使用锥形排列光纤的新型激光参数测量

在开放获取杂志《Sensors》上发表的一篇文章中，研究人员提出了一种基于锥形排列阵列光纤的新型激光参数测量技术，以增强可测量的光斑尺寸、空间采样分辨率和允许的入射角范围。

研究：基于锥形排列光纤和CCD相机的激光参数测量系统研究。

图片来源：Doug McLean/Shutterstock.com

在这种激光参数测量方法中，使用由柔性光纤制成的锥形阵列对激光束的横截面点进行采样和减少。激光参数技术允许通过电荷耦合二极管（CCD）相机进行低失真拍摄。最后，通过均质化处理和算法分析对斑点进行校正。

作者证明，使用激光参数测量方法，可以在分米级点接收表面上以极高的精度测量偏斜角，具有高公差和毫米级分辨率。当将正常入射中的测量点与实际点进行比较时，桶形（PIB）曲线中功率的均方根误差（RMSE）小于1%。

基于阵列光纤数值孔径（NA）为0.22的假设，当入射角变化在-8°和8°之间时，RMSE小于2%。相比之下，总功率的测量误差小于5%。另据报道，修改光纤特性和阵列光纤的设计可以进一步优化测量技术。

了解激光参数测量技术

激光参数是激光系统科学评估的一个影响因素。通过评估一个或多个轴向横截面部位的强度分布，可以确定标准激光参数，如光束宽度、M2 因子和因子。测量系统优先处理检测单元的阵列光纤，并在光斑显著时衰减。

由于系统始终具有大孔径，因此通过校准整个目标来修复样品单元的响应不一致很容易。然而，错综复杂的单元架构经常限制其分辨率。在许多应用中，装置的透射率和响应性也对入射角敏感，这是误差的一个重要原因。

通常，当光斑较小时，使用CCD相机。光束可以在不同的屏幕上成像，然后由CCD相机捕获，也可以直接在相机中的CCD阵列光纤上操作。然而，CCD相机拍摄需要精确的空间对准。因此，需要快速伺服设备，这使得实际应用更具挑战性。

此外，限制分辨率的关键原因从衰减器或检测器的外径转移到采样单元，这导致分辨率的显着提高。综上所述，这两种方法可用于改进整个激光参数测量系统。

因此，作者在本文中建议使用锥形排列的阵列光纤对光束进行采样和收缩。光波导在离开自由空间后充当光束传播路线的管道。因此，阵列光纤的高均匀传输可用于产生光斑的高保真收缩。

本研究旨在开发一种基于该应用的激光参数测量技术，以证明其可行性。另一端紧密排列的阵列光纤用作输出，而具有松散间隔光纤的保护目标板用作输入。此外，在CCD相机捕获均质器上成像的点后，通过串扰消除，平均池化和插值光束扩展对强度分布进行了计算校正。

研究结果表明，两点之间PIB曲线的强度分布RMSE小于1%。此外，在-6°~6°的区间内，测得的总功率的偏移略低于2%。相比之下，PIB曲线的RMSE在-8°~8°的区间内小于1%。假设阵列光纤的理论 NA 为 0.22，则这些值分别小于 5% 和 2%。

概念验证调查

高反射率靶板、阵列光纤、衰减器、滤波器、均质器、封装结构、CCD相机和数据处理系统是仪器设计的重要组成部分。该阵列由400根等直径柔性多模步进式光纤组成，排列成20行20列。阵列光纤的这些行和列被放置在垂直于阵列面的特定距离内。

本文介绍了基于锥形排列阵列光纤的光束质量测量系统及其随附的计算校正。该系统实现了约114 mm的激光参数测量孔径，6 mm的分辨率和600-1800 nm的可行波长范围。

CCD相机在阵列光纤将光束宽度减小40倍后，捕获长度小于3毫米的物体的图像。因此，在不需要宽视野的情况下忽略了失真。最后，一个大尺寸的高斯点被缩小，拍照，然后恢复以检查技术的准确性。然后将生成的图像与漫反射屏幕在精确轴向位置捕获的真实斑点之一进行对比。

测量的斑点与实际位置非常相似，其PIB曲线和谐，RMSE值为0.85%。此外，不到6毫米的样品分辨率，或约0.44毫米，将两个部位的直径分开了86.5%的PIB。在-6°~6°时只有2%和在-8°~8°处约5%的测量值变化。在功率密度分布中也看到了类似的模式。在这里，测量的PIB曲线和斑点的实际PIB曲线之间的RMSE在-6°~6°时小于1%，在-8°~8°时略低于2%。

研究的意义和发现

本研究提出了一种基于锥形排列阵列光纤集合的激光参数测量新方法。通过理论和实验研究建立并验证了计算校正和系统。

关于功率密度分布、质心抖动和质心位置，结果表明，测量的光斑与实际光斑非常接近。因此，它为精确估计激光参数奠定了基础。

CCD相机可以捕获较大的光斑，因为横截面光斑缩小并具有出色的保真度，从而防止了大视野产生的失真。此外，采样分辨率大于传统阵列目标，设计更灵活。

最后，允许的入射角范围是可以接受的。当光束的入射角在-8°和8°之间时，可以高精度地测量光斑的功率密度分布和总功率。

参考文献

Luo, J., Qin, L., Hou, Z., Zhang, S., Zhu, W., Guan, W. (2022) Study on Laser Parameter Measurement System Based on Cone-Arranged Fibers and CCD Camera. Sensors, 22(20), 7892. https://www.mdpi.com/1424-8220/22/20/7892/htm