【《激光加工过程中激光束的发散角快速、定量评估研究》15000字（论文）】

目录III激光加工过程中激光束的发散角快速、定量评估研究摘要在高功率激光应用领域中，对加工精度、工艺要求提出了越来越严格的要求，而要实现这些工艺和精度的要求，就需要完全掌握整个激光加工产业链上所有器件的光学参数及系统的光束发散角，而系统的光束发散角的好坏直接决定了加工工艺的优劣。因此，有必要对激光加工过程中激光束的发散角进行快速、定量的评估。如何评估大功率激光器的光束发散角，减少多极衰减带来的测试误差和不确定性的影响，研制高水平科学的大功率激光光束发散角测试设备是解决这一技术问题的关键。本文主要介绍三种常见测量高功率激光发散角的方案：1、激光器输出的激光通过损伤阈值较高的聚焦透镜，使用刀口法测量通过透镜聚焦后焦点处的光束直径，从而光束直径以及透镜的焦距计算出激光的发散角。2、激光器输出的激光不通过聚焦透镜，直接在距离光束变换透镜不同距离处利用高功率激光光束直径测试仪测量出光束直径，最后利用matlab软件进行线性拟合从而直接得到发散角。3、激光器输出的激光不通过聚焦透镜，直接在距离光束变换透镜不同距离处利用刀口法测量出光束直径，通过光束直径以及出光口到刀口的距离计算出激光的发散角。对这三种方法进行系统设计以及实验，最后将这三种方法测量出的发散角与标准值进行比较，选取精度最高的一种方案。通过实验三种方法都成功测量出了不同激光器的发散角，并且通过与标准值的比较，示值误差分别为0.20mrad、0.15mrad、0.07mrad，百分误差分别为1.1%、0.8%、0.4%。三种方法比较来看，基于高功率激光光束直径测试仪的测试法的精度更高，将作为高功率激光发散角无衰减测试仪的主要方案，为后续研究打下良好的基础。关键词：发散角；聚焦透镜；高功率激光器；刀口法；光束直径；高功率激光光束直径测试仪目录TOC\o"1-3"\h\u25065摘要 I838第一章概述 454001.1课题研究意义 4122581.2发展趋势 495931.3研究现状 637761.3现有测量方法 7248211.4本文的主要内容及章节安排 815277第二章测量原理及方案设计 1013262.1测量原理 10293442.1.1聚焦透镜法 1019472.1.2高功率激光光束直径测试仪 10161682.1.3刀口法 11188722.2方案设计 126224第三章实验系统及测量 1471353.1聚焦透镜法 14216633.1.1系统搭建 14275873.1.2测量数据及结果 15325443.2高功率激光光束直径测试仪测试法 1691823.2.1系统搭建 1675703.2.2程序编写 19111013.2.3测量数据及结果 20146413.3光束宽度法 25128723.3.1系统搭建 25181053.3.2测量数据及结果 265107第四章实验结果分析 30121794.1结果分析 30107514.2与标准值比较 3033984.3误差分析 3031868第五章结论与展望 3329098参考文献 34第一章概述本论文主要进行三种测试激光发散角设计与实验，并通过对比选择最优的方法，从而为此开发和研制高功率无衰减测试的光束发散角检测系统，服务国家重大科技任务，提高装备质量的可靠性与稳定性。1.1课题研究意义大功率激光器已广泛应用于工业、能源、医疗和国防等领域。例如在军事、激光制导、激光武器等方面。工业激光淬火、焊接、激光清洗、焊接等。为实现中华人民共和国成立100周年，我国开展了“中国制造2025”使命。相应地，国家重点研发计划实施了“增材制造与激光制造”重点专项，启动了万瓦激光器的研制，将实现各种千瓦级和万瓦级激光器的国产化和量产。在大功率激光应用领域，对激光器的功率要求越来越高，相应的加工精度和工艺要求也提出了越来越严格的要求。要达到这些工艺和精度要求，就需要全面掌握整个激光器加工产业链中所有器件的光学参数和系统的光束发散角，而系统的光束发散角直接决定了产品的质量以及加工技术。相应地，提出一方面要深入研究光束发散角对激光与材料相互作用的影响机制；另一方面，由于激光功率和光束的发散角参数在加工质量中起着决定性的作用，因此在激光加工过程中需要监视大功率激光束的透射率和光束发散角。因此，有必要对激光加工过程中激光束的发散角进行快速、定量的评估。如何评估大功率激光器的光束发散角，减少多极衰减带来的测试误差和不确定性的影响，研制高水平科学的大功率激光光束发散角测试设备是解决这一技术问题的关键。经调查，目前国内还没有可以直接承载千瓦级激光功率的光束发散角测试仪。为此，研制开发服务于国家重大科技任务的大功率无衰减测试光束发散角检测系统，将是提高设备质量可靠性和稳定性的保障基础和前提。1.2发展趋势激光器本质上是将其他能量转换为激光的器件。激光器有多种分类方式，按工作介质可分为:固体激光器(红宝石激光器、钕玻璃激光器、Nd：YAG激光器)、气体及蒸汽激光器(氦氖激光器、二氧化碳激光器、铜蒸汽激光器)、液体激光器(染料激光器)、自由电子激光器等，一些新型独立命名的激光器，如光纤激光器、半导体激光器等都可归于固体激光器，而HF/DF化学激光器、碱金属激光器等都可归于气体及蒸汽激光器。按泵浦/激励方式的不同可分为光泵浦、电激励激光器(电泵浦)、燃烧驱动激光器(热泵浦)、化学激光器(化学反应泵浦)等，在一些激光器中采用组合泵浦方式;按运转方式又可分为连续波激光器和脉冲激光器。激光有很多种。一些激光器已经发展多年，技术成熟，应用广泛，但仍停留在低功率输出水平，如氦氖激光器。