技术领域
[0001] 本
发明涉及计算机辅助测量领域，特别涉及一种脉冲激光束腰半径的测定装置及方法。
背景技术
[0002] 激光在近代医学上被誉为分析细胞学最先进的仪器，脉冲激光在激光组织加工、
光声成像、细胞和
生物组织微纳米手术及眼科屈光手术等生物医学
光子学领域得到越来越广泛的应用。其中激光束腰半径作为衡量脉冲激光强度及剂量的重要参数，其测量的准确性及可靠性直接影响激光技术在生物医学领域的应用。
[0003] 现有的测量方法及装置的基本原理是在激光传输方向上不同
位置测量光斑横截面的光学参数(如光斑半径、光强分布)，然后根据高斯光束的自由传输特性，推解出束腰半径。这种测量过程涉及多个空间位点，测量过程繁琐，测量速度慢，测量过程中容易引入误差。此外，光束
质量分析装置价格昂贵，且其对于高斯光束束腰半径测量的空间
分辨率受限于其内置的感光器件的像元大小，对不同激光
光源的测量精确度不一。上述测量方法更适用于测量时间
稳定性较好的气体激光参数，如He-Ne激光，难以精确应用或无法应用至非连续的脉冲激光的光学测量，而生物医学领域广泛应用的激光多为脉冲型激光。
发明内容
[0004] 本发明旨在至少解决
现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种脉冲激光束腰半径的测定装置，实现简单，能够精确测量脉冲激光的束腰半径。
[0005] 本发明还提出一种使用上述脉冲激光束腰半径的测定装置的脉冲激光束腰半径的测定方法。
[0006] 根据本发明的第一方面
实施例的脉冲激光束腰半径的测定装置，包括：光偏转发生装置，用于诱发待测脉冲激光在聚焦点光致击穿产生
空化气泡导致光偏转，包括激光调整装置、标定液样品池和光偏转提取装置，其中所述激光调整装置包括气体连续
激光器、第一二向色镜及第一透镜，所述第一二向色镜设置于所述气体连续激光器发出的激光及待测脉冲激光传播路径的交叉点上，所述第一透镜设置于第一二向色镜与所述标定液样品池之间；所述光偏转提取装置，设置于所述标定液样品池外，包括依次设置的第二透镜，第二二向色镜及第三透镜；
信号采集装置，用于通过光电
二极管采集所述气体连续激光器发出的激光束的光偏转信号；计算单元，用于预设束腰半径值对所述空化气泡导致的光偏转进行仿真，与所述光偏转信号的特征进行比对，得出所述待测脉冲激光束的束腰半径。
[0007] 根据本发明实施例的脉冲激光束腰半径的测定装置，至少具有如下有益效果：测量过程简单，无需昂贵设备，仅需气体连续激光器发出的激光作探测光束，通过采集空化气泡导致的光偏转信号，利用计算机仿真比对特征，能够精确地测量出脉冲激光的束腰半径，从而保证了医疗用激光设备稳定有效地工作。
[0008] 根据本发明的一些实施例，所述计算单元包括：采集分析模
块，用于对采集到的光偏转信号进行分析，记录光偏转信号
波形的轮廓特征及偏转时间，并根据所述偏转时间计算出所述空化气泡的变化特征；仿真模块，用于根据所述空化气泡的变化特征，预设束腰半径值进行光偏转仿真，得到仿真波形；特征比对模块，用于判断所述仿真波形的所述轮廓特征是否与所述光偏转信号波形的所述轮廓特征相符，得出所述待测脉冲激光束的束腰半径。根据采集计算出的空化气泡的变化特征进行仿真，可以减少计算量，加快仿真逼进实际结果的速度。
[0009] 根据本发明的第二方面实施例的脉冲激光束腰半径的测定方法，包括以下步骤：S100,待测脉冲激光束及气体连续激光器发出的激光束同轴共焦点地聚焦到标定液样品池，调整所述待测脉冲激光束的剂量诱发聚焦点光致击穿产生空化气泡；S200，通过
光电二极管采集所述气体连续激光器发出的激光束经过所述空化气泡后的光偏转信号；S300，预设束腰半径值对所述空化气泡导致的光偏转进行仿真，与所述光偏转信号的特征进行比对，得出所述待测脉冲激光束的束腰半径。
