目錄III激光加工過程中激光束的發(fā)散角快速、定量評(píng)估研究摘要在高功率激光應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)加工精度、工藝要求提出了越來越嚴(yán)格的要求，而要實(shí)現(xiàn)這些工藝和精度的要求，就需要完全掌握整個(gè)激光加工產(chǎn)業(yè)鏈上所有器件的光學(xué)參數(shù)及系統(tǒng)的光束發(fā)散角，而系統(tǒng)的光束發(fā)散角的好壞直接決定了加工工藝的優(yōu)劣。因此，有必要對(duì)激光加工過程中激光束的發(fā)散角進(jìn)行快速、定量的評(píng)估。如何評(píng)估大功率激光器的光束發(fā)散角，減少多極衰減帶來的測(cè)試誤差和不確定性的影響，研制高水平科學(xué)的大功率激光光束發(fā)散角測(cè)試設(shè)備是解決這一技術(shù)問題的關(guān)鍵。本文主要介紹三種常見測(cè)量高功率激光發(fā)散角的方案：1、激光器輸出的激光通過損傷閾值較高的聚焦透鏡，使用刀口法測(cè)量通過透鏡聚焦后焦點(diǎn)處的光束直徑，從而光束直徑以及透鏡的焦距計(jì)算出激光的發(fā)散角。2、激光器輸出的激光不通過聚焦透鏡，直接在距離光束變換透鏡不同距離處利用高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)量出光束直徑，最后利用matlab軟件進(jìn)行線性擬合從而直接得到發(fā)散角。3、激光器輸出的激光不通過聚焦透鏡，直接在距離光束變換透鏡不同距離處利用刀口法測(cè)量出光束直徑，通過光束直徑以及出光口到刀口的距離計(jì)算出激光的發(fā)散角。對(duì)這三種方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)，最后將這三種方法測(cè)量出的發(fā)散角與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，選取精度最高的一種方案。通過實(shí)驗(yàn)三種方法都成功測(cè)量出了不同激光器的發(fā)散角，并且通過與標(biāo)準(zhǔn)值的比較，示值誤差分別為0.20mrad、0.15mrad、0.07mrad，百分誤差分別為1.1%、0.8%、0.4%。三種方法比較來看，基于高功率激光光束直徑測(cè)試儀的測(cè)試法的精度更高，將作為高功率激光發(fā)散角無衰減測(cè)試儀的主要方案，為后續(xù)研究打下良好的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：發(fā)散角；聚焦透鏡；高功率激光器；刀口法；光束直徑；高功率激光光束直徑測(cè)試儀目錄TOC\o"1-3"\h\u25065摘要 I838第一章概述 454001.1課題研究意義 4122581.2發(fā)展趨勢(shì) 495931.3研究現(xiàn)狀 637761.3現(xiàn)有測(cè)量方法 7248211.4本文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排 815277第二章測(cè)量原理及方案設(shè)計(jì) 1013262.1測(cè)量原理 10293442.1.1聚焦透鏡法 1019472.1.2高功率激光光束直徑測(cè)試儀 10161682.1.3刀口法 11188722.2方案設(shè)計(jì) 126224第三章實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量 1471353.1聚焦透鏡法 14216633.1.1系統(tǒng)搭建 14275873.1.2測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果 15325443.2高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)試法 1691823.2.1系統(tǒng)搭建 1675703.2.2程序編寫 19111013.2.3測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果 20146413.3光束寬度法 25128723.3.1系統(tǒng)搭建 25181053.3.2測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果 265107第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 30121794.1結(jié)果分析 30107514.2與標(biāo)準(zhǔn)值比較 3033984.3誤差分析 3031868第五章結(jié)論與展望 3329098參考文獻(xiàn) 34第一章概述本論文主要進(jìn)行三種測(cè)試激光發(fā)散角設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，并通過對(duì)比選擇最優(yōu)的方法，從而為此開發(fā)和研制高功率無衰減測(cè)試的光束發(fā)散角檢測(cè)系統(tǒng)，服務(wù)國(guó)家重大科技任務(wù)，提高裝備質(zhì)量的可靠性與穩(wěn)定性。1.1課題研究意義大功率激光器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、能源、醫(yī)療和國(guó)防等領(lǐng)域。例如在軍事、激光制導(dǎo)、激光武器等方面。工業(yè)激光淬火、焊接、激光清洗、焊接等。為實(shí)現(xiàn)中華人民共和國(guó)成立100周年，我國(guó)開展了“中國(guó)制造2025”使命。相應(yīng)地，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃實(shí)施了“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)，啟動(dòng)了萬瓦激光器的研制，將實(shí)現(xiàn)各種千瓦級(jí)和萬瓦級(jí)激光器的國(guó)產(chǎn)化和量產(chǎn)。在大功率激光應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)激光器的功率要求越來越高，相應(yīng)的加工精度和工藝要求也提出了越來越嚴(yán)格的要求。要達(dá)到這些工藝和精度要求，就需要全面掌握整個(gè)激光器加工產(chǎn)業(yè)鏈中所有器件的光學(xué)參數(shù)和系統(tǒng)的光束發(fā)散角，而系統(tǒng)的光束發(fā)散角直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量以及加工技術(shù)。相應(yīng)地，提出一方面要深入研究光束發(fā)散角對(duì)激光與材料相互作用的影響機(jī)制；另一方面，由于激光功率和光束的發(fā)散角參數(shù)在加工質(zhì)量中起著決定性的作用，因此在激光加工過程中需要監(jiān)視大功率激光束的透射率和光束發(fā)散角。因此，有必要對(duì)激光加工過程中激光束的發(fā)散角進(jìn)行快速、定量的評(píng)估。如何評(píng)估大功率激光器的光束發(fā)散角，減少多極衰減帶來的測(cè)試誤差和不確定性的影響，研制高水平科學(xué)的大功率激光光束發(fā)散角測(cè)試設(shè)備是解決這一技術(shù)問題的關(guān)鍵。經(jīng)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)還沒有可以直接承載千瓦級(jí)激光功率的光束發(fā)散角測(cè)試儀。為此，研制開發(fā)服務(wù)于國(guó)家重大科技任務(wù)的大功率無衰減測(cè)試光束發(fā)散角檢測(cè)系統(tǒng)，將是提高設(shè)備質(zhì)量可靠性和穩(wěn)定性的保障基礎(chǔ)和前提。1.2發(fā)展趨勢(shì)激光器本質(zhì)上是將其他能量轉(zhuǎn)換為激光的器件。激光器有多種分類方式，按工作介質(zhì)可分為:固體激光器(紅寶石激光器、釹玻璃激光器、Nd：YAG激光器)、氣體及蒸汽激光器(氦氖激光器、二氧化碳激光器、銅蒸汽激光器)、液體激光器(染料激光器)、自由電子激光器等，一些新型獨(dú)立命名的激光器，如光纖激光器、半導(dǎo)體激光器等都可歸于固體激光器，而HF/DF化學(xué)激光器、堿金屬激光器等都可歸于氣體及蒸汽激光器。按泵浦/激勵(lì)方式的不同可分為光泵浦、電激勵(lì)激光器(電泵浦)、燃燒驅(qū)動(dòng)激光器(熱泵浦)、化學(xué)激光器(化學(xué)反應(yīng)泵浦)等，在一些激光器中采用組合泵浦方式;按運(yùn)轉(zhuǎn)方式又可分為連續(xù)波激光器和脈沖激光器。激光有很多種。一些激光器已經(jīng)發(fā)展多年，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但仍停留在低功率輸出水平，如氦氖激光器。