一些新激光器在发明后不久就被确定为超高功率激光器的替代品。大力发展，如二极管泵浦碱金属激光器，是因为大功率激光器的发展隐藏着一些特殊的要求和普遍规律。本文总结了已实现超高功率输出并有潜力实现超高功率输出的激光系统，包括二氧化碳激光器、HF/DF化学激光器、氧碘化学激光器、光纤激光器、固态激光器和二极管泵浦碱。金属激光器等，并讨论了大功率激光器的发展趋势和内在规律。激光技术自发明以来，经历了40多年的飞速发展，根据不同的应用需求开发了种类繁多的激光器，而大功率激光器则有其独特的发展规律。激光器作为一种能量转换装置，可以简单地分为能量注入、能量转换和激光产生三部分。发展大功率激光器的关键是研制出能量注入大、能量转换效率高、光束质量好的激光系统。就能量注入而言，高功率和高效率能量注入是实现高功率激光输出的基本条件。除了利用电（磁）、光、热、电子运动、化学反应等能量形式外，激光甚至还尝试了核能和烟火能。每种类型的能量包括许多特定的实施例。例如，电泵浦包括直流辉光放电、空心阴极放电、电弧放电、微波射频放电等方法。在很多激光器中，实际使用的是联合泵浦方式。例如，在燃烧驱动的HF/DF化学激光器中，氟源（如NF3、F2等）通过燃烧放热离解产生F原子，F原子参与化学反应产生HF/DF增益介质；在二极管泵浦固体/光纤激光器中，通过电光转换产生宽线宽的二极管激光器，然后用二极管激光器对晶体/光纤进行泵浦，产生窄线宽的固体/光纤激光。大功率激光系统的发展需要选择最简单的方法来实现稳定的连续大功率和高效能量注入。例如，产生卤化氢的各种化学反应都可以用来产生激光，但只有HF激光器由于它们的化学反应而达到功率输出以上。发热量最大。在能量转换方面，高能量转换效率是实现大功率激光输出的必要条件。实现高能量转换效率的一种方法是简化转换过程。例如，化学激光器直接将燃料化学能转化为激光。与其他激光器相比，它省去了能量转换中的中间环节。因此，仅仅用了十多年的发展，就达到了兆瓦级。高能激光器领域的水平输出和长期领导地位；另一种方法是提高每个能量转换过程的效率。例如，固态激光器早期采用闪光灯泵浦。闪光灯激光器的低效率一度使固态激光器的发展停滞不前。但采用二极管激光器作为泵浦源后，电能-激光二极管-固体激光器的能量转换效率大大提高，固体激光器迅速重新进入高能激光器行列。高能量转换效率对于大功率激光器非常重要，直接影响大功率激光器的发展方向。效果主要体现在以下两个方面：一是激光器的体积和重量。激光器体积和重量过大是目前制约激光武器发展的主要因素。激光系统（高频激光器、氧碘激光器）体积大、重量大，使得平台难以装载，是天基激光武器（SBL）和机载激光武器（ABL）项目下架的直接原因是燃料储罐在激光系统的体积和重量中占有相当大的比例。提高能量转换效率可以有效减小激光器的体积和重量。未来大功率固态和光纤激光器在移动平台上实现军事应用，实际上需要燃料-电力-激光二极管阵列-激光器三个能量转换过程。如果任何一个转换效率不够高，整套激光设备就会显得笨重。.二是余热管理。激光器用作能量转换装置。除了将全部注入能量转化为激光输出外，大部分剩余能量将转化为废热。假设兆瓦级激光器的总能量转换效率为20%，那么会产生近4MW的废热，即3~4倍的激光能量会反馈给激光器本身。除了会损坏激光系统组件的废热之外，增益介质中的废热还将直接影响激光束的质量。如何处理余热是大功率激光器发展首先要解决的问题，也直接制约着大功率激光器的发展思路。外部器件的冷却一般采用常见的风冷和水冷方式，激光器内部即增益介质的余热处理方式的选择非常有限：快速流动（气液介质）,增加散热表面积（固体介质）。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质快速流动法，从激光器中快速排出增益介质，同时也排出废热；采用大功率固态和光纤激光器增加散热表面积固态激光器的增益介质为板片或薄片晶体，光纤激光器的增益介质为极薄且极长纤维。其他方法如固态热容激光器仍然可以在高功率下工作，但不能适应超高功率。高功率运行。在激光产生方面，具有良好光束质量和良好大气传输性能的激光器是高功率激光器实际军事应用的有效保证。高光束质量可以保证激光光束在远距离传输后仍能很好地聚焦。光束质量与激光介质的均匀性（浓度、折射率、温度等）密切相关。在实际运行中，余热管理问题对光束质量的影响较大。良好的大气传输性能主要是指激光波长应位于传输透过率高的大气窗口区域，这样激光功率在远距离传输后只会有一定的衰减。此外，由于激光的“亮度”与波长的平方成反比，为了达到更好的破坏效果，倾向于开发波长更短的高功率激光系统，从CO2激光器，HF/DF激光器，COIL，固态/光纤激光器DPAL的实际开发过程还表明，激光波长正在逐渐缩短。但为避免激光散射光对人眼造成伤害，激光波长应在“人眼安全”范围内（大于>1.4μm），取舍尚无定论。1.3研究现状高功率激光光束发散角测试仪是随着高功率高能量激光的发展而发展起来的一种高端通用的激光测量设备，是高精度高功率密度激光直接测量和分析的主要手段，自问世以来得到了迅速发展。长期以来，国际上只有德国PRIMES公司、以色列Ophir公司和德国Metrolux三家公司生产开发万瓦激光光束分析及发散角测试仪。这些测试设备的关键技术各公司保密。PRIMES公司推出的HP-MSM-HB微细光斑分析仪测量功率密度高达10GW/cm2，可测量光斑尺寸20µm~1mm，波长范围1025nm~1080nm的激光光束质量，包含发散角测试，优点是可测量超大功率及功率密度，同时可测量极小的微细光斑，功能全面，技术实力领先同行业。