[0010] 根据本发明实施例的脉冲激光束腰半径的测定方法，至少具有如下有益效果：测量过程简单，无需昂贵设备，仅需气体连续激光器发出的激光作探测光束，通过采集空化气泡导致的光偏转信号，利用计算机仿真比对特征，能够精确地测量出脉冲激光的束腰半径，进而保证了医疗用激光设备稳定有效地工作。
[0011] 根据本发明的一些实施例，所述步骤S300包括：S310，对所述光偏转信号进行分析，记录光偏转信号波形的轮廓特征及偏转时间，并根据所述偏转时间计算出所述空化气泡的变化特征；S320，根据所述空化气泡的变化特征，预设束腰半径值进行光偏转仿真，得到仿真波形；S330，比对所述仿真波形及所述光偏转信号波形的所述轮廓特征及所述偏转时间，得出所述待测脉冲激光束的束腰半径。根据空化气泡的变化特征进行仿真，有针对性的进行仿真，减少计算量。
[0012] 根据本发明的一些实施例，所述步骤S310包括：S311，对所述光偏转信号进行分析，记录所述光偏转信号波形的所述轮廓特征及所述偏转时间Tosc；S312,判断所述光偏转信号波形是否出现多个连续极值点；S313，若出现多个连续极值点，则根据Gilmore动
力学方程，通过Tosc求出空化气泡的最大半径Rmax及空化气泡尺寸随时间的变化规律。通过包括多个连续极值点(即平台期)作为光偏转信号波形特征比对，可减少测量误差简化操作。
[0013] 根据本发明的一些实施例，所述光偏转仿真的方法为：根据GLMT理论，仿真预设束腰半径为w0的激光在所述空化气泡运动过程中光偏转信号的波形轮廓，其中所述空化气泡的最大半径为Rmax且尺寸随时间的变化规律与所述步骤S313得出的结果相符。通过预设值及空化气泡的特征进行仿真，仿真得到的波形部分特征，如偏转时间会与采集光偏转波形一致。
[0014] 根据本发明的一些实施例，所述步骤S330包括：S331，判断所述仿真波形是否出现多个连续极值点；S332，若存在，则记录当前预设束腰半径w0为仿真预估束腰半径；若不存在，则调整w0返回所述步骤S320；S333，根据计算公式得出所述待测脉冲激光的束腰半径，所述计算公式为：脉冲激光的束腰半径＝仿真预估束腰半径×波正系数，其中波正系数为
脉冲激光器波长与气体连续激光器波长的比率。调整直至仿真波形出现平台期，使得仿真波形出现采集光偏转信号波形的特征，进而逼近真实的脉冲激光束腰半径。
[0015] 根据本发明的一些实施例，所述标定液为
电阻不小于10M欧姆的超纯
水。该标定液有利于因光致击穿导致稳定的空化气泡产生。
附图说明
[0016] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0017] 图1为本发明的实施例的装置的整体结构示意图；
[0018] 图2为光偏转信号检测原理示意图；
[0019] 图3为光偏转信号与空化气泡尺寸之间变化关系的示意图；
[0020] 图4为本发明实施例的装置的计算单元的模块示意图；
[0021] 图5为本发明的实施例的方法主要步骤
流程图；
[0022] 图6为本发明的实施例中的光偏转波形的特征平台期的示意图；
[0023] 图7为本发明的实施例的方法的详细步骤流程图。
[0024] 附图标记：
[0025] 光偏转发生装置100、信号采集装置200、计算单元300、激光调整装置110、标定液样品池120、光偏转提取装置130、气体连续激光器111、第一二向色镜112、第一透镜113、第二透镜131、第二二向色镜132、第三透镜133、采集分析模块310、仿真模块320、特征对比模块330。
具体实施方式
[0026] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0027] 在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0028] 名词解释：
[0029] Gilmore动力学方程：一种空化气泡动力学方程，可以求得空化气泡在运动过程中的最大半径及尺寸变化规律。
[0030] GLMT理论，Generalized Lorenz-Mie Theories，又称广义米氏理论，根据GLMT理论仿真波形的参考文献见：