一些新激光器在發(fā)明后不久就被確定為超高功率激光器的替代品。大力發(fā)展，如二極管泵浦堿金屬激光器，是因?yàn)榇蠊β始す馄鞯陌l(fā)展隱藏著一些特殊的要求和普遍規(guī)律。本文總結(jié)了已實(shí)現(xiàn)超高功率輸出并有潛力實(shí)現(xiàn)超高功率輸出的激光系統(tǒng)，包括二氧化碳激光器、HF/DF化學(xué)激光器、氧碘化學(xué)激光器、光纖激光器、固態(tài)激光器和二極管泵浦堿。金屬激光器等，并討論了大功率激光器的發(fā)展趨勢(shì)和內(nèi)在規(guī)律。激光技術(shù)自發(fā)明以來，經(jīng)歷了40多年的飛速發(fā)展，根據(jù)不同的應(yīng)用需求開發(fā)了種類繁多的激光器，而大功率激光器則有其獨(dú)特的發(fā)展規(guī)律。激光器作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可以簡(jiǎn)單地分為能量注入、能量轉(zhuǎn)換和激光產(chǎn)生三部分。發(fā)展大功率激光器的關(guān)鍵是研制出能量注入大、能量轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好的激光系統(tǒng)。就能量注入而言，高功率和高效率能量注入是實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出的基本條件。除了利用電（磁）、光、熱、電子運(yùn)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)等能量形式外，激光甚至還嘗試了核能和煙火能。每種類型的能量包括許多特定的實(shí)施例。例如，電泵浦包括直流輝光放電、空心陰極放電、電弧放電、微波射頻放電等方法。在很多激光器中，實(shí)際使用的是聯(lián)合泵浦方式。例如，在燃燒驅(qū)動(dòng)的HF/DF化學(xué)激光器中，氟源（如NF3、F2等）通過燃燒放熱離解產(chǎn)生F原子，F(xiàn)原子參與化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生HF/DF增益介質(zhì)；在二極管泵浦固體/光纖激光器中，通過電光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生寬線寬的二極管激光器，然后用二極管激光器對(duì)晶體/光纖進(jìn)行泵浦，產(chǎn)生窄線寬的固體/光纖激光。大功率激光系統(tǒng)的發(fā)展需要選擇最簡(jiǎn)單的方法來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)大功率和高效能量注入。例如，產(chǎn)生鹵化氫的各種化學(xué)反應(yīng)都可以用來產(chǎn)生激光，但只有HF激光器由于它們的化學(xué)反應(yīng)而達(dá)到功率輸出以上。發(fā)熱量最大。在能量轉(zhuǎn)換方面，高能量轉(zhuǎn)換效率是實(shí)現(xiàn)大功率激光輸出的必要條件。實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率的一種方法是簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換過程。例如，化學(xué)激光器直接將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為激光。與其他激光器相比，它省去了能量轉(zhuǎn)換中的中間環(huán)節(jié)。因此，僅僅用了十多年的發(fā)展，就達(dá)到了兆瓦級(jí)。高能激光器領(lǐng)域的水平輸出和長(zhǎng)期領(lǐng)導(dǎo)地位；另一種方法是提高每個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程的效率。例如，固態(tài)激光器早期采用閃光燈泵浦。閃光燈激光器的低效率一度使固態(tài)激光器的發(fā)展停滯不前。但采用二極管激光器作為泵浦源后，電能-激光二極管-固體激光器的能量轉(zhuǎn)換效率大大提高，固體激光器迅速重新進(jìn)入高能激光器行列。高能量轉(zhuǎn)換效率對(duì)于大功率激光器非常重要，直接影響大功率激光器的發(fā)展方向。效果主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是激光器的體積和重量。激光器體積和重量過大是目前制約激光武器發(fā)展的主要因素。激光系統(tǒng)（高頻激光器、氧碘激光器）體積大、重量大，使得平臺(tái)難以裝載，是天基激光武器（SBL）和機(jī)載激光武器（ABL）項(xiàng)目下架的直接原因是燃料儲(chǔ)罐在激光系統(tǒng)的體積和重量中占有相當(dāng)大的比例。提高能量轉(zhuǎn)換效率可以有效減小激光器的體積和重量。未來大功率固態(tài)和光纖激光器在移動(dòng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)軍事應(yīng)用，實(shí)際上需要燃料-電力-激光二極管陣列-激光器三個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程。如果任何一個(gè)轉(zhuǎn)換效率不夠高，整套激光設(shè)備就會(huì)顯得笨重。.二是余熱管理。激光器用作能量轉(zhuǎn)換裝置。除了將全部注入能量轉(zhuǎn)化為激光輸出外，大部分剩余能量將轉(zhuǎn)化為廢熱。假設(shè)兆瓦級(jí)激光器的總能量轉(zhuǎn)換效率為20%，那么會(huì)產(chǎn)生近4MW的廢熱，即3~4倍的激光能量會(huì)反饋給激光器本身。除了會(huì)損壞激光系統(tǒng)組件的廢熱之外，增益介質(zhì)中的廢熱還將直接影響激光束的質(zhì)量。如何處理余熱是大功率激光器發(fā)展首先要解決的問題，也直接制約著大功率激光器的發(fā)展思路。外部器件的冷卻一般采用常見的風(fēng)冷和水冷方式，激光器內(nèi)部即增益介質(zhì)的余熱處理方式的選擇非常有限：快速流動(dòng)（氣液介質(zhì)）,增加散熱表面積（固體介質(zhì)）。例如大功率CO2激光器、HF/DF激光器、氧碘激光器都采用增益介質(zhì)快速流動(dòng)法，從激光器中快速排出增益介質(zhì)，同時(shí)也排出廢熱；采用大功率固態(tài)和光纖激光器增加散熱表面積固態(tài)激光器的增益介質(zhì)為板片或薄片晶體，光纖激光器的增益介質(zhì)為極薄且極長(zhǎng)纖維。其他方法如固態(tài)熱容激光器仍然可以在高功率下工作，但不能適應(yīng)超高功率。高功率運(yùn)行。在激光產(chǎn)生方面，具有良好光束質(zhì)量和良好大氣傳輸性能的激光器是高功率激光器實(shí)際軍事應(yīng)用的有效保證。高光束質(zhì)量可以保證激光光束在遠(yuǎn)距離傳輸后仍能很好地聚焦。光束質(zhì)量與激光介質(zhì)的均勻性（濃度、折射率、溫度等）密切相關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行中，余熱管理問題對(duì)光束質(zhì)量的影響較大。良好的大氣傳輸性能主要是指激光波長(zhǎng)應(yīng)位于傳輸透過率高的大氣窗口區(qū)域，這樣激光功率在遠(yuǎn)距離傳輸后只會(huì)有一定的衰減。此外，由于激光的“亮度”與波長(zhǎng)的平方成反比，為了達(dá)到更好的破壞效果，傾向于開發(fā)波長(zhǎng)更短的高功率激光系統(tǒng)，從CO2激光器，HF/DF激光器，COIL，固態(tài)/光纖激光器DPAL的實(shí)際開發(fā)過程還表明，激光波長(zhǎng)正在逐漸縮短。但為避免激光散射光對(duì)人眼造成傷害，激光波長(zhǎng)應(yīng)在“人眼安全”范圍內(nèi)（大于>1.4μm），取舍尚無定論。1.3研究現(xiàn)狀高功率激光光束發(fā)散角測(cè)試儀是隨著高功率高能量激光的發(fā)展而發(fā)展起來的一種高端通用的激光測(cè)量設(shè)備，是高精度高功率密度激光直接測(cè)量和分析的主要手段，自問世以來得到了迅速發(fā)展。長(zhǎng)期以來，國(guó)際上只有德國(guó)PRIMES公司、以色列Ophir公司和德國(guó)Metrolux三家公司生產(chǎn)開發(fā)萬瓦激光光束分析及發(fā)散角測(cè)試儀。這些測(cè)試設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)各公司保密。PRIMES公司推出的HP-MSM-HB微細(xì)光斑分析儀測(cè)量功率密度高達(dá)10GW/cm2，可測(cè)量光斑尺寸20μm~1mm，波長(zhǎng)范圍1025nm~1080nm的激光光束質(zhì)量，包含發(fā)散角測(cè)試，優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)量超大功率及功率密度，同時(shí)可測(cè)量極小的微細(xì)光斑，功能全面，技術(shù)實(shí)力領(lǐng)先同行業(yè)。