PRIMES公司推出的HP-LQM光束品质分析仪，用于直接测量高功率激光光束品质测量与分析。可测光束直径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径、发散角、M2因子、模式、能量分布等参数。以色列Ophir公司的光束分析仪采用CCD探测器外加激光功率计的组合设计，可测量较大的激光功率以及万瓦光斑的能量分布，光束发散角。德国Metrolux公司生产的光束分析仪，采用CCD探测器设计，可测量从紫外到近红外波段的高功率激光光斑参数，系统可集成性强，可适用不同的测试类型及具体应用，缺点是系统体积较大，对测试环境的要求较高。表1.1主要国内外仪器对比设备型号HP-MSM-HBFocusMonitor(FM)BeamMonitor(BM)制造商德国PRIMES德国PRIMES德国PRIMES功率范围：10W～10kW100W～10kW10W～10kW最大功率密度：大于1GW/cm2（1000MW/cm2）10MW/cm210kW/cm2功能：可测量连续及脉冲激光聚焦光斑M2，发散角，能量分布等参数可测量连续激光聚焦光斑M2，发散角，能量分布等参数，无法测量脉冲激光可测量连续激光非聚焦光斑能量分布，光束直径等参数主要技术优缺点对比：图1.1主要技术优缺点对比截至到目前为止，国内所用的高功率激光光束发散测试仪基本依赖进口，国内尚无自研的成熟的产品。此项目完成后可以对高于1000W的高功率激光器进行光束直径、发散角等多参数测试与表征，大大扩展现有的高功率激光光束直径测试仪水平。1.4现有测量方法大功率半导体激光器发散角测量：通常检测激光的原理有光热法、热电法及光电法。其中，光热型探测器对波长无选择性，但响应速慢、灵敏度低、且测量误差大；热电型探测器响应快，但热恢复时间慢，且探测率较低；光电型探测器虽然对波长有选择性，但具有响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低等优点，故选其作为探测元件。在选择PD的型号时，要考虑PD受光面的大小、受光的波长范围、PD的响应度、PD的反响电压的大小、入射角度范围等因素。设计中尽量选取小受光面的PD，当光敏面积小到一定程度后，才能保证器件的结电容足够小，使器件具有很高的响应速度。这种方法要求的探测波长范围为860～1064nm，综合考虑上述因素，选择典型的光敏面为5mm2的si光电二极管，其光谱响应范围在400～1100nm，响应曲线如图1.2，设计测试系统如图1.3所示。图1.2光谱响应曲线图1.3测试系统原理图图1.4寻找光斑中心示意图测试系统主要由步进电机、光电探测器和PC等组成，位于一个平行度较高的光学导轨上。探测器上有一可调节的狭缝，其宽度应根据光功率仔细调整，以狭缝能够尽可能多地采集功率点，且探测器响应良好为最佳。探测器底座装有可在竖直平面内移动的马达。为了准确测得发散角数值，需要在测量之初完成PD与光斑中心(光强最大点处)的寻心和对心。传统的测量方法依靠器件的几何外形进行对心，难以保证真正找准光斑中心点。本测试系统采用更为科学的寻心方法，具体过程为调节PD的位置，使其位于光斑平面内，驱动放置LD的步进电机在180°水平范围内旋转，则PD就可对光斑X方向的某条直线进行光强检测。当PD在此向检测完毕后，PC机找到直线上的光强最大值并记录。由PC机控制使步进电机回到所检测的最大光强点处。显然此点应为该直线到光斑中心点距离最小处，即光斑中心应在过该点的垂线上。驱动PD底座处马达使其沿过该点的垂线移动，进行光强检测，同理找到此垂线上(Y方向)的最大光强点即为光斑中心，并使PD固定在此处。这样就完成了寻找光斑中心的过程。如图1.4所示。完成寻心后，由PC控制步进电机从光斑中心分别向左右两个方向步进水平运动，当功率值分别下降1／2时停止(本实验以功率下降一半处为光斑边缘)，由PC记录其所走的步数n1、n2，则发散角为θx=(n1He-Ne激光束远场发散角的精确测量：由远场光斑测量法测量足够远的两处z1、z2得到的光斑尺寸分别为k1和k2,满足下列关系式:z1−z2可见，|z2-z1|是关于束腰半径k0的函数,而其余参数均为已知。实验中,通过移动CCD使|z2-z1|等于一个固定值保持不变，进行多次测量求其平均值的方法来计算远场发散角。但上述两种方法只能测量部分激光器的发散角，具有很大的局限性，所以将进行本课题的研究，希望能够设计出能够测量所有激光器发散角的测试仪。1.5本论文的主要内容及章节安排本文共分为五个章节，具体安排如下：第一章为概述部分。首先说明了课题研究的现实意义。接着说明了这个课题现在的研究现状与发展趋势。然后调研了一些现有测量发散角的方法。最后简要介绍了论文的章节安排。第二章为系统方案设计部分。首先进行了测量方法原理介绍，包括聚焦透镜法的原理推导，高功率激光光束直径测试仪的工作原理，刀口法测量光斑直径的原理。然后介绍了系统总体方案的设计，包括三种方案的初步设计与思路。第三章为实验系统及测量。分别对系统总体设计方案的三种方法进行了系统搭建，并通过实验得到了测量结果与数据。第四章为结果分析部分。对三种方法的测量结果进行分析并对其与标准值进行了比较，最后进行误差分析并通过分析总结减小误差的经验。第五章为结论部分。对本次毕业设计的总体实验思路及过程进行说明，并对三种方法的优劣进行比较与说明，从而得出一个最佳的方法作为接下来更加深入研究的对象。测量原理及方案设计2.1测量原理2.1.1聚焦透镜法图2.1光路图w0为入射光束的束腰，s为距离透镜的距离，f为透镜焦距，w为焦点处的光斑半径。