像差及光路失调引入的测量不确定度。
1.一种高精度激光发散角参数标定装置，其特征在于，包括：光源、分光镜(2)，分光镜(2)透光侧设置平晶(3)，平晶(3)布置在精密旋转台(4)上，平晶(3)后侧设置电子自准直仪(5)；经平晶(3)反射后入射到分光镜(2)上的光束，经分光镜(2)再次反射，分光镜(2)的反光侧布置聚焦透镜(6)、分束镜(7)和CCD相机(8)，分束镜(7)的反光侧布置毛玻璃屏(9)和成像系统(10)；光源经平晶(3)和分光镜(2)反射后经聚焦透镜(6)聚焦，汇聚光经分束镜(7)后分为透射和反射两条测试光路，当聚焦光斑不超过CCD相机(8)光敏面时，测试光路为透射光路，CCD相机(8)位于透镜焦面位置，CCD相机将记录焦斑光强分布；反之，测试光路为反射光路，毛玻璃屏(9)位于透镜焦面位置，成像系统(10)对毛玻璃屏(9)上光斑成像，成像系统将记录焦斑光强分布，并进一步计算出焦斑直径，结合已完成标定的等效焦距参数fn计算出待测激光发散角；
根据焦斑光强分布，以像素为单位的焦斑直径满足关系：
所述参数标定装置中，所述待测激光(1)替换为准直光源(11)时，进行聚焦透镜以像素为单位的等效焦距参数的标定；
所述等效焦距参数标定时，准直光源(11)经平晶(3)、分光镜(2)反射后经聚焦透镜(6)聚焦，将准直光传输方向与聚焦透镜(6)的光轴平行时作为初始位置，此时CCD相机(8)和成像系统(10)记录光斑的重心位置为(x1,y1),电子自准直仪(5)读数为(θx1，θy1)；精密旋转台(4)转动小角度后，CCD相机(8)和成像系统(10)上记录光斑的重心位置变为(x2，y2)，电子自准直仪(5)读数变为(θx2，θy2)，则等效焦距参数fn满足关系式中：
xi，yi——光斑重心的x，y方向坐标，pix，i＝1，2；
2.如权利要求1所述的高精度激光发散角参数标定装置，其特征在于，所述待测激光发散角标定完成后，所述参数标定装置还能够用于聚焦透镜(6)像差及光轴失调对测量结果的影响分析。
3.如权利要求2所述的高精度激光发散角参数标定装置，其特征在于，进行测量结果的影响分析时，光源为准直光源(11)。
4.如权利要求3所述的高精度激光发散角参数标定装置，其特征在于，进行测量结果的影响分析时，利用准直光和电子自准直仪建立聚焦透镜不同视场下对应的弥散斑模型库，对实际焦斑的最小采用单元一对一进行弥散斑扩散叠加，将得到失真光斑和原有光斑束宽计算结果进行比对，评估出透镜像差和光轴失调引入的测量不确定度。
5.如权利要求4所述的高精度激光发散角参数标定装置，其特征在于，进行测量结果的影响分析时，准直光源(11)传输方向与聚焦透镜(6)光轴平行时，CCD相机(8)和成像系统(10)记录聚焦透镜(6)视场角为0度时的弥散斑，弥散斑附着聚焦透镜(6)视场角为0度的像差信息；精密旋转台(4)旋转角度θ，CCD相机(8)和成像系统(10)记录弥散斑附着聚焦透镜(6)视场角2θ时的像差信息；控制精密旋转台(4)旋转不同角度，建立聚焦透镜(6)不同视场下对应的弥散斑模型库，对实际采集激光焦斑应用弥散斑扩散叠加原理，将图像按最小采样单元即像素点进行弥散扩展，不同像素位置对应不同视场，将选择相应视场下弥散斑图进行扩展，扩展过程中遵循像素灰度值与扩展光斑灰度值总和一致，对所有像素弥散斑扩散结果进行叠加，得到新的光斑分布，即为失真光斑；将新的光斑和原有光斑束宽计算结果进行比较，即可有效分析聚焦透镜(6)像差及光轴失调引入的测量不确定度。
一种高精度激光发散角参数标定装置
技术领域
[0001] 本发明属于激光发散角参数的测量及计量领域，涉及一种高精度激光发散角参数标定装置。
背景技术