PRIMES公司推出的HP-LQM光束品質(zhì)分析儀，用于直接測(cè)量高功率激光光束品質(zhì)測(cè)量與分析?？蓽y(cè)光束直徑1mm~15mm最大功率10kW最大能量密度3J/cm2@10ns的激光原始光斑的直徑、發(fā)散角、M2因子、模式、能量分布等參數(shù)。以色列Ophir公司的光束分析儀采用CCD探測(cè)器外加激光功率計(jì)的組合設(shè)計(jì)，可測(cè)量較大的激光功率以及萬瓦光斑的能量分布，光束發(fā)散角。德國(guó)Metrolux公司生產(chǎn)的光束分析儀，采用CCD探測(cè)器設(shè)計(jì)，可測(cè)量從紫外到近紅外波段的高功率激光光斑參數(shù)，系統(tǒng)可集成性強(qiáng)，可適用不同的測(cè)試類型及具體應(yīng)用，缺點(diǎn)是系統(tǒng)體積較大，對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求較高。表1.1主要國(guó)內(nèi)外儀器對(duì)比設(shè)備型號(hào)HP-MSM-HBFocusMonitor(FM)BeamMonitor(BM)制造商德國(guó)PRIMES德國(guó)PRIMES德國(guó)PRIMES功率范圍：10W～10kW100W～10kW10W～10kW最大功率密度：大于1GW/cm2（1000MW/cm2）10MW/cm210kW/cm2功能：可測(cè)量連續(xù)及脈沖激光聚焦光斑M(jìn)2，發(fā)散角，能量分布等參數(shù)可測(cè)量連續(xù)激光聚焦光斑M(jìn)2，發(fā)散角，能量分布等參數(shù)，無法測(cè)量脈沖激光可測(cè)量連續(xù)激光非聚焦光斑能量分布，光束直徑等參數(shù)主要技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比：圖1.1主要技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比截至到目前為止，國(guó)內(nèi)所用的高功率激光光束發(fā)散測(cè)試儀基本依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)尚無自研的成熟的產(chǎn)品。此項(xiàng)目完成后可以對(duì)高于1000W的高功率激光器進(jìn)行光束直徑、發(fā)散角等多參數(shù)測(cè)試與表征，大大擴(kuò)展現(xiàn)有的高功率激光光束直徑測(cè)試儀水平。1.4現(xiàn)有測(cè)量方法大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)散角測(cè)量：通常檢測(cè)激光的原理有光熱法、熱電法及光電法。其中，光熱型探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)無選擇性，但響應(yīng)速慢、靈敏度低、且測(cè)量誤差大；熱電型探測(cè)器響應(yīng)快，但熱恢復(fù)時(shí)間慢，且探測(cè)率較低；光電型探測(cè)器雖然對(duì)波長(zhǎng)有選擇性，但具有響應(yīng)快、靈敏度高、性能穩(wěn)定、測(cè)量線性好、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，故選其作為探測(cè)元件。在選擇PD的型號(hào)時(shí)，要考慮PD受光面的大小、受光的波長(zhǎng)范圍、PD的響應(yīng)度、PD的反響電壓的大小、入射角度范圍等因素。設(shè)計(jì)中盡量選取小受光面的PD，當(dāng)光敏面積小到一定程度后，才能保證器件的結(jié)電容足夠小，使器件具有很高的響應(yīng)速度。這種方法要求的探測(cè)波長(zhǎng)范圍為860～1064nm，綜合考慮上述因素，選擇典型的光敏面為5mm2的si光電二極管，其光譜響應(yīng)范圍在400～1100nm，響應(yīng)曲線如圖1.2，設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)如圖1.3所示。圖1.2光譜響應(yīng)曲線圖1.3測(cè)試系統(tǒng)原理圖圖1.4尋找光斑中心示意圖測(cè)試系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、光電探測(cè)器和PC等組成，位于一個(gè)平行度較高的光學(xué)導(dǎo)軌上。探測(cè)器上有一可調(diào)節(jié)的狹縫，其寬度應(yīng)根據(jù)光功率仔細(xì)調(diào)整，以狹縫能夠盡可能多地采集功率點(diǎn)，且探測(cè)器響應(yīng)良好為最佳。探測(cè)器底座裝有可在豎直平面內(nèi)移動(dòng)的馬達(dá)。為了準(zhǔn)確測(cè)得發(fā)散角數(shù)值，需要在測(cè)量之初完成PD與光斑中心(光強(qiáng)最大點(diǎn)處)的尋心和對(duì)心。傳統(tǒng)的測(cè)量方法依靠器件的幾何外形進(jìn)行對(duì)心，難以保證真正找準(zhǔn)光斑中心點(diǎn)。本測(cè)試系統(tǒng)采用更為科學(xué)的尋心方法，具體過程為調(diào)節(jié)PD的位置，使其位于光斑平面內(nèi)，驅(qū)動(dòng)放置LD的步進(jìn)電機(jī)在180°水平范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，則PD就可對(duì)光斑X方向的某條直線進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)。當(dāng)PD在此向檢測(cè)完畢后，PC機(jī)找到直線上的光強(qiáng)最大值并記錄。由PC機(jī)控制使步進(jìn)電機(jī)回到所檢測(cè)的最大光強(qiáng)點(diǎn)處。顯然此點(diǎn)應(yīng)為該直線到光斑中心點(diǎn)距離最小處，即光斑中心應(yīng)在過該點(diǎn)的垂線上。驅(qū)動(dòng)PD底座處馬達(dá)使其沿過該點(diǎn)的垂線移動(dòng)，進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)，同理找到此垂線上(Y方向)的最大光強(qiáng)點(diǎn)即為光斑中心，并使PD固定在此處。這樣就完成了尋找光斑中心的過程。如圖1.4所示。完成尋心后，由PC控制步進(jìn)電機(jī)從光斑中心分別向左右兩個(gè)方向步進(jìn)水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)功率值分別下降1／2時(shí)停止(本實(shí)驗(yàn)以功率下降一半處為光斑邊緣)，由PC記錄其所走的步數(shù)n1、n2，則發(fā)散角為θx=(n1He-Ne激光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的精確測(cè)量：由遠(yuǎn)場(chǎng)光斑測(cè)量法測(cè)量足夠遠(yuǎn)的兩處z1、z2得到的光斑尺寸分別為k1和k2,滿足下列關(guān)系式:z1?z2可見，|z2-z1|是關(guān)于束腰半徑k0的函數(shù),而其余參數(shù)均為已知。實(shí)驗(yàn)中,通過移動(dòng)CCD使|z2-z1|等于一個(gè)固定值保持不變，進(jìn)行多次測(cè)量求其平均值的方法來計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。但上述兩種方法只能測(cè)量部分激光器的發(fā)散角，具有很大的局限性，所以將進(jìn)行本課題的研究，希望能夠設(shè)計(jì)出能夠測(cè)量所有激光器發(fā)散角的測(cè)試儀。1.5本論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文共分為五個(gè)章節(jié)，具體安排如下：第一章為概述部分。首先說明了課題研究的現(xiàn)實(shí)意義。接著說明了這個(gè)課題現(xiàn)在的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。然后調(diào)研了一些現(xiàn)有測(cè)量發(fā)散角的方法。最后簡(jiǎn)要介紹了論文的章節(jié)安排。第二章為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)部分。首先進(jìn)行了測(cè)量方法原理介紹，包括聚焦透鏡法的原理推導(dǎo)，高功率激光光束直徑測(cè)試儀的工作原理，刀口法測(cè)量光斑直徑的原理。然后介紹了系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，包括三種方案的初步設(shè)計(jì)與思路。