首先高斯光束的q参数为：q=jπ由物面到后焦平面的光线变换矩阵为：A则焦平面上光束的q参数为：1qf=Cq0则有：w,=即：w,f高斯光束远场发散角为θ=limz→∞2wz由此可知远场发散角仅与透镜的焦距和光束在透镜焦点处的光斑半径有关，与透镜距离激光束束腰的位置无关。2.1.2基于高功率激光光束直径测试仪的测试法图2.2高功率激光光束直径测试仪内部构造图2.3高功率激光光束直径测试仪草图图2.4高功率激光光束直径测试仪外观高功率激光光束直径测试仪原理：高功率激光光束直径测试仪内部存在16位AD转换器，分辨率为1024×1024，这样能精确分析原始环境中各种微小的抖动光束。高功率激光光束直径测试仪的构造上存在一个旋转测量尖端负责采集激光束，通过镜架的直线移动来使整个光束剖面打到测量尖端上，经过尖端后打到内部的探测器上，进行光电转换从而将光信号转换成电信号，然后就可以更加方便地对高斯光束进行分析。高功率激光光束直径测试仪的内部主要是由一个中空的旋转探针一对大小齿轮构成，通过它们来进行X轴与Y轴上的移动。高功率激光光束直径测试仪能承受的最大损失阈值为10KW/cm2。激光光束通过高功率激光光束直径测试仪可以测量出不同位置下的光斑直径，通过MATLAB拟合建立Z轴位置与光斑直径的一阶线性关系，得到的直线的斜率即为发散角。2.1.3刀口法图2.6刀口仪示意图图2.7刀口切割光束示意图图2.6为刀口法测量高斯光束光斑半径装置示意图。将刀片固到光学平移台上，将激光器入射的光束垂直切割。图2.7为刀口垂直切割光束示意图，当刀口横向移动使其右边缘距离光斑中心左侧的距离为x时，设光斑半径为r，很明显r-x部分被刀口遮挡。设刀口未遮挡地光斑部分激光功率占总功率的P(x)%(P(x)%>50%)；这时刀口继续向右移动，移动到了其右端到光斑中心右侧距离为x时,此时r+x部分被刀口遮挡。此时刀口未遮挡地光斑部分激光功率占总功率为1-P(x)%。当功率透过率P(x)%为50%～100%区间任意值时,光斑半径与刀口-光斑中心距的比值都为与P(x)%值对应的确定值,因此,当选取P(x)%为任意值时,都可根据透过率为P(x)%/1-P(x)%所对应的两刀口位置坐标,测量光斑半径。而激光器在全功率的84%以及16%两点位于高斯分布曲线极大值的两侧，所以采用的84%/16%刀口测量方法为:取P(x)%=84%,测量透过刀口边缘光功率占总功率百分比分别为86%和14%时的刀口位置坐标,以确定刀口边缘与光斑中心距离x的值；根据理论分析,此时光斑半径r与x的比值为1:1,所以将x即为刀口处基模高斯光束光斑半径。2.2方案设计本次论文主要研究三种常见测量高功率激光发散角的方案，因为使用的大功率连续激光器的发散角很小，束腰长度很长，所以在激光器出光口处加入不同焦距光束变换透镜，将激光器和加入不同焦距光束变换透镜的整体作为一系列不同的激光器作为激光源进行项目研究：激光器输出的激光经过不同焦距光束变换透镜，然后通过损伤阈值较高的聚焦透镜，使用刀口法测量通过透镜聚焦后焦点处的光束直径，从而光束直径以及透镜的焦距计算出激光的发散角。图2.8聚焦透镜法设计图激光器输出的激光经过不同焦距光束变换透镜，然后不通过聚焦透镜，直接在距离光束变换透镜不同距离处利用高功率激光光束直径测试仪测量出光束直径，最后利用matlab软件计算发散角。图2.9高功率激光光束直径测试仪测试法设计图激光器输出的激光经过不同焦距光束变换透镜，然后不通过聚焦透镜，直接在距离光束变换透镜不同距离处利用刀口法测量出光束直径，通过光束直径以及出光口到刀口的距离计算激光的发散角。2.10光束宽度法设计图图2.11大功率连续激光器图2.11为本次使用的激光器，输出功率可以自由调节，范围为0w-1015.6w。在使用之前有指示光来进行光路调整。本章主要介绍了聚焦透镜法的推导原理，高功率激光光束直径测试仪的工作原理以及刀口法的测量原理。并根据这三个原理进行了测量高功率激光发散角三种方法的初步测量思路和搭建设计。第三章实验系统及测量本章主要进行聚焦透镜法、基于高功率激光光束直径测试仪的测试法、光束宽度法这三种测量高功率激光发散角的具体实验系统搭建、调试以及结果测量工作。3.1聚焦透镜法3.1.1系统搭建图3.1激光器及光束变换透镜图3.2聚焦透镜法现场搭建实验一：激光器预置功率：35%，测试显示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。在激光器出光口处加入500mm光束变换透镜，在距离500mm透镜1000mm处加入焦距分别为250mm、500mm、1000mm的高损伤阈值聚焦透镜，在高损失阈值聚焦透镜的焦点处利用刀口法测试光束直径。设置电动导轨移动速度：0.5mm/s，通过时间来判断移动刀口仪移动距离从而得到光斑直径。实验二：激光器预置功率：35%，测试显示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。在激光器出光口处加入250mm光束变换透镜，在距离250mm透镜1000mm处加入焦距分别为250mm、500mm、1000mm的高损伤阈值聚焦透镜，在高损失阈值聚焦透镜的焦点处利用刀口法测试光束直径。设置电动导轨移动速度：0.5mm/s，通过时间来判断移动刀口仪移动距离从而得到光斑直径。