[0002] 发散角是激光器的核心参数，也是评价光束质量的重要参数，高斯光束远场发散角的一般定义为：在远场处(传输距离趋于无穷)，高斯光束振幅减小到中心最大值1/e处与传输中心轴的夹角。
[0003] 激光发散角参数主流测量装置如图3所示，待测激光用聚焦透镜聚焦，利用探测器测量出透镜焦面上的光斑直径d，光斑直径通常按桶中功率86.5％定义计算，按公式(1)计算激光发散角：
[0004] θ＝d/f (1)
[0005] 式中：
[0006] θ——光束发散角，mrad；
[0007] d——焦平面上光斑直径，mm；
[0008] f——聚焦镜焦距，m。
[0009] 由计算公式(1)可知，激光发散角测量结果测量不确定度来源主要包括聚焦镜焦距参数标定不确定度、探测器像素尺寸标定不确定度、聚焦透镜像差及光轴失调等，其中长焦距及像素尺寸标定引入的测量不确定度大，而透镜像差和光轴失调对测量结果的影响多限于理论分析。
发明内容
[0010] (一)发明目的
[0011] 本发明的目的是：针对现有激光发散角参数测量技术设备测量不确定度分量多且不确定度分量分析不完备等不足之处，提供一种可测量0～20mrad激光发散角参数，测量不确定度小于5％，用较低成本便可实现激光发散角参数高精度测量的测量装置。
[0012] (二)技术方案
[0013] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种高精度激光发散角参数标定装置，其包括：光源、分光镜2，分光镜2透光侧设置平晶3，平晶3布置在精密旋转台4上，平晶3后侧设置电子自准直仪5；经平晶3反射后入射到分光镜2上的光束，经分光镜2再次反射，分光镜2的反光侧布置聚焦透镜6、分束镜7和CCD相机8，分束镜7的反光侧布置毛玻璃屏9和成像系统10；光源经平晶3和分光镜2反射后经聚焦透镜6聚焦，汇聚光经分束镜7后分为透射和反射两条测试光路，当聚焦光斑不超过CCD相机8光敏面时，测试光路为透射光路，CCD相机8位于透镜焦面位置，CCD相机将记录焦斑光强分布；反之，测试光路为反射光路，毛玻璃屏9位于透镜焦面位置，成像系统10对毛玻璃屏9上光斑成像，成像系统将记录焦斑光强分布，并进一步计算出焦斑直径，结合已完成标定的等效焦距参数fn计算出待测激光发散角。
[0014] 其中，所述光源为待测激光1。
[0015] 其中，所述焦斑直径的计算方式为：
[0016] 根据焦斑光强分布，以像素为单位的焦斑直径满足关系：
[0017]
[0018] 式中：
[0019] r——CCD相机位置坐标，pix；
[0020] dn——焦斑直径，pix。
[0021] 其中，所述待测激光发散角θ的计算方式为：
[0022] θ＝dn/fn (3)
[0023] 式中：
[0024] θ——光束发散角，rad；
[0025] dn——焦平面上光斑直径，pix；
[0026] fn——聚焦透镜等效焦距，pix。
[0027] 其中，所述参数标定装置中，所述待测激光1替换为准直光源11时，进行聚焦透镜以像素为单位的等效焦距参数的标定。
[0028] 其中，所述等效焦距参数标定时，准直光源11经平晶3、分光镜2反射后经聚焦透镜6聚焦，将准直光传输方向与聚焦透镜6的光轴平行时作为初始位置，此时CCD相机8和成像系统10记录光斑的重心位置为(x1,y1),电子自准直仪5读数为(θx1，θy1)。精密旋转台4转动小角度后，CCD相机8和成像系统10上记录光斑的重心位置变为(x2，y2)，电子自准直仪5读数变为(θx2，θy2)，则等效焦距参数fn满足关系
[0029]
[0030] 式中：
[0031] xi，yi——光斑重心的x，y方向坐标，pix；