第三章為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量。分別對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的三種方法進(jìn)行了系統(tǒng)搭建，并通過實(shí)驗(yàn)得到了測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)。第四章為結(jié)果分析部分。對(duì)三種方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析并對(duì)其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了比較，最后進(jìn)行誤差分析并通過分析總結(jié)減小誤差的經(jīng)驗(yàn)。第五章為結(jié)論部分。對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的總體實(shí)驗(yàn)思路及過程進(jìn)行說明，并對(duì)三種方法的優(yōu)劣進(jìn)行比較與說明，從而得出一個(gè)最佳的方法作為接下來更加深入研究的對(duì)象。測(cè)量原理及方案設(shè)計(jì)2.1測(cè)量原理2.1.1聚焦透鏡法圖2.1光路圖w0為入射光束的束腰，s為距離透鏡的距離，f為透鏡焦距，w為焦點(diǎn)處的光斑半徑。首先高斯光束的q參數(shù)為：q=jπ由物面到后焦平面的光線變換矩陣為：A則焦平面上光束的q參數(shù)為：1qf=Cq0則有：w,=即：w,f高斯光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為θ=limz→∞2wz由此可知遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角僅與透鏡的焦距和光束在透鏡焦點(diǎn)處的光斑半徑有關(guān)，與透鏡距離激光束束腰的位置無關(guān)。2.1.2基于高功率激光光束直徑測(cè)試儀的測(cè)試法圖2.2高功率激光光束直徑測(cè)試儀內(nèi)部構(gòu)造圖2.3高功率激光光束直徑測(cè)試儀草圖圖2.4高功率激光光束直徑測(cè)試儀外觀高功率激光光束直徑測(cè)試儀原理：高功率激光光束直徑測(cè)試儀內(nèi)部存在16位AD轉(zhuǎn)換器，分辨率為1024×1024，這樣能精確分析原始環(huán)境中各種微小的抖動(dòng)光束。高功率激光光束直徑測(cè)試儀的構(gòu)造上存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)測(cè)量尖端負(fù)責(zé)采集激光束，通過鏡架的直線移動(dòng)來使整個(gè)光束剖面打到測(cè)量尖端上，經(jīng)過尖端后打到內(nèi)部的探測(cè)器上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后就可以更加方便地對(duì)高斯光束進(jìn)行分析。高功率激光光束直徑測(cè)試儀的內(nèi)部主要是由一個(gè)中空的旋轉(zhuǎn)探針一對(duì)大小齒輪構(gòu)成，通過它們來進(jìn)行X軸與Y軸上的移動(dòng)。高功率激光光束直徑測(cè)試儀能承受的最大損失閾值為10KW/cm2。激光光束通過高功率激光光束直徑測(cè)試儀可以測(cè)量出不同位置下的光斑直徑，通過MATLAB擬合建立Z軸位置與光斑直徑的一階線性關(guān)系，得到的直線的斜率即為發(fā)散角。2.1.3刀口法圖2.6刀口儀示意圖圖2.7刀口切割光束示意圖圖2.6為刀口法測(cè)量高斯光束光斑半徑裝置示意圖。將刀片固到光學(xué)平移臺(tái)上，將激光器入射的光束垂直切割。圖2.7為刀口垂直切割光束示意圖，當(dāng)?shù)犊跈M向移動(dòng)使其右邊緣距離光斑中心左側(cè)的距離為x時(shí)，設(shè)光斑半徑為r，很明顯r-x部分被刀口遮擋。設(shè)刀口未遮擋地光斑部分激光功率占總功率的P(x)%(P(x)%>50%)；這時(shí)刀口繼續(xù)向右移動(dòng)，移動(dòng)到了其右端到光斑中心右側(cè)距離為x時(shí),此時(shí)r+x部分被刀口遮擋。此時(shí)刀口未遮擋地光斑部分激光功率占總功率為1-P(x)%。當(dāng)功率透過率P(x)%為50%～100%區(qū)間任意值時(shí),光斑半徑與刀口-光斑中心距的比值都為與P(x)%值對(duì)應(yīng)的確定值,因此,當(dāng)選取P(x)%為任意值時(shí),都可根據(jù)透過率為P(x)%/1-P(x)%所對(duì)應(yīng)的兩刀口位置坐標(biāo),測(cè)量光斑半徑。而激光器在全功率的84%以及16%兩點(diǎn)位于高斯分布曲線極大值的兩側(cè)，所以采用的84%/16%刀口測(cè)量方法為:取P(x)%=84%,測(cè)量透過刀口邊緣光功率占總功率百分比分別為86%和14%時(shí)的刀口位置坐標(biāo),以確定刀口邊緣與光斑中心距離x的值；根據(jù)理論分析,此時(shí)光斑半徑r與x的比值為1:1,所以將x即為刀口處基模高斯光束光斑半徑。2.2方案設(shè)計(jì)本次論文主要研究三種常見測(cè)量高功率激光發(fā)散角的方案，因?yàn)槭褂玫拇蠊β蔬B續(xù)激光器的發(fā)散角很小，束腰長(zhǎng)度很長(zhǎng)，所以在激光器出光口處加入不同焦距光束變換透鏡，將激光器和加入不同焦距光束變換透鏡的整體作為一系列不同的激光器作為激光源進(jìn)行項(xiàng)目研究：激光器輸出的激光經(jīng)過不同焦距光束變換透鏡，然后通過損傷閾值較高的聚焦透鏡，使用刀口法測(cè)量通過透鏡聚焦后焦點(diǎn)處的光束直徑，從而光束直徑以及透鏡的焦距計(jì)算出激光的發(fā)散角。圖2.8聚焦透鏡法設(shè)計(jì)圖激光器輸出的激光經(jīng)過不同焦距光束變換透鏡，然后不通過聚焦透鏡，直接在距離光束變換透鏡不同距離處利用高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)量出光束直徑，最后利用matlab軟件計(jì)算發(fā)散角。圖2.9高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)試法設(shè)計(jì)圖激光器輸出的激光經(jīng)過不同焦距光束變換透鏡，然后不通過聚焦透鏡，直接在距離光束變換透鏡不同距離處利用刀口法測(cè)量出光束直徑，通過光束直徑以及出光口到刀口的距離計(jì)算激光的發(fā)散角。2.10光束寬度法設(shè)計(jì)圖圖2.11大功率連續(xù)激光器圖2.11為本次使用的激光器，輸出功率可以自由調(diào)節(jié)，范圍為0w-1015.6w。在使用之前有指示光來進(jìn)行光路調(diào)整。本章主要介紹了聚焦透鏡法的推導(dǎo)原理，高功率激光光束直徑測(cè)試儀的工作原理以及刀口法的測(cè)量原理。并根據(jù)這三個(gè)原理進(jìn)行了測(cè)量高功率激光發(fā)散角三種方法的初步測(cè)量思路和搭建設(shè)計(jì)。第三章實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量本章主要進(jìn)行聚焦透鏡法、基于高功率激光光束直徑測(cè)試儀的測(cè)試法、光束寬度法這三種測(cè)量高功率激光發(fā)散角的具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建、調(diào)試以及結(jié)果測(cè)量工作。3.1聚焦透鏡法3.1.1系統(tǒng)搭建圖3.1激光器及光束變換透鏡圖3.2聚焦透鏡法現(xiàn)場(chǎng)搭建實(shí)驗(yàn)一：激光器預(yù)置功率：35%，測(cè)試顯示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。在激光器出光口處加入500mm光束變換透鏡，在距離500mm透鏡1000mm處加入焦距分別為250mm、500mm、1000mm的高損傷閾值聚焦透鏡，在高損失閾值聚焦透鏡的焦點(diǎn)處利用刀口法測(cè)試光束直徑。設(shè)置電動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)速度：0.5mm/s，通過時(shí)間來判斷移動(dòng)刀口儀移動(dòng)距離從而得到光斑直徑。實(shí)驗(yàn)二：激光器預(yù)置功率：35%，測(cè)試顯示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。在激光器出光口處加入250mm光束變換透鏡，在距離250mm透鏡1000mm處加入焦距分別為250mm、500mm、1000mm的高損傷閾值聚焦透鏡，在高損失閾值聚焦透鏡的焦點(diǎn)處利用刀口法測(cè)試光束直徑。設(shè)置電動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)速度：0.5mm/s，通過時(shí)間來判斷移動(dòng)刀口儀移動(dòng)距離從而得到光斑直徑。