[0031] 1“.Generalized Lorenz–Mie theories and description of electromagnetic arbitrary shaped beams:Localized approximations and localized beam models,a review”，Journal of Quantitative Spectroscopy&Radiative Transfer 112(2011)1–27；
[0032] 2“.Eigenfunction solution of the scattering of beam radiation fields by spherical objects”，JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICAVOLUME 65，NUMBER 12DECEMBER 1975。
[0033] 参照图1，本发明的实施例的装置包括：光偏转发生装置100、信号采集装置200及计算单元300。其中，光偏转发生装置100用于产生光偏转信号，包括：激光调整装110、标定液样品池120及光偏转提取装置130。激光调整装置110包括气体连续激光器111、第一二向色镜112、第一透镜113。气体连续激光器111发出的激光作为探测激光，第一二向色镜112设置于气体连续激光器111发出的激光及待测脉冲激光传播路径的交叉点上。探测激光及待测脉冲激光经过第一二向色镜112后，沿同一方向发射，再由第一透镜113聚焦到标定液样品池120。调整第一二向色镜112及第一透镜113，可以使探测激光及待测脉冲激光同轴共焦点地聚焦到标定液样品池120。第一透镜113可以是高倍物镜。标定液样品池120中的标定液为电阻不小于10M欧姆的超纯水。光偏转提取装置130包括第二透镜131、第二二向色镜132、第三透镜133，依次设置在探测激光传播的路径上。第二透镜131用于对聚焦后的探测激光及待测试脉冲激光进行扩束，第二二向色镜132用于将扩束后的探测激光及待测试脉冲激光进行分束得到探测激光，第三透镜133用于将分束后的探测激光聚焦到采集装置200上。采集装置200用于通过光电二极管采集气体连续激光器111发出的激光束的光偏转信号。计算单元300，用于预设束腰半径值对空化气泡导致的光偏转进行仿真，与光偏转信号的特征进行比对，得出待测脉冲激光束的束腰半径。
[0034] 在本发明的实施例的装置中，调整待测脉冲激光的剂量，诱导标定液发生光致击穿效应，产生空化气泡(即
空泡)，使得标定液局部区域产生一个折射率不均匀的梯度场。探测激光经过此标定液时，传播路径发生偏转，偏转信号可被光电二极管接收到，参见图2。空化气泡未产生时，探测激光不发生偏转，当空化气泡处于膨胀阶段，随着空化气泡尺寸增加，探测激光光偏转偏转增强，采集到的偏转信号降低，参见图3，即信号远离初始基线位置；当空化气泡处于坍缩阶段时，空化气泡半径减小，探测激光光偏转减弱，采集到的偏转信号增强，参见图3，即信号逼近初始基线位置。
[0035] 在本发明的实施例的装置中，计算单元300包括：采集分析模块310，用于对采集到的光偏转信号进行分析，记录光偏转信号波形的轮廓特征及偏转时间，并根据偏转时间计算出空化气泡的变化特征；仿真模块320，用于根据空化气泡的变化特征，预设束腰半径值进行光偏转仿真，得到仿真波形；特征对比模块330，用于判断仿真波形的轮廓特征是否与光偏转信号波形的轮廓特征相符，得出待测脉冲激光束的束腰半径。
[0036] 参照图5，本发明的实施例的方法步骤包括：S100,待测脉冲激光束及气体连续激光器发出的激光束同轴共焦点地聚焦到标定液样品池，调整待测脉冲激光剂量诱发聚焦点光致击穿产生空化气泡；S200，通过光电二极管采集气体连续激光器发出的激光束经过空化气泡后的光偏转信号；S300，预设束腰半径值对空化气泡导致的光偏转进行仿真，与光偏转信号的特征进行比对，得出待测脉冲激光束的束腰半径。