[0032] θxi，θyi——自准直仪测量角度，rad；
[0033] 由此，即可标定出参数fn。
[0034] 其中，所述待测激光发散角标定完成后，所述参数标定装置还能够用于聚焦透镜6像差及光轴失调对测量结果的影响分析。
[0035] 其中，进行测量结果的影响分析时，光源为准直光源11。
[0036] 其中，进行测量结果的影响分析时，利用准直光和电子自准直仪建立聚焦透镜不同视场下对应的弥散斑模型库，对实际焦斑的最小采用单元一对一进行弥散斑扩散叠加，将得到失真光斑和原有光斑束宽计算结果进行比对，评估出透镜像差和光轴失调引入的测量不确定度。
[0037] 其中，进行测量结果的影响分析时，准直光源11传输方向与聚焦透镜6光轴平行时，CCD相机8和成像系统10记录聚焦透镜6视场角为0度时的弥散斑，弥散斑附着聚焦透镜6视场角为0度的像差信息；精密旋转台4旋转角度θ，CCD相机8和成像系统10记录弥散斑附着聚焦透镜6视场角2θ时的像差信息；控制精密旋转台4旋转不同角度，建立聚焦透镜6不同视场下对应的弥散斑模型库，对实际采集激光焦斑应用弥散斑扩散叠加原理，将图像按最小采样单元即像素点进行弥散扩展，不同像素位置对应不同视场，将选择相应视场下弥散斑图进行扩展，扩展过程中遵循像素灰度值与扩展光斑灰度值总和一致，对所有像素弥散斑扩散结果进行叠加，得到新的光斑分布，即为失真光斑；将新的光斑和原有光斑束宽计算结果进行比较，即可有效分析聚焦透镜6像差及光轴失调引入的测量不确定度。
[0038] (三)有益效果
[0039] 上述技术方案所提供的高精度激光发散角参数标定装置，实验操作简单且测量不确定度小，可完成较高精度的激光发散角参数测试；采用对焦斑最小采样单元一对一弥散叠加分析技术，更加接近于实际条件，大大提高了发散角测量结果测量不确定度的可信度。
附图说明
[0040] 图1是本发明激光发散角参数标定装置的原理示意图。
[0041] 图2是本发明标定聚焦透镜等效焦距参数和建立弥散斑模型库的原理示意图。
[0042] 图3为现有技术中激光发散角参数主流测量装置。
[0043] 图中：1-待测激光，2-分光镜，3-平晶，4-精密旋转台，5-电子自准直仪，6-聚焦透镜，7-分束镜，8-CCD相机，9-毛玻璃屏，10-成像系统，11-准直光源。
具体实施方式
[0044] 为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0045] 参阅图1。在以下描述的实施例中，能够完成激光发散角参数的标定。
[0046] 本实施例高精度激光发散角参数标定装置包括：待测激光1，分光镜2，平晶3，精密旋转台4，电子自准直仪5，聚焦透镜6，分束镜7，CCD相机8，毛玻璃屏9和成像系统10。
[0047] 待测激光1经平晶3和分光镜2反射后经聚焦透镜6聚焦，汇聚光经分束镜7后分为透射和反射两条测试光路，当聚焦光斑不超过CCD相机8光敏面时，测试光路为透射光路，CCD相机8位于透镜焦面位置，CCD相机将记录焦斑光强分布；反之，测试光路为反射光路，毛玻璃屏9位于透镜焦面位置，成像系统10对毛玻璃屏9上光斑成像，成像系统将记录焦斑光强分布，并进一步计算出焦斑直径，结合已完成标定的等效焦距参数fn计算出待测激光发散角。
[0048] 根据焦斑光强分布，以像素为单位的焦斑直径满足关系
[0049]
[0050] 式中：
[0051] r——CCD相机位置坐标，pix；
[0052] dn——焦斑直径，pix；
[0053] 计算焦斑直径dn结果与待测激光发散角间满足关系
[0054] θ＝dn/fn (3)
[0055] 式中：
[0056] θ——光束发散角，rad；
[0057] dn——焦平面上光斑直径，pix；
