非圆对称光束波面测量仪 【技术领域】
本发明涉及光束的波面测量，特别是一种非圆对称光束波面测量仪。
背景技术
自60年代发明激光以来，激光应用已遍布各行各业，其中半导体激光器由于其体积小、寿命长、激光性能良好、价格不高、结构简单、使用安装便捷等优点，在军事、工业和生物医疗等技术领域独放异彩，使用广泛。半导体激光器的发光面为窄长条，长约几十微米，宽约零点几微米，发出的光在空间也是窄长条，在平行p-n结方向，发散角约5°-6°，在垂直p-n结方向，发散角约40°-60°，其远场分布是一个细长的椭圆，这大大增加了它的耦合难度和使用难度，在实际应用中，通常需要先对它进行光束整形，了解它的波面性质对于整形具有非常重要的意义。另外，在许多光学应用中，光束并非都具有圆对称性质，因此发展非圆对称光束波面的测量方法有很大的应用价值。
在现有的测量球面曲率半径的方法中，机械法、自准球径仪法、自准望远镜测量法、准直光束补偿法等都只能用于具体光学元件的球面曲率半径测量，不适合光束波面测量，平行板剪切干涉法可用于光束波面测量，但平行板剪切干涉法适合口径小、曲率半径长、光束质量好、光束波高在一个或者几个波长之间的波面测量，也不适合大口径光束和半导体激光光束波面的测量。此外，干涉仪还具有灵敏度高，要求测量环境稳定，干涉条纹不易调节的特点，对于大量半导体激光的检测不是一种简便而行之有效的方法。在先技术[1]透镜波面测量仪(申请号：200310108491.3)根据光束通过圆孔的傅立叶变换性质，利用轴向光强分布特点，通过测量两特征图样之间地距离来确定波面，但该方法受圆形孔径的限制，只能用来测量具有圆对称光束的波面，不适合半导体激光的波面测量。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的缺点，提供一种非圆对称光束的波面测量仪，该仪器应结构简单、操作便捷，可用于半导体激光器所发光束的波面测量，亦可对任意非圆对称光束进行二维波面测量。
本发明利用光的衍射效应来确定入射波面。
本发明的技术解决方案如下：
一种非圆对称光束波面测量仪，其特征在于它的组成是：同轴地且依次设有小孔、透镜、CCD探测器，该小孔置于透镜的前焦面，该CCD探测器安装在一刻度滑轨上并可在该刻度滑轨上移动，该CCD探测器的探测面位于透镜的后焦面时，该CCD探测器的探测面处于刻度导轨上的零刻度位置，该CCD探测器通过信号线与计算机相连。
利用上述非圆对称光束波面测量仪进行非圆对称光束波面的测量方法，该方法的具体步骤如下：
(1)根据待测半导体激光器的发光特点选定透镜的焦距、刻度滑轨的长度和波面曲率半径的测量范围；
(2)定标：平面波照明时，小孔在透镜的后焦面的光强分布为|Aλf|b|sinc(bxλf)|2,]]>其中b为孔径宽度，光强的零点位置出现在处，n＝1，2，3，......。以第一光强零点位置作为标准定标，由以上参数计算得x方向第一零点位置在离中心0.4mm处，零级光斑宽度为0.8mm，y方向为它的三分之一，当使用半导体激光照明时，以此标记作为判别标准；
(3)测量步骤：待测光源(01)距离小孔(02)0.5m，调整光源(01)、小孔(02)、透镜(03)、CCD探测器(04)同光轴；
移动CCD探测器(04)，直到观察面上的第一光强零点和的x方向标记重合，记下移动距离Δzx；
重新移动CCD探测器(04)直到观察面上的第一光强零点和第(2)步的y方向的标记重合，记下Δzy；
数据输入计算机(6)根据下列方程式1R=Δzf2,]]>计算出波面曲率半径Rx，Ry。
本发明的工作原理如下：
根据菲涅尔衍射理论，如果一物体位于透镜前d0处，用垂直入射的振幅为A的平面波照明，在透镜后的观察平面z＝f±Δz上的光场复振幅分布u2(x)为
u2(x)=AB1B2{t(x)⊗q(x;1λd0)·p(x)q*(x;1λf)}⊗q(x;1λz)---(1)]]>
式中，B1=exp(ikd0)iλd0,]]>B2=exp(ikz)iλz,]]>q(x；α)＝exp(jπαx2)，k=2πλ]]>为波数，f为透镜焦距，Δz为观察平面与焦面的距离，p(x)为透镜孔径函数，如不考虑透镜孔径的有限大小，p(x)＝1，(1)式可化简为
式中B=A·exp(ikd0)exp(ikz)iλz·ib,]]>为傅立叶变换，经变量代换当d0＝f时，(2)式可化为
若物体放在透镜的前焦面，由曲率半径为R的球面波照明，(3)式变为
因为非圆对称光束，x，y方向的曲率半径是不一样的，假设被照明的物体为长方形小孔，由(4)式可提供两种利用衍射效应确定波面的方法。
