基于空间光调制器的激光光束宽度调节装置

糜宸坤, 杨朝辉,, 刘宏欣, 王 飞

(1.苏州市计量测试院，江苏 苏州 215000；2.苏州大学 物理与科学技术学院，江苏 苏州 215000)

1 引 言

随着激光产业链日益完善,人们越来越关注激光产品生产制造中的质量控制[1,2]。对于激光产品而言,光束宽度无疑是一个重要的参数,它影响着光束发散角以及光束传播的M2因子等重要空域参数[3～5]。目前对光束宽度的定义主要有1/n(常用的n值有e2、e和2等,分别表示光强为最大光强的1/e2、1/e和1/2处的光束宽度)、环围功率、二阶矩以及高斯束宽等定义[6,7]。ISO标准创建的二阶矩定义目前已达成普遍共识,此标准中X或Y轴光束宽度被定义为X轴或Y轴横向强度空间分布标准偏差的4倍。目前主要利用激光光斑分析仪(beam profile analyzer, BPA)测量光束宽度,在此基础上,做好光束宽度量值溯源工作是十分必要且重要的。

目前光束宽度量值溯源主要通过比对法进行,即用标准器和被校设备测量同一激光束得到示值误差。此方法已被大多计量校准机构或企业所认可。但是此类比对法存在如下缺点:每台激光器在同一位置只能提供一个光束宽度校准值,导致使用者无法了解设备线性情况,目前常用的解决办法是通过改变测量位置或在光路上增加聚焦透镜,获得不同的标准值进行校准。但当被校设备量很多,或使用者希望了解设备测量不同光束宽度的示值误差时,通常每校准一个参数就需要重新测一遍标准值,增加了校准人员工作量。另外,激光器输出的不稳定性以及环境扰动会导致光束宽度的测量结果不确定度的增加。

本文设计了一套激光光束宽度可调的装置(以下简称装置),可以在同一位置输出稳定的、束宽连续可调的激光光束。装置核心是利用空间光调制器(spatial light modulator, SLM)进行光束整形[8～11],获得不同宽度的光束;装置降低输入激光光束空间相干性得到部分相干光束[12,13],利用部分相干光束抗大气湍流和环境扰动的特性[14～16],从光束性质上入手减少环境扰动对测量结果的影响。

2 装置构成和理论基础

2.1 装置构成

激光光束宽度调节装置组成由图1所示。

图1 激光光束宽度调节装置示意图Fig.1 Diagram of laser beam width adjustment device

图1中一束激光通过扩束镜BE后被透镜L1汇聚到旋转的毛玻璃RGGD表面,旋转毛玻璃位于光路后一透镜L2的前焦面,被打散的光束通过透镜L2后变为平面波投射到反射式SLM(调制波段400～700 nm)上,通过改变参数,SLM上加载如图2所示的不同宽度的高斯光栅图样(图中高斯包络宽度比为1:2:4),得到的光束经过分束镜BS所处的4f(f为焦距)成像系统成像到位于L4后焦面(光源面)的BPA就可测量到如图3所示不同宽度的部分相干高斯光束(经过理论计算得到的光束宽度比为1:2:4)。该光束依旧保留着完全相干激光方向性高、单色性好等优点,还可以降低其散斑效应。

图2 SLM上加载的不同光束宽度的高斯光栅图样Fig.2 Gaussian grating patterns with different beam widths loaded on SLM

图3 装置在光源面得到对应图2高斯光栅的光强模拟图Fig.3 The device obtains the light intensity simulation diagram corresponding to the Gaussian grating in Figure 2 on the light source surface

2.2 理论基础

在时空域,不考虑偏振特性的部分相干光束的统计特性由互相干函数(mutual coherence function, MCF)表示为

J0(r1,r2)=〈E*(r1)E(r2)〉

(1)

式中:E表示电场在垂直于传输轴的方向上的波动;r1和r2是光源面的横向矢量位置;矢量角括号“〈〉”表示系综平均。

部分相干光束的传统相关函数是高斯谢尔模型(Gaussian-Schell model, GSM)函数,在文献[8,9]的理论分析和实验中都进行了详细研究。GSM的MCF表示为