3.1.2测量数据及结果（3.1）实验一（500mm光束变换透镜）：表3.1加入500mm光束变换透镜的激光器/100%84%16%500mm高损伤阈值聚焦透镜激光功率288.6W242.446.2时间/25.14634.063直径8.917mm修正因子1.03，修正后值9.185mm利用公式（3.1）即可计算出发散角θx=表3.2加入500mm光束变换透镜的激光器/100%84%16%1000mm高损伤阈值聚焦透镜激光功率276.6W232.344.3时间/33.15451.221直径18.067mm修正因子1.03，修正后值18.609mm利用公式（3.1）即可计算出发散角θx=表3.3加入500mm光束变换透镜的激光器/100%84%16%250mm高损伤阈值聚焦透镜激光功率278.5W233.944.6时间/23.34627.757直径4.411mm修正因子1.03，修正后值4.543mm利用公式（3.1）即可计算出发散角θx取上述三组实验的平均值得到发散角θx实验二（250mm光束变换透镜）：表3.4加入250mm光束变换透镜的激光器/100%84%16%500mm高损伤阈值聚焦透镜激光功率288.6W242.446.2时间/31.30548.142直径16.347mm修正因子1.03，修正后值16.837mm利用公式（3.1）即可计算出发散角θx=表3.5加入250mm光束变换透镜的激光器/100%84%16%1000mm高损伤阈值聚焦透镜激光功率283.4W238.145.3时间/28.62961.371直径32.742mm修正因子1.03，修正后值33.724mm利用公式（3.1）即可计算出发散角θx=表3.6加入250mm光束变换透镜的激光器/100%84%16%250mm高损伤阈值聚焦透镜激光功率281.3W236.345.0时间/24.86432.967直径8.103mm修正因子1.03，修正后值8.346mm利用公式（3.1）即可计算出发散角θx取上述三组实验的平均值得到发散角θx3.2基于高功率激光光束直径测试仪的测试法3.2.1系统搭建图3.3高功率激光光束直径测试仪测试法结构示意图图3.4高功率激光光束直径测试仪测试法实验现场图3.5SC100步进电机控制器图3.6控制器操作界面SC100系列步进电机控制器用于分时控制一至三维电移台，内部主要由控制单元、驱动器、以及稳压电路组成。控制单元采用了高速高性能低功耗的MCU芯片，并加以软硬件防护措施，从而保证了系统运行时的稳定性和可靠性。基本功能：支持运动过程中速度大小的调节；驱动器细分可控，依据具体型号的驱动器进行设置，可设细分上界为256；支持S曲线加减速，加速度可根据负载类型自由设置，加速时间短至10ms长到几分钟，可轻松适应轻载、小惯量和重载、大惯量的负载平滑加减速；支持软硬限位功能；支持零位安装位置设置；支持脉冲、毫米(或度分秒)的输入和显示。最小单位：脉冲输入情况下为1个脉冲，直线台输入位移时为0.001毫米，旋转台输入角度时为1秒；主页面中同时显示三个运动轴的位置与速度；操作基本都有提示，可引导用户的使用；支持运动结果的状态提示；具备自动锁键盘功能；拥有EEPROM数据存储功能，支持断电前现场位置的保存；支持计算机经RS232串口进行界面或命令的在线控制，波特率为9600BPS；支持外接电子手轮(手脉)输入功能，实现步进电机现场手动操作；内置蜂鸣器，操作方向上遇到限位时报警。运动功能：相对运动功能，避免多次重复输入固定的步长；绝对运动功能，直观输入目标值；精度补偿运动功能，为本公司旋转台特制，可满足开环状态下的高精度运行，此功能集多年工作经验而得，具有非常实用的特点；流程运动功能，使用面板操作即可完成三套独立的复杂流程设计，并可选择单次或重复运行；工位运动功能，每轴可保存4个开环工位和4个闭环工位，在少量定点运动中避免每次重复输入；无限运动功能，主要针对某些情况下长时间连续运行的旋转台而设计的；支持正反向回零操作，零位开关的体积不影响旋转台的回零。按照图3.3搭建系统，搭建结果如图3.4所示。其中高精度导轨长度3m；调节精度5μm。利用SC100步进电机控制器来对高精度导轨进行控制。实验一：在激光器出光口处加入500mm光束变换透镜，激光器预置功率：35%，测试显示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。按照图3.3搭建系统，通过SC100步进电机控制器控制高精度导轨移动，利用高功率激光光束直径测试仪测量13个不同位置的光斑直径。最后利用MATLAB选择束腰一侧的数据进行一阶线性拟合，拟合出一条直线，直线的斜率即为激光发散角，并通过残差分析判断所取数据是否可用。实验二：在激光器出光口处加入1000mm透镜，激光器预置功率：35%，测试显示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。按照图3.3搭建系统，通过SC100步进电机控制器控制高精度导轨移动，利用高功率激光光束直径测试仪测量9个不同位置的光斑直径。最后利用MATLAB选择束腰一侧的数据进行一阶线性拟合，拟合出一条直线，直线的斜率即为激光发散角，并通过残差分析判断所取数据是否可用。实验三：在激光器出光口处加入250mm透镜，激光器预置功率：35%，测试显示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W。按照图3.3搭建系统，通过SC100步进电机控制器控制高精度导轨移动，利用高功率激光光束直径测试仪测量10个不同位置的光斑直径。最后利用MATLAB选择束腰一侧的数据进行一阶线性拟合，拟合出一条直线，直线的斜率即为激光发散角，并通过残差分析判断所取数据是否可用。