[0037] 本发明的实施例中，步骤S300由计算单元300来完成，参见图7，包括：S310，对采集光偏转信号进行分析，记录采集光偏转信号波形的轮廓特征及偏转时间，并根据偏转时间计算出空化气泡的变化特征；S320，根据空化气泡的变化特征，预设束腰半径值进行光偏转仿真，得到仿真波形；S330，比对仿真波形及采集光偏转信号波形的轮廓特征及偏转时间，得出待测脉冲激光束的束腰半径。
[0038] 图7为本发明的实施例的方法的详细步骤。首先，将待测脉冲激光束及气体连续激光器发出的激光束同轴共焦点地聚焦到标定液样品池，调整待测脉冲激光剂量诱发聚焦点光致击穿产生空化气泡。具体操作方法，参见图1，待测脉冲激光器发射出来的激光经第一二向色镜112偏转，改变传输方向后，再经第一透镜113聚焦到装载标定液样品池120中，此聚焦后的光束作为待测脉冲高斯型光束，待测激光参数为光束参数束腰半径。其中，标定液选择电阻不小于10M欧姆的超纯水。气体连续激光器111发出的激光作为探测光束，经第一二向色镜112后，经第一透镜113聚焦到标定液样品池120，调整气体激光器使得其发射出的激光束与脉冲激光同轴共焦点。调整待测脉冲激光器发射的脉冲激光剂量，使其诱导聚焦点产生光致击穿，并产生空化气泡，产生的空化气泡使得气体连续激光发生光偏转。待测脉冲激光经由第二透镜131、第二二向色镜132后，被分束偏转向其它方面；而气体连续激光的光偏转信号则经由第二透镜131、第二二向色镜132后，再经第三透镜133聚焦到采集装置200。
[0039] 接着，采集装置200通过宽频光电二极管009对光偏转信号进行采集，并传送至计算单元300。计算单元300可以是装载有PCI
数据采集卡的计算机。若采集装置200未采集到光偏转信号，则可能是脉冲激光剂量不足以诱发光致击穿现象，无空化气泡产生；此时，返回步骤S100，重新调整脉冲激光剂量。
[0040] 计算单元300接收到采集装置200发送的数据后，首先，对采集光偏转信号进行分析，记录采集光偏转信号波形的轮廓特征及偏转时间，并根据偏转时间计算出空化气泡的变化特征。在本发明的实施例中，光偏转信号波形的轮廓特征为平台期，参见附图6，若在偏转时间Tosc内出现多个连续极值点(在图6中表现为波谷中的多个连续极值点)，则认为波形出现平台期。参见图7，判断记录的波形信号是否出现多个连续极值点(即平台期)。如果出现平台期，采用Gilmore动力学方程，通过偏转信号的时间求出空化气泡在整个动力学过程中的最大半径Rmax及空化气泡尺寸随时间的变化规律。Gilmore动力学方程为：
[0041]
[0042] 其中，H表征泡壁处的
焓差，C表示泡壁处声速，R表示空化气泡随时间变化时所对应的半径， 为空化气泡壁的速度； 为泡壁
加速度。通过该动力学方程能准确有效的计算出空化气泡的变化特征。若光偏转信号波形未出现多个连续极值点，则调整脉冲激光入射剂量。
[0043] 然后，计算单元300将上述得出的空化气泡的变化特征，包括：最大半径Rmax及空化气泡尺寸在偏转时间Tosc随时间的变化规律作为参数输入，根据广义米氏理论(GMLT)仿真预设束腰半径为w0的激光在空化气泡中的光偏转信号波形。w0初始设置可以为Rmax。
[0044] 最后，计算单元提取仿真波形的轮廓特征与采集光偏转波形进行比对，得出脉冲激光的束腰半径。参见图7，具体为：判断仿真波形在偏转时间Tosc内是否出现多个连续极值点(即平台期)。若未出现平台期，则调整预设束腰半径w0的值，返回S320重新进行仿真。若出现平台期，则记录当前预设束腰半径w0的值为预估束腰半径；并通过公式:脉冲激光的束腰半径＝仿真预估束腰半径×波正系数，得出待测脉冲激光的束腰半径，其中，波正系数为脉冲激光器波长与气体连续激光器波长的比率。
[0045] 上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