3.1.2測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果（3.1）實(shí)驗(yàn)一（500mm光束變換透鏡）：表3.1加入500mm光束變換透鏡的激光器/100%84%16%500mm高損傷閾值聚焦透鏡激光功率288.6W242.446.2時(shí)間/25.14634.063直徑8.917mm修正因子1.03，修正后值9.185mm利用公式（3.1）即可計(jì)算出發(fā)散角θx=表3.2加入500mm光束變換透鏡的激光器/100%84%16%1000mm高損傷閾值聚焦透鏡激光功率276.6W232.344.3時(shí)間/33.15451.221直徑18.067mm修正因子1.03，修正后值18.609mm利用公式（3.1）即可計(jì)算出發(fā)散角θx=表3.3加入500mm光束變換透鏡的激光器/100%84%16%250mm高損傷閾值聚焦透鏡激光功率278.5W233.944.6時(shí)間/23.34627.757直徑4.411mm修正因子1.03，修正后值4.543mm利用公式（3.1）即可計(jì)算出發(fā)散角θx取上述三組實(shí)驗(yàn)的平均值得到發(fā)散角θx實(shí)驗(yàn)二（250mm光束變換透鏡）：表3.4加入250mm光束變換透鏡的激光器/100%84%16%500mm高損傷閾值聚焦透鏡激光功率288.6W242.446.2時(shí)間/31.30548.142直徑16.347mm修正因子1.03，修正后值16.837mm利用公式（3.1）即可計(jì)算出發(fā)散角θx=表3.5加入250mm光束變換透鏡的激光器/100%84%16%1000mm高損傷閾值聚焦透鏡激光功率283.4W238.145.3時(shí)間/28.62961.371直徑32.742mm修正因子1.03，修正后值33.724mm利用公式（3.1）即可計(jì)算出發(fā)散角θx=表3.6加入250mm光束變換透鏡的激光器/100%84%16%250mm高損傷閾值聚焦透鏡激光功率281.3W236.345.0時(shí)間/24.86432.967直徑8.103mm修正因子1.03，修正后值8.346mm利用公式（3.1）即可計(jì)算出發(fā)散角θx取上述三組實(shí)驗(yàn)的平均值得到發(fā)散角θx3.2基于高功率激光光束直徑測(cè)試儀的測(cè)試法3.2.1系統(tǒng)搭建圖3.3高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)試法結(jié)構(gòu)示意圖圖3.4高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)試法實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖3.5SC100步進(jìn)電機(jī)控制器圖3.6控制器操作界面SC100系列步進(jìn)電機(jī)控制器用于分時(shí)控制一至三維電移臺(tái)，內(nèi)部主要由控制單元、驅(qū)動(dòng)器、以及穩(wěn)壓電路組成。控制單元采用了高速高性能低功耗的MCU芯片，并加以軟硬件防護(hù)措施，從而保證了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。基本功能：支持運(yùn)動(dòng)過程中速度大小的調(diào)節(jié)；驅(qū)動(dòng)器細(xì)分可控，依據(jù)具體型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)細(xì)分上界為256；支持S曲線加減速，加速度可根據(jù)負(fù)載類型自由設(shè)置，加速時(shí)間短至10ms長(zhǎng)到幾分鐘，可輕松適應(yīng)輕載、小慣量和重載、大慣量的負(fù)載平滑加減速；支持軟硬限位功能；支持零位安裝位置設(shè)置；支持脈沖、毫米(或度分秒)的輸入和顯示。最小單位：脈沖輸入情況下為1個(gè)脈沖，直線臺(tái)輸入位移時(shí)為0.001毫米，旋轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角度時(shí)為1秒；主頁面中同時(shí)顯示三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的位置與速度；操作基本都有提示，可引導(dǎo)用戶的使用；支持運(yùn)動(dòng)結(jié)果的狀態(tài)提示；具備自動(dòng)鎖鍵盤功能；擁有EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，支持?jǐn)嚯娗艾F(xiàn)場(chǎng)位置的保存；支持計(jì)算機(jī)經(jīng)RS232串口進(jìn)行界面或命令的在線控制，波特率為9600BPS；支持外接電子手輪(手脈)輸入功能，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作；內(nèi)置蜂鳴器，操作方向上遇到限位時(shí)報(bào)警。運(yùn)動(dòng)功能：相對(duì)運(yùn)動(dòng)功能，避免多次重復(fù)輸入固定的步長(zhǎng)；絕對(duì)運(yùn)動(dòng)功能，直觀輸入目標(biāo)值；精度補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)功能，為本公司旋轉(zhuǎn)臺(tái)特制，可滿足開環(huán)狀態(tài)下的高精度運(yùn)行，此功能集多年工作經(jīng)驗(yàn)而得，具有非常實(shí)用的特點(diǎn)；流程運(yùn)動(dòng)功能，使用面板操作即可完成三套獨(dú)立的復(fù)雜流程設(shè)計(jì)，并可選擇單次或重復(fù)運(yùn)行；工位運(yùn)動(dòng)功能，每軸可保存4個(gè)開環(huán)工位和4個(gè)閉環(huán)工位，在少量定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中避免每次重復(fù)輸入；無限運(yùn)動(dòng)功能，主要針對(duì)某些情況下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)臺(tái)而設(shè)計(jì)的；支持正反向回零操作，零位開關(guān)的體積不影響旋轉(zhuǎn)臺(tái)的回零。按照?qǐng)D3.3搭建系統(tǒng)，搭建結(jié)果如圖3.4所示。其中高精度導(dǎo)軌長(zhǎng)度3m；調(diào)節(jié)精度5μm。利用SC100步進(jìn)電機(jī)控制器來對(duì)高精度導(dǎo)軌進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)一：在激光器出光口處加入500mm光束變換透鏡，激光器預(yù)置功率：35%，測(cè)試顯示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。按照?qǐng)D3.3搭建系統(tǒng)，通過SC100步進(jìn)電機(jī)控制器控制高精度導(dǎo)軌移動(dòng)，利用高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)量13個(gè)不同位置的光斑直徑。最后利用MATLAB選擇束腰一側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階線性擬合，擬合出一條直線，直線的斜率即為激光發(fā)散角，并通過殘差分析判斷所取數(shù)據(jù)是否可用。實(shí)驗(yàn)二：在激光器出光口處加入1000mm透鏡，激光器預(yù)置功率：35%，測(cè)試顯示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。按照?qǐng)D3.3搭建系統(tǒng)，通過SC100步進(jìn)電機(jī)控制器控制高精度導(dǎo)軌移動(dòng)，利用高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)量9個(gè)不同位置的光斑直徑。最后利用MATLAB選擇束腰一側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階線性擬合，擬合出一條直線，直線的斜率即為激光發(fā)散角，并通過殘差分析判斷所取數(shù)據(jù)是否可用。實(shí)驗(yàn)三：在激光器出光口處加入250mm透鏡，激光器預(yù)置功率：35%，測(cè)試顯示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。按照?qǐng)D3.3搭建系統(tǒng)，通過SC100步進(jìn)電機(jī)控制器控制高精度導(dǎo)軌移動(dòng)，利用高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)量10個(gè)不同位置的光斑直徑。