J0(r1,r2)=G0A(r1,r2)μ(r1,r2)

(2)

式中:G0为常数;函数A(r1,r2)和μ(r1,r2)分别表示该光束的强度分布和相干度分布,

(3)

(4)

式中:σ0表示生成的GSM的光束宽度;δ0表示光束的相干长度。

在许多实际应用中,光束传播因子M2是被视为光束质量因子的光束的重要特性。Siegman A首先引入了相干光束传播因子的定义[17],Gori F等给出了部分相干光束传播系数的定义[18]。自由空间中,GSM光束的M2因子表示为

(5)

对于一个激光束,若将其看成完全相干,则δ0=∞,即M2=1,代表一个最佳的完全相干的高斯光束的传输因子,然而实际上,由于激光输出的相干长度不可能为无限大,相干激光光束的M2因子总是大于1。图4给出了光束传输因子随相干长度变化的关系(σ0=1 mm),容易得出在相干长度逐渐变小的很长一段范围内,部分相干GSM光束的光束质量因子不会增大很多,这表示了部分相干GSM光束保留着完全相干激光的特点。

图4 光束传输因子和相干长度的关系Fig.4 Relationship between beam propagation factor and coherent length

3 实验与结果分析

本工作的核心为空间光调制器,通过改变公式(2)即MCF的表达式,可以修改加载在SLM上的光栅图样,这使得装置本身可以在任意方向(可单一方向)、连续地改变光束宽度。实验中,装置输出圆形高斯光束,并定义光束宽度的方向为入射光束实验室坐标方向。

在此光束宽度方向定义的基础上,利用溯源至中国计量科学研究院(NIM)的上级计量器具激光光斑分析仪BPA(型号:BGS-USB3-LT665),测量结果相对标准不确定度Urel=3%(k=2)。监测该装置的可调节性、短期稳定性、长期稳定性,得到表1～表3所示的测量结果;装置的光束整形能力如图5～图6所示(装置上所用激光器和参考激光器为同一激光器)。

表1 装置可调节性Tab.1 Adjustability of the device mm

图5 利用BPA拍得光源面生成的光束Fig.5 The beam generated by the light source surface is captured by BPA

图6 不规则光斑经过装置输出后的光强分布Fig.6 Light intensity distribution of irregular light spot after output by the device

表1中X和Y表示SLM上加载的高斯光栅的横向和纵向光束宽度;x和y表示BPA测得装置生成的光束横向和纵向的宽度;稳定性η表示为

(6)

表1作为该装置的校准数据,给出了激光光束宽度调节装置可调节性,通过改变程序中的宽度参数即可调节加载到SLM上的高斯光栅的宽度,该装置可在光源面生成对应宽度的高斯光束,如图4所示,激光光束波长为633 nm,光束宽度比为1:2:4。

表2和表3分别给出了激光光束宽度调节装置和参考激光器光源短期和长期稳定性的比较,参考激光器的短期稳定性和长期稳定性分别为96.8%和96.3%。当参考激光器作为光源经该装置调制后,短期稳定性达99.5%,长期稳定性达99.1%。

表2 装置与参考激光器短期稳定性Tab.2 Short-term stability of device and reference laser

表3 装置与参考激光器6 h长期稳定性Tab.3 Long-term stability of device and reference laser in 6 h

图5是利用BPA拍得光源面生成的光束,展现了该装置的光束整形能力,参考激光器输入线型光束,经过该装置后输出了圆形光束。

图6为不规则光斑经过装置输出后的光强分布。

表4给出了本装置的溯源信息。

表4 激光光束宽度调节装置的溯源表Tab.4 Traceability table of laser beam width adjustment device

4 结 论

以空间光调制器为核心构建的一套激光光束宽度调节装置,该装置具有输出光束宽度连续可调性,生成的部分相干激光光束,并未因其空间相干性的降低损失光束质量。有着更好的输出稳定性,其短期稳定性由96.8%提高到99.5%;长期稳定性由96.3%提高到99.1%,抗环境扰动能力较强。该装置具有较强的光束整形能力,适用于大部分400～700 nm激光光源。可以作为校准装置使用。