实验四：在激光器出光口处加入250mm透镜，激光器预置功率：28%，测试显示功率250.7W，修正因子1.03，修正后功率258.2W。按照图3.3搭建系统，通过SC100步进电机控制器控制高精度导轨移动，利用高功率激光光束直径测试仪测量5个不同位置的光斑直径。最后利用MATLAB选择束腰一侧的数据进行一阶线性拟合，拟合出一条直线，直线的斜率即为激光发散角，并通过残差分析判断所取数据是否可用。实验五：在不加入高精度导轨情况下，利用高功率激光光束直径测试仪测量7个不同位置的光斑直径。3.2.2程序编写线性拟合在MATLAB中的实现：设：coeff1*term1+coeff2*term2+coeff3*term3+...为所需拟合的线性表示。其中，coefficient是系数，term都是x的一次项。则可以用下列式子来进行线性拟合：ffun=fittype(libname)ffun=fittype(expr)ffun=fittype({expr1,...,exprn})ffun=fittype(expr,Name,Value,...)ffun=fittype({expr1,...,exprn},Name,Value,...)图3.7一阶线性拟合程序首先建立坐标系，将需要拟合点的x坐标和y坐标输入到程序当中。poly可以用根构造多项式。如x指多项式的根，poly（x）就得到该多项式的系数和相应的指数。poly还可以生成矩阵的特征多项式。如A为某一矩阵，poly（A）就能够得到该矩阵的特征多项式的各项系数。因为要进行一次线性拟合，所以这里使用线性模型poly1，利用fittype创建拟合模型，进行线性拟合。然后利用fit算法，将拟合完成的直线斜率和截距计算出来。最后在figure（1）中画出拟合出的直线f和开始输入的拟合点。图3.8残差分析程序通过rcoplot算法建立坐标图，将需要拟合的点拟合成z=b(1)x+b(2)的直线形式。通过regress算法对拟合的直线和拟合的点进行回归分析，从而得到残差模来判断拟合点与拟合直线的关系。3.2.3测量数据及结果实验一（500mm光束变换透镜）：图3.9测量数据图3.10光束轮廓图通过高功率激光光束直径测试仪的特定软件进行测量，测量出结果如图3.9与图3.10。图3.11一阶线性拟合结果图图3.12残差分析结果图由图3.12可知，所取数据均为残差模较小的点，可以使用。由图3.11可知，经过MATLAB线性拟合得到发散角为18.03mrad。实验二（1000mm光束变换透镜）：图3.13测量数据通过高功率激光光束直径测试仪的特定软件进行测量，测量出结果如图3.13。图3.14一阶线性拟合结果图图3.15残差分析结果图由3.15可知，所取数据均为残差模较小的点，可以使用。由图3.14可知，经过MATLAB线性拟合得到发散角为9.64mrad。实验三（250mm光束变换透镜）：图3.16测量数据图3.17光束轮廓图通过高功率激光光束直径测试仪的特定软件进行测量，测量出结果如图3.16与图3.17。图3.18一阶线性拟合结果图图3.19残差分析结果图由3.19可知，所取数据均为残差模较小的点，可以使用。由图3.18可知，经过MATLAB线性拟合得到发散角为33.8mrad。实验四（250mm光束变换透镜）：图3.20一阶线性拟合结果图图3.21光束轮廓图通过高功率激光光束直径测试仪的特定软件进行测量，测量出结果如图3.9与图3.10。图3.22一阶线性拟合结果图图3.23残差分析结果图由3.23可知，所取数据均为残差模较小的点，可以使用。由图3.22可知，经过MATLAB线性拟合得到发散角为33.94mrad。实验五（不加入高精度导轨）：图3.24测量数据图3.25光束轮廓图通过高功率激光光束直径测试仪的特定软件进行测量，测量出结果如图3.24与图3.25。由此可见，在不加入高精度导轨时，会在测试中存在中心点不在同光路的问题。Z轴上的距离也无法得到控制，得到的数据无法通过MATLAB进行一次线性拟合，无法得到激光发散角。3.3光束宽度法3.3.1系统搭建图3.26光束宽度法实验现场实验一：如图3.26搭建系统，激光器预置功率：35%，测试显示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W，在激光器出光口处加入500mm光束变换透镜。用刀口法测试光束直径，在不同的距离处测10次。电动导轨移动速度：0.5mm/s，通过时间来判断移动刀口仪移动距离从而得到光斑直径。实验二：如图3.29搭建系统，激光器预置功率：35%，测试显示功率299.7W，修正因子1.03，修正后功率308.7W，在激光器出光口处加入250mm光束变换透镜。用刀口法测试光束直径，在不同的距离处测10次。电动导轨移动速度：0.5mm/s，通过时间来判断移动刀口仪移动距离从而得到光斑直径。