最后利用MATLAB選擇束腰一側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階線性擬合，擬合出一條直線，直線的斜率即為激光發(fā)散角，并通過殘差分析判斷所取數(shù)據(jù)是否可用。實(shí)驗(yàn)四：在激光器出光口處加入250mm透鏡，激光器預(yù)置功率：28%，測(cè)試顯示功率250.7W，修正因子1.03，修正后功率258.2W。按照?qǐng)D3.3搭建系統(tǒng)，通過SC100步進(jìn)電機(jī)控制器控制高精度導(dǎo)軌移動(dòng)，利用高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)量5個(gè)不同位置的光斑直徑。最后利用MATLAB選擇束腰一側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一階線性擬合，擬合出一條直線，直線的斜率即為激光發(fā)散角，并通過殘差分析判斷所取數(shù)據(jù)是否可用。實(shí)驗(yàn)五：在不加入高精度導(dǎo)軌情況下，利用高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)量7個(gè)不同位置的光斑直徑。3.2.2程序編寫線性擬合在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)：設(shè)：coeff1*term1+coeff2*term2+coeff3*term3+...為所需擬合的線性表示。其中，coefficient是系數(shù)，term都是x的一次項(xiàng)。則可以用下列式子來進(jìn)行線性擬合：ffun=fittype(libname)ffun=fittype(expr)ffun=fittype({expr1,...,exprn})ffun=fittype(expr,Name,Value,...)ffun=fittype({expr1,...,exprn},Name,Value,...)圖3.7一階線性擬合程序首先建立坐標(biāo)系，將需要擬合點(diǎn)的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)輸入到程序當(dāng)中。poly可以用根構(gòu)造多項(xiàng)式。如x指多項(xiàng)式的根，poly（x）就得到該多項(xiàng)式的系數(shù)和相應(yīng)的指數(shù)。poly還可以生成矩陣的特征多項(xiàng)式。如A為某一矩陣，poly（A）就能夠得到該矩陣的特征多項(xiàng)式的各項(xiàng)系數(shù)。因?yàn)橐M(jìn)行一次線性擬合，所以這里使用線性模型poly1，利用fittype創(chuàng)建擬合模型，進(jìn)行線性擬合。然后利用fit算法，將擬合完成的直線斜率和截距計(jì)算出來。最后在figure（1）中畫出擬合出的直線f和開始輸入的擬合點(diǎn)。圖3.8殘差分析程序通過rcoplot算法建立坐標(biāo)圖，將需要擬合的點(diǎn)擬合成z=b(1)x+b(2)的直線形式。通過regress算法對(duì)擬合的直線和擬合的點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，從而得到殘差模來判斷擬合點(diǎn)與擬合直線的關(guān)系。3.2.3測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果實(shí)驗(yàn)一（500mm光束變換透鏡）：圖3.9測(cè)量數(shù)據(jù)圖3.10光束輪廓圖通過高功率激光光束直徑測(cè)試儀的特定軟件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量出結(jié)果如圖3.9與圖3.10。圖3.11一階線性擬合結(jié)果圖圖3.12殘差分析結(jié)果圖由圖3.12可知，所取數(shù)據(jù)均為殘差模較小的點(diǎn)，可以使用。由圖3.11可知，經(jīng)過MATLAB線性擬合得到發(fā)散角為18.03mrad。實(shí)驗(yàn)二（1000mm光束變換透鏡）：圖3.13測(cè)量數(shù)據(jù)通過高功率激光光束直徑測(cè)試儀的特定軟件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量出結(jié)果如圖3.13。圖3.14一階線性擬合結(jié)果圖圖3.15殘差分析結(jié)果圖由3.15可知，所取數(shù)據(jù)均為殘差模較小的點(diǎn)，可以使用。由圖3.14可知，經(jīng)過MATLAB線性擬合得到發(fā)散角為9.64mrad。實(shí)驗(yàn)三（250mm光束變換透鏡）：圖3.16測(cè)量數(shù)據(jù)圖3.17光束輪廓圖通過高功率激光光束直徑測(cè)試儀的特定軟件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量出結(jié)果如圖3.16與圖3.17。圖3.18一階線性擬合結(jié)果圖圖3.19殘差分析結(jié)果圖由3.19可知，所取數(shù)據(jù)均為殘差模較小的點(diǎn)，可以使用。由圖3.18可知，經(jīng)過MATLAB線性擬合得到發(fā)散角為33.8mrad。實(shí)驗(yàn)四（250mm光束變換透鏡）：圖3.20一階線性擬合結(jié)果圖圖3.21光束輪廓圖通過高功率激光光束直徑測(cè)試儀的特定軟件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量出結(jié)果如圖3.9與圖3.10。圖3.22一階線性擬合結(jié)果圖圖3.23殘差分析結(jié)果圖由3.23可知，所取數(shù)據(jù)均為殘差模較小的點(diǎn)，可以使用。由圖3.22可知，經(jīng)過MATLAB線性擬合得到發(fā)散角為33.94mrad。實(shí)驗(yàn)五（不加入高精度導(dǎo)軌）：圖3.24測(cè)量數(shù)據(jù)圖3.25光束輪廓圖通過高功率激光光束直徑測(cè)試儀的特定軟件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量出結(jié)果如圖3.24與圖3.25。由此可見，在不加入高精度導(dǎo)軌時(shí)，會(huì)在測(cè)試中存在中心點(diǎn)不在同光路的問題。Z軸上的距離也無法得到控制，得到的數(shù)據(jù)無法通過MATLAB進(jìn)行一次線性擬合，無法得到激光發(fā)散角。3.3光束寬度法3.3.1系統(tǒng)搭建圖3.26光束寬度法實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)一：如圖3.26搭建系統(tǒng)，激光器預(yù)置功率：35%，測(cè)試顯示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W，在激光器出光口處加入500mm光束變換透鏡。用刀口法測(cè)試光束直徑，在不同的距離處測(cè)10次。電動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)速度：0.5mm/s，通過時(shí)間來判斷移動(dòng)刀口儀移動(dòng)距離從而得到光斑直徑。實(shí)驗(yàn)二：如圖3.29搭建系統(tǒng)，激光器預(yù)置功率：35%，測(cè)試顯示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W，在激光器出光口處加入250mm光束變換透鏡。用刀口法測(cè)試光束直徑，在不同的距離處測(cè)10次。電動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)速度：0.5mm/s，通過時(shí)間來判斷移動(dòng)刀口儀移動(dòng)距離從而得到光斑直徑。