方法(一)：当一束光入射到一个小孔上时，由于光束不是平面波，其波面和狭缝平面将存在一个波高，光束平行度越好，波高越小，光束平行度越差，波高越大，而有限孔径内的波高与光束曲率半径之间存在如下关系：
R=w02+(a2)22w0---(5)]]>
式中，R光束曲率半径，w0为小孔内的波高，α为矩形孔径长度。在(4)式中，如果Δz＝0，即观察平面为焦面，不同波高的光束通过小孔会在傅立叶变换面即焦面形成不同特征的衍射图样，改变小孔大小即改变小孔内的波高，如果通过小孔的光波波高为0-2个波长，当小孔由小逐渐变大时，焦面衍射图样的变化规律为中心光斑逐渐变小，中心光强先增强后逐渐减弱。当波高约0.6波长时，衍射图样的中心出现凹陷；波高为0.85波长时凹陷最明显，图样表现为中间是暗线，两旁是不同宽度的亮线，当x，y方向的波高都为0.85波长时，衍射图样的中心呈现一黑十字星，如图2和图3所示，以此图样为标准，在测量时只要改变小孔x，y方向的宽度调试出此图样，即可由公式(5)确定入射波面。该方法适合于大口径光束的长曲率半径测量，可应用于曲率半径为几十至几百米的波面测量。
方法(二)：在(4)式中，如有
1R=Δzf2---(6)]]>
在z＝f±Δz的观测面上，它的衍射图样和小孔由平面波照明时在后焦面所成的衍射图样一模一样，只是强弱不同，根据此特点，可通过波面补偿的方法来确定入射波面，只要移动原先位于焦面的探测器直到观察面上的衍射图样与小孔由平面波照明时在后焦面上的衍射图样重合，通过移动的距离Δz也可确定入射波面。实际测量中可根据需要选择或结合两种方法进行。特别提出的是使用方法(二)时，小孔必须放置在透镜的前焦面。
本发明的技术效果：
本发明非圆对称光束波面测量仪具有结构简单、操作便捷，可用于半导体激光器所发光束的波面测量，亦可对任意非圆对称光束进行二维波面测量。
【附图说明】
图1为本发明非圆对称光束波面测量仪原理图
图2和图3分别是方法(一)所用的标准衍射图样及其一维光强分布
图4是方法(二)所用的衍射图样
图5和图6分别是图4衍射图样的x及y向的一维光强分布
【具体实施方式】
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
先请参阅图1，图1为本发明非圆对称光束波面测量仪原理图，由图可见，本发明非圆对称光束波面测量仪的组成是：同轴地且依次设有小孔02、透镜03、CCD探测器04，该小孔02置于透镜03的前焦面，该CCD探测器04安装在一刻度滑轨05上并可在该刻度滑轨05上移动，该CCD探测器04的探测面位于透镜03的后焦面时，该CCD探测器04的探测面处于刻度导轨05上的零刻度位置，该CCD探测器04通过信号线与计算机06相连。
利用本发明非圆对称光束波面测量仪对半导体激光器发出的非圆对称光束波面的测量方法，其具体步骤如下：
(1)根据半导体激光器的发光特点确定透镜03的焦距、滑轨05的长度和波面曲率半径的测量范围；
(2)定标：平面波照明时，小孔02在透镜03后焦面的光强分布为|Aλf|b|sinc(bxλf)|2,]]>其中b为孔径宽度，光强的零点位置出现在处，n＝1，2，3，......。以第一光强零点位置作为标准定标，由以上参数计算得x方向第一零点位置在离中心0.4mm处，零级光斑宽度为0.8mm，y方向为它的三分之一，当使用半导体激光照明时，以此标记作为判别标准；其定标如图4、图5、图6所示：分别为方法(二)所用的衍射图样、x向和y向一维光强分布及其定标情况；
(3)测量方法：x，y方向分别测量，待测光源01距离小孔02约0.5m，调整光源01、小孔02、透镜03、CCD探测器04同光轴；
移动CCD探测器(04)，直到观察面上的第一光强零点和的x方向标记重合，记下移动距离Δzx；
重新移动CCD探测器04直到观察面上的第一光强零点和第2步的y方向的标记重合，记下Δzy；
数据输入计算机(6)并根据下式1R=Δzf2,]]>计算出波面曲率半径Rx，Ry。
如果认为y方向的标记间距不够大不便于观测，也可在x方向测量时，将小孔02竖直使用，如图1所示，y方向测量时，小孔02水平使用，只使用x方向标记。
(4)误差分析。对(6)式进行微分，有
dR=2fΔf·df-f2Δf·dΔf---(7)]]>
本发明非圆对称光束波面测量仪的测量误差主要由透镜03的焦距的位置误差和CCD探测器04的移动精度所决定。若导轨的定位精度为1mm，即透镜焦距位置精度和探测器移动精度都为1mm，测量误差约为0.3％-0.6％。