3.3.2测量数据及结果实验一（500mm光束变换透镜）：在180mm处测试：计算直径表3.7180mm处测试/100%84%16%激光功率275.6W231.544.1时间/29.94235.009直径5.067mm修正因子1.03，修正后值5.219mm在230mm处测试：计算直径表3.8230mm处测试/100%84%16%激光功率275.6W231.544.1时间/38.20642.463直径4.257mm修正因子1.03，修正后值4.385mm在280mm处测试：计算直径表3.9280mm处测试/100%84%16%激光功率274.9W230.944.0时间/31.74335.208直径3.465mm修正因子1.03，修正后值3.569mm在630mm处测试：计算直径表3.10630mm处测试/100%84%16%激光功率274.5W230.643.9时间/27.57531.312直径3.737修正因子1.03，修正后值3.849mm在680mm处测试：计算直径表3.11680mm处测试/100%84%16%激光功率275.3W231.344.0时间/26.21130.751直径4.54mm修正因子1.03，修正后值4.676mm在730mm处测试：计算直径表3.12730mm处测试/100%84%16%激光功率275.4W231.344.1时间/23.92829.302直径5.374mm修正因子1.03，修正后值5.535mm在780mm处测试：计算直径表3.13780mm处测试/100%84%16%激光功率276.8W232.544.3时间/25.35431.556直径6.202mm修正因子1.03，修正后值6.388mm在830mm处测试：计算直径表3.14830mm处测试/100%84%16%激光功率278.5W233.944.6时间/20.85327.948直径7.095mm修正因子1.03，修正后值7.308mm在880mm处测试：计算直径表3.15880mm处测试/100%84%16%激光功率279.6W234.944.7时间/33.69041.597直径7.907mm修正因子1.03，修正后值8.144mm在930mm处测试：计算直径表3.16930mm处测试/100%84%16%激光功率275.3W231.344.0时间/33.77342.507直径8.734mm修正因子1.03，修正后值8.996mm（3.2）QUOTEθvx=dx12-dx2在测量点距离激光器出口较近时，利用公式（3.2）即可计算出发散角。在测量点距离激光器出口较远时，利用公式（3.3）即可计算出发散角。经过多组计算取平均值，得到发散角θx实验二（250mm光束变换透镜）：在180mm处测试：计算直径表3.17180mm处测试/100%84%16%激光功率276.5W232.344.2时间/27.42237.545直径10.123mm修正因子1.03，修正后值10.427mm在230mm处测试：计算直径表3.18230mm处测试/100%84%16%激光功率274.6W230.743.9时间/36.05044.597直径8.547mm修正因子1.03，修正后值8.803mm在280mm处测试：计算直径表3.19280mm处测试/100%84%16%激光功率278.8W234.244.6时间/30.00536.926直径6.921mm修正因子1.03，修正后值7.129mm在630mm处测试：计算直径表3.20630mm处测试/100%84%16%激光功率273.6W229.843.8时间/25.71933.153直径7.434修正因子1.03，修正后值7.657mm在680mm处测试：计算直径表3.21680mm处测试/100%84%16%激光功率279.6W234.944.7时间/28.21237.314直径9.102mm修正因子1.03，修正后值9.375mm在730mm处测试：计算直径表3.22730mm处测试/100%84%16%激光功率272.3W228.743.6时间/26.38737.129直径10.742mm修正因子1.03，修正后值11.064mm在780mm处测试：计算直径表3.23780mm处测试/100%84%16%激光功率276.6W232.344.3时间/29.67942.068直径12.389mm修正因子1.03，修正后值12.761mm在830mm处测试：计算直径表3.24830mm处测试/100%84%16%激光功率277.6W233.244.4时间/25.45639.664直径14.208mm修正因子1.03，修正后值14.634mm在880mm处测试：计算直径表3.25880mm处测试/100%84%16%激光功率273.6W229.843.8时间/34.30650.114直径15.808mm修正因子1.03，修正后值16.282mm在930mm处测试：计算直径表3.26930mm处测试/100%84%16%激光功率280.3W235.544.8时间/35.48452.943直径17.459mm修正因子1.03，修正后值17.983mm在测量点距离激光器出口较近时，利用公式（3.2）即可计算出发散角。在测量点距离激光器出口较远时，利用公式（3.3）即可计算出发散角。经过多组计算取平均值，得到发散角θx=致谢第四章实验结果分析4.1结果分析表4.1测量结果加入500mm光束变换透镜加入250mm光束变换透镜加入1000mm光束变换透镜聚焦透镜法18.38mrad33.59mrad/高功率激光光束直径测试仪测试法18.03mrad高功率：33.8mrad低功率：33.94mrad9.64mrad光束宽度法18.25mrad33.08mrad/表4.1为三种方法在激光器加入不同光束变换透镜时发散角的测量结果。通过表4.1可以发现：本次系统方案设计的三种常见测量高功率激光发散角的方案之间测量结果差距不大，三种方案在测量同一种激光器时得到的发散角基本一致，在测量同一种激光器的不同输出功率时，得到的发散角基本一致。在加入不同的光束变换透镜时测量出的激光发散角不同，因为加入不同光束变换透镜等价于使用了不同的激光器。综上所述，可以得到高功率激光器发散角只与激光器本身属性有关，与激光器输出功率等因素无关。