3.3.2測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果實(shí)驗(yàn)一（500mm光束變換透鏡）：在180mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.7180mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率275.6W231.544.1時(shí)間/29.94235.009直徑5.067mm修正因子1.03，修正后值5.219mm在230mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.8230mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率275.6W231.544.1時(shí)間/38.20642.463直徑4.257mm修正因子1.03，修正后值4.385mm在280mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.9280mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率274.9W230.944.0時(shí)間/31.74335.208直徑3.465mm修正因子1.03，修正后值3.569mm在630mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.10630mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率274.5W230.643.9時(shí)間/27.57531.312直徑3.737修正因子1.03，修正后值3.849mm在680mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.11680mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率275.3W231.344.0時(shí)間/26.21130.751直徑4.54mm修正因子1.03，修正后值4.676mm在730mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.12730mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率275.4W231.344.1時(shí)間/23.92829.302直徑5.374mm修正因子1.03，修正后值5.535mm在780mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.13780mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率276.8W232.544.3時(shí)間/25.35431.556直徑6.202mm修正因子1.03，修正后值6.388mm在830mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.14830mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率278.5W233.944.6時(shí)間/20.85327.948直徑7.095mm修正因子1.03，修正后值7.308mm在880mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.15880mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率279.6W234.944.7時(shí)間/33.69041.597直徑7.907mm修正因子1.03，修正后值8.144mm在930mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.16930mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率275.3W231.344.0時(shí)間/33.77342.507直徑8.734mm修正因子1.03，修正后值8.996mm（3.2）QUOTEθvx=dx12-dx2在測(cè)量點(diǎn)距離激光器出口較近時(shí)，利用公式（3.2）即可計(jì)算出發(fā)散角。在測(cè)量點(diǎn)距離激光器出口較遠(yuǎn)時(shí)，利用公式（3.3）即可計(jì)算出發(fā)散角。經(jīng)過多組計(jì)算取平均值，得到發(fā)散角θx實(shí)驗(yàn)二（250mm光束變換透鏡）：在180mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.17180mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率276.5W232.344.2時(shí)間/27.42237.545直徑10.123mm修正因子1.03，修正后值10.427mm在230mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.18230mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率274.6W230.743.9時(shí)間/36.05044.597直徑8.547mm修正因子1.03，修正后值8.803mm在280mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.19280mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率278.8W234.244.6時(shí)間/30.00536.926直徑6.921mm修正因子1.03，修正后值7.129mm在630mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.20630mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率273.6W229.843.8時(shí)間/25.71933.153直徑7.434修正因子1.03，修正后值7.657mm在680mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.21680mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率279.6W234.944.7時(shí)間/28.21237.314直徑9.102mm修正因子1.03，修正后值9.375mm在730mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.22730mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率272.3W228.743.6時(shí)間/26.38737.129直徑10.742mm修正因子1.03，修正后值11.064mm在780mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.23780mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率276.6W232.344.3時(shí)間/29.67942.068直徑12.389mm修正因子1.03，修正后值12.761mm在830mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.24830mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率277.6W233.244.4時(shí)間/25.45639.664直徑14.208mm修正因子1.03，修正后值14.634mm在880mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.25880mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率273.6W229.843.8時(shí)間/34.30650.114直徑15.808mm修正因子1.03，修正后值16.282mm在930mm處測(cè)試：計(jì)算直徑表3.26930mm處測(cè)試/100%84%16%激光功率280.3W235.544.8時(shí)間/35.48452.943直徑17.459mm修正因子1.03，修正后值17.983mm在測(cè)量點(diǎn)距離激光器出口較近時(shí)，利用公式（3.2）即可計(jì)算出發(fā)散角。在測(cè)量點(diǎn)距離激光器出口較遠(yuǎn)時(shí)，利用公式（3.3）即可計(jì)算出發(fā)散角。經(jīng)過多組計(jì)算取平均值，得到發(fā)散角θx=致謝第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4.1結(jié)果分析表4.1測(cè)量結(jié)果加入500mm光束變換透鏡加入250mm光束變換透鏡加入1000mm光束變換透鏡聚焦透鏡法18.38mrad33.59mrad/高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)試法18.03mrad高功率：33.8mrad低功率：33.94mrad9.64mrad光束寬度法18.25mrad33.08mrad/表4.1為三種方法在激光器加入不同光束變換透鏡時(shí)發(fā)散角的測(cè)量結(jié)果。通過表4.1可以發(fā)現(xiàn)：本次系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的三種常見測(cè)量高功率激光發(fā)散角的方案之間測(cè)量結(jié)果差距不大，三種方案在測(cè)量同一種激光器時(shí)得到的發(fā)散角基本一致，在測(cè)量同一種激光器的不同輸出功率時(shí)，得到的發(fā)散角基本一致。