[0058] fn——聚焦镜等效焦距，pix。
[0059] 参阅图2。在以下描述的实施例中，能够完成聚焦透镜6以像素为单位的等效焦距参数的标定。
[0060] 本实施例高精度激光发散角参数标定装置包括：准直光源11，分光镜2，平晶3，精密旋转台4，电子自准直仪5，聚焦透镜6，分束镜7，CCD相机8，毛玻璃屏9和成像系统10。
[0061] 准直光11经平晶3、分光镜2反射后经聚焦透镜6聚焦，将准直光传输方向与聚焦透镜6的光轴平行时作为初始位置，此时CCD相机8和成像系统10记录光斑的重心位置为(x1,y1),自准直仪5读数为(θx1，θy1)。精密旋转台4转动小角度后，CCD相机8和成像系统10上记录光斑的重心位置变为(x2，y2)，自准直仪5读数变为(θx2，θy2)，则等效焦距参数fn满足关系[0062]
[0063] 式中：
[0064] xi，yi——光斑重心的x，y方向坐标，pix；
[0065] θxi，θyi——自准直仪测量角度，rad；
[0066] 由此，即可标定出参数fn。
[0067] 透镜像差及光路失调对测量结果的影响分析技术方案为：利用准直光和自准直仪建立聚焦透镜不同视场下对应的弥散斑模型库，如图2所示，对实际焦斑的最小采用单元一对一进行弥散斑扩散叠加，将得到失真光斑和原有光斑束宽计算结果进行比对，评估出透镜像差和光轴失调引入的测量不确定度。
[0068] 具体地，参阅图2。在以下描述的实施例中，能够完成聚焦透镜6像差及光轴失调等对测量结果的影响分析。
[0069] 本实施例高精度激光发散角参数标定装置包括：准直光源11，分光镜2，平晶3，精密旋转台4，电子自准直仪5，聚焦透镜6，分束镜7，CCD相机8，毛玻璃屏9和成像系统10。
[0070] 准直光源11传输方向与聚焦透镜6光轴平行时，CCD相机8和成像系统10记录的是聚焦透镜6视场角为0度时的弥散斑，弥散斑附着了聚焦透镜6视场角为0度的像差信息。精密旋转台4旋转角度θ，CCD相机8和成像系统10记录弥散斑将附着聚焦透镜6视场角2θ时的像差信息。控制精密旋转台4旋转不同角度，建立聚焦透镜6不同视场下对应的弥散斑模型库。对实际采集激光焦斑应用弥散斑扩散叠加原理，将图像按最小采样单元即像素点进行弥散扩展，不同像素位置对应不同视场，将选择相应视场下弥散斑图进行扩展。扩展过程中严格遵循能量守恒定律，即像素灰度值与扩展光斑灰度值总和一致。对所有像素弥散斑扩散结果进行叠加，将得到新的光斑分布，即为失真光斑。将新的光斑和原有光斑束宽计算结果进行比较，即可有效分析聚焦透镜6像差及光轴失调引入的测量不确定度。
[0071] 本发明装置各光学参数如表1所示，相比现有激光发散角参数测量技术，具有如下有益效果。
[0072] 表1测量装置光学参数
[0073]聚焦透镜焦距 自准直仪测量不确定度 CCD相机尺寸 成像系统放大率
1.8m 1.5″ 5.28mm×7.04mm 0.6×/0.1×
[0074] 相比分别标定出透镜焦距参数和CCD像素尺寸的测量方法，实验操作简单且测量不确定度小，目前长焦距参数(大于1m)和CCD像素尺寸的高精度标定存在一定的困难，激光发散角测量装置测量不确定度通常评估为10％，本发明可完成较高精度的激光发散角参数测试。
[0075] 聚焦透镜像差及光路失调对发散角测量结果的影响分析，目前多处于理论分析阶段，由此评估出的测量不确定度分量可信度不高，本发明采用的对焦斑最小采样单元一对一弥散叠加分析技术，更加接近于实际条件，大大提高了发散角测量结果测量不确定度的可信度。
[0076] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