4.2与标准值比较与2019年中国计量院对此项目测试结果进行了比对，中国计量院测量在激光器出光口处加入500mm光束变换透镜时发散角为18.18mrad，三种方法测得在激光器出光口处加入500mm透镜时发散角分别为：18.38mrad、18.03mrad、18.25mrad。示值误差分别为0.20mrad、0.15mrad、0.07mrad，百分误差分别为1.1%、0.8%、0.4%。三种方法比较来看，基于高功率激光光束直径测试仪的测试法的精度更高，将作为高功率激光发散角无衰减测试仪的主要方案，为后续研究打下良好的基础。4.3误差分析因为高功率激光光束直径测试仪测试法误差最小，说明高功率激光光束直径测试仪测量出的光斑直径最为准确。而另外两种方法都使用刀口法测量光斑直径，所以产生误差的最主要原因可能是在刀口法测量光斑直径上。所以接下来进行了这两种方法测量光斑直径的比较。激光器预置功率：35.7%，测试显示功率299.7W，出光口到刀口距离162.3cm。用刀口测试直径，测5次。电动导轨移动速度：1mm/s。表4.2刀口法测量光斑直径/100%84%16%激光功率299.7W251.74847.952时间/39.68443.974直径4.290*2=8.580mm表4.3刀口法测量光斑直径/100%84%16%激光功率299.6W251.66447.936时间/37.55241.837直径4.285*2=8.570mm表4.4刀口法测量光斑直径/100%84%16%激光功率298.5W250.7447.76时间/27.61131.878直径4.267*2=8.534mm表4.5刀口法测量光斑直径/100%84%16%激光功率299.7W251.74847.952时间/28.89233.177直径4.285*2=8.570mm表4.6刀口法测量光斑直径/100%84%16%激光功率297.5W249.947.6时间/28.74432.999直径4.255*2=8.510mm计算平均值：8.553mm，查修正因子1.03，修正后值8.810mm。表4.7高功率激光光束直径测试仪测试半径12345/4.1194.1374.1324.0534.043直径平均值8.194mm表4.8两种测试方法的差异刀口法8.810mm高功率激光光束直径测试仪8.194mm差值0.616mm可以看出刀口法测量的光斑直径比高功率激光光束直径测试仪测量的光斑直径多0.616mm，导致利用公式计算时发散角就会偏大，这就是测量结果中聚焦透镜法和光束宽度法测量的发散角和标准值相比偏大的原因。事实上，使用的三种方法得到的测量结果与标准值都是有着一些微小的差距。通过查阅相关资料后发现，高斯光束的传输特性见图4.1，近场传输时，与束腰相距为z处的激光光斑尺寸以双曲线规律向外扩张，成线性关系的远场发散角物理概念不再适用，所以会导致有误差的产生。图4.1高斯光束传输特性在聚焦透镜法中，使用的高损伤阈值透镜的焦距过小或者入射光束束腰距离高损伤阈值透镜的距离过近可能会导致产生虚像，从而产生误差；在高功率激光光束直径测试仪的使用上可能会因为选取的分辨率以及选取位置过少导致在后边拟合过程中产生拟合上的误差；在刀口法测量的过程中会因为激光的不稳定性而在观察功率计时产生误差。此外在三种方法中虽然都安装了水冷装置，但还是会因为过热而导致误差的产生。所以为了更加好的避免误差的存在要注意以下方面：(1)激光发散角的测量指的是远场发散角这个物理概念，为了保证测量得到的激光发散角数据真实有效，需在远场条件下进行。(2)近场条件下，激光远场发散角的物理概念不适用于激光发散角的测量，可以结合高斯光束传输双曲线规律对激光发散角进行近似计算误差较小。(3)激光指示器产品中可以选用对近红外波段敏感的器件，提高激光光斑的成像距离，使激光光斑成像距离大于10倍瑞利长度。探测到远场的激光光斑，按激光远场发散角的物理概念对激光发散角进行计算，精度更高。第五章结论与展望通过对三种方法的实验，基本完成了高功率激光发散角无衰减测试仪的开发。聚焦透镜法对于透镜的要求比较严格，高损失阈值透镜的成本比较高，而且相对测量误差也最大。光束宽度法测量比较稳定的激光器比较合适，而对于一些不稳定的激光器会导致在刀口法测量光斑直径时误差偏大。而最好的方法是基于高功率激光光束直径测试仪的测试法。因为高功率激光光束直径测试仪可测量连续激光非聚焦光斑能量分布，光束直径等参数并且能够很方便地利用电脑软件显示各种参数。通过三种方法与标准值的比较，基于高功率激光光束直径测试仪测试法误差最小，是这三种方法中最优的方法。所以在今后将会把研究的重点放到基于高功率激光光束直径测试仪的测试法上，争取做到把误差减小到更低。而对于高功率激光光束直径测试仪还有很多拓展功能，能够测量更多光束参数，将在今后不断深入挖掘。而对于高功率激光发散角无衰减测试仪在今后将主要应用于基础科研、激光器研发、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、航空航天等领域，此外也是中国制造2025、智能制造、增材加工等战略新兴产业急需的精密高端测量仪器。例如可以服务于我国神光系统、大型望远镜系统及十四五启动的各项"激光制造及增材制造"的激光加工系统装备等的激光检测。参考文献雷仕湛编著.激光技术手册.北京：科学出版社，1992.98；陈长水，王佩琳，谢建平.调QCrLiSAF可调谐激光器腔内二次谱波和三次谐波获得成功.中国激光，1999，26（7）：602；李丽娜，吴金辉，宋金峰.大功率半导体