在加入不同的光束變換透鏡時(shí)測(cè)量出的激光發(fā)散角不同，因?yàn)榧尤氩煌馐儞Q透鏡等價(jià)于使用了不同的激光器。綜上所述，可以得到高功率激光器發(fā)散角只與激光器本身屬性有關(guān)，與激光器輸出功率等因素?zé)o關(guān)。4.2與標(biāo)準(zhǔn)值比較與2019年中國(guó)計(jì)量院對(duì)此項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，中國(guó)計(jì)量院測(cè)量在激光器出光口處加入500mm光束變換透鏡時(shí)發(fā)散角為18.18mrad，三種方法測(cè)得在激光器出光口處加入500mm透鏡時(shí)發(fā)散角分別為：18.38mrad、18.03mrad、18.25mrad。示值誤差分別為0.20mrad、0.15mrad、0.07mrad，百分誤差分別為1.1%、0.8%、0.4%。三種方法比較來看，基于高功率激光光束直徑測(cè)試儀的測(cè)試法的精度更高，將作為高功率激光發(fā)散角無衰減測(cè)試儀的主要方案，為后續(xù)研究打下良好的基礎(chǔ)。4.3誤差分析因?yàn)楦吖β始す夤馐睆綔y(cè)試儀測(cè)試法誤差最小，說明高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)量出的光斑直徑最為準(zhǔn)確。而另外兩種方法都使用刀口法測(cè)量光斑直徑，所以產(chǎn)生誤差的最主要原因可能是在刀口法測(cè)量光斑直徑上。所以接下來進(jìn)行了這兩種方法測(cè)量光斑直徑的比較。激光器預(yù)置功率：35.7%，測(cè)試顯示功率299.7W，出光口到刀口距離162.3cm。用刀口測(cè)試直徑，測(cè)5次。電動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)速度：1mm/s。表4.2刀口法測(cè)量光斑直徑/100%84%16%激光功率299.7W251.74847.952時(shí)間/39.68443.974直徑4.290*2=8.580mm表4.3刀口法測(cè)量光斑直徑/100%84%16%激光功率299.6W251.66447.936時(shí)間/37.55241.837直徑4.285*2=8.570mm表4.4刀口法測(cè)量光斑直徑/100%84%16%激光功率298.5W250.7447.76時(shí)間/27.61131.878直徑4.267*2=8.534mm表4.5刀口法測(cè)量光斑直徑/100%84%16%激光功率299.7W251.74847.952時(shí)間/28.89233.177直徑4.285*2=8.570mm表4.6刀口法測(cè)量光斑直徑/100%84%16%激光功率297.5W249.947.6時(shí)間/28.74432.999直徑4.255*2=8.510mm計(jì)算平均值：8.553mm，查修正因子1.03，修正后值8.810mm。表4.7高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)試半徑12345/4.1194.1374.1324.0534.043直徑平均值8.194mm表4.8兩種測(cè)試方法的差異刀口法8.810mm高功率激光光束直徑測(cè)試儀8.194mm差值0.616mm可以看出刀口法測(cè)量的光斑直徑比高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)量的光斑直徑多0.616mm，導(dǎo)致利用公式計(jì)算時(shí)發(fā)散角就會(huì)偏大，這就是測(cè)量結(jié)果中聚焦透鏡法和光束寬度法測(cè)量的發(fā)散角和標(biāo)準(zhǔn)值相比偏大的原因。事實(shí)上，使用的三種方法得到的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值都是有著一些微小的差距。通過查閱相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，高斯光束的傳輸特性見圖4.1，近場(chǎng)傳輸時(shí)，與束腰相距為z處的激光光斑尺寸以雙曲線規(guī)律向外擴(kuò)張，成線性關(guān)系的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角物理概念不再適用，所以會(huì)導(dǎo)致有誤差的產(chǎn)生。圖4.1高斯光束傳輸特性在聚焦透鏡法中，使用的高損傷閾值透鏡的焦距過小或者入射光束束腰距離高損傷閾值透鏡的距離過近可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生虛像，從而產(chǎn)生誤差；在高功率激光光束直徑測(cè)試儀的使用上可能會(huì)因?yàn)檫x取的分辨率以及選取位置過少導(dǎo)致在后邊擬合過程中產(chǎn)生擬合上的誤差；在刀口法測(cè)量的過程中會(huì)因?yàn)榧す獾牟环€(wěn)定性而在觀察功率計(jì)時(shí)產(chǎn)生誤差。此外在三種方法中雖然都安裝了水冷裝置，但還是會(huì)因?yàn)檫^熱而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。所以為了更加好的避免誤差的存在要注意以下方面：(1)激光發(fā)散角的測(cè)量指的是遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角這個(gè)物理概念，為了保證測(cè)量得到的激光發(fā)散角數(shù)據(jù)真實(shí)有效，需在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行。(2)近場(chǎng)條件下，激光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的物理概念不適用于激光發(fā)散角的測(cè)量，可以結(jié)合高斯光束傳輸雙曲線規(guī)律對(duì)激光發(fā)散角進(jìn)行近似計(jì)算誤差較小。(3)激光指示器產(chǎn)品中可以選用對(duì)近紅外波段敏感的器件，提高激光光斑的成像距離，使激光光斑成像距離大于10倍瑞利長(zhǎng)度。探測(cè)到遠(yuǎn)場(chǎng)的激光光斑，按激光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的物理概念對(duì)激光發(fā)散角進(jìn)行計(jì)算，精度更高。第五章結(jié)論與展望通過對(duì)三種方法的實(shí)驗(yàn)，基本完成了高功率激光發(fā)散角無衰減測(cè)試儀的開發(fā)。聚焦透鏡法對(duì)于透鏡的要求比較嚴(yán)格，高損失閾值透鏡的成本比較高，而且相對(duì)測(cè)量誤差也最大。光束寬度法測(cè)量比較穩(wěn)定的激光器比較合適，而對(duì)于一些不穩(wěn)定的激光器會(huì)導(dǎo)致在刀口法測(cè)量光斑直徑時(shí)誤差偏大。而最好的方法是基于高功率激光光束直徑測(cè)試儀的測(cè)試法。因?yàn)楦吖β始す夤馐睆綔y(cè)試儀可測(cè)量連續(xù)激光非聚焦光斑能量分布，光束直徑等參數(shù)并且能夠很方便地利用電腦軟件顯示各種參數(shù)。通過三種方法與標(biāo)準(zhǔn)值的比較，基于高功率激光光束直徑測(cè)試儀測(cè)試法誤差最小，是這三種方法中最優(yōu)的方法。所以在今后將會(huì)把研究的重點(diǎn)放到基于高功率激光光束直徑測(cè)試儀的測(cè)試法上，爭(zhēng)取做到把誤差減小到更低。而對(duì)于高功率激光光束直徑測(cè)試儀還有很多拓展功能，能夠測(cè)量更多光束參數(shù)，將在今后不斷深入挖掘。而對(duì)于高功率激光發(fā)散角無衰減測(cè)試儀在今后將主要應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、激光器研發(fā)、3D打印、激光清洗、超快激光加工、大功率激光切割焊接、智能制造、航空航天等領(lǐng)域，此外也是中國(guó)制造2025、智能制造、增材加工等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)急需的精密高端測(cè)量?jī)x器。例如可以服務(wù)于我國(guó)神光系統(tǒng)、大型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)及十四五啟動(dòng)的各項(xiàng)"激光制造及增材制造"的激光加工系統(tǒng)裝備等的激光檢測(cè)。參考文獻(xiàn)雷仕湛編著.激光技術(shù)手冊(cè).北京：科學(xué)出版社，1992.98；陳長(zhǎng)水，王佩琳，謝建平.調(diào)QCrLiSAF可調(diào)諧激光器腔內(nèi)二次譜波和三次諧波獲得成功.中國(guó)激光，1999，26（7）：602；李麗娜，吳金輝，宋金峰.大功率半導(dǎo)體