基于MSP430F149的激光光斑自動測量實驗設計與實現(xiàn)

潘玉寨，李愛芝，孫正和，賈萬泉

（哈爾濱工業(yè)大學威海校區(qū)理學院光電科學系，山東威海 264209）

基于MSP430F149的激光光斑自動測量實驗設計與實現(xiàn)

潘玉寨，李愛芝，孫正和，賈萬泉

（哈爾濱工業(yè)大學威海校區(qū)理學院光電科學系，山東威海 264209）

設計了刀口法激光光斑自動測量系統(tǒng)，采用MSP430F149單片機控制步進電機帶動刀口自動掃描，同步采集光電探測器信號并傳入控制計算機，利用Lab VIEW語言開發(fā)“人機交互界面”，借助Matlab Script節(jié)點對數(shù)據(jù)進行分析得到光斑尺寸參量，實現(xiàn)了激光光斑尺寸的實時測量顯示和程序化處理.

激光光斑；刀口掃描法；MSP430F149單片機；Lab VIEW

1 引 言

激光設計及應用中對激光光束質(zhì)量（光斑半徑和發(fā)散角）的精確測量有著非常重要的意義［1］.在培養(yǎng)光電信息技術(shù)人才過程中，激光光斑尺寸的測量也是基礎性或設計性實踐教學內(nèi)容之一［2］.測量激光光束光斑尺寸的方法主要分為兩大類［3］，一類是采用傳統(tǒng)方法，用不透明物截斷光束，使其基橫模通過并觀察投射過去光束的總能量變化.如可變光闌法、刀口法等；另一類方法是基于CCD等探測器點陣的測量方法，這種方法在工業(yè)及其他領域應用較多，主要應用于遠場光斑的測量.各種測量方法中，對應光斑尺寸的定義不同，特別是存在高階模式的激光光束，存在較大的差別，但對于基橫模激光光束的分析，均具有較好的結(jié)果.

刀口掃描法是一種操作相對方便，費用低，可以在各個領域推廣普及的一種方法，是測量激光光束光斑尺寸常見方法之一［4-6］.然而，傳統(tǒng)的刀口掃描法采用手動操作，人工記錄數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)處理繁瑣.為了讓這一方法能夠得到更好的應用，并與其他專業(yè)知識結(jié)合，培養(yǎng)學生綜合實驗能力，設計自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了刀口自動掃描、數(shù)據(jù)實時采集處理和實驗結(jié)果實時顯示.通過使用高精度步進電機來帶動刀口掃描，減小手動操作帶來的誤差，采用高速16位MSP430F149單片機實現(xiàn)了步進電機精確控制及測量數(shù)據(jù)的高速傳輸和處理，使用Lab VIEW圖形化編程軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示記錄和保存，同時通過Matlab Script節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的后期處理和圖形的繪制擬合，縮短操作時間，提高測量效率，避免人工操作誤差，在一定程度上提高了測量的精度.

2 基本原理

2.1 激光光束的光斑半徑及發(fā)散角

He-Ne激光器輸出為基橫模高斯光束，如圖1（a）和（b）所示.激光束在垂直于z軸x-y平面上光強分布I（x，y）為

其中I0為光束截面上的中央最大光強，w稱為光斑半徑，定義為光強衰減到中央最大光強的1/e2的位置與z軸之間的距離，如圖1（c）所示.衡量光斑大小也常用半極大全寬度，定義為光強衰減到中央最大光強的一半的位置與z軸之間距離的2倍，稱之為半功率直徑，記為D1/2，它與w的關系為

激光光束的總功率為

根據(jù)激光傳輸特性，高斯光束的光斑尺寸呈雙曲線發(fā)散，遠場發(fā)散全角為雙曲線2條漸近線的夾角.通過雙曲線擬合可直接計算出激光光束的束腰半徑.由以上分析可知，光斑半徑測量是計算激光光束各參量的關鍵.

圖1 激光光束的基本特性示意圖

2.2 刀口掃描法測量原理

在激光光束的垂直截面上，采用刃口平直的刀口掃描光斑，刀口尺寸遠大于光束直徑，則不同面積的激光光斑照射進入光電探測器刀口固定于螺旋測微器上，記錄刀口的位置信息與光探測器探測到的光功率，作光功率隨刀口位移變化的分布曲線，從而找到激光光斑半徑.

刀口平行于y軸，沿平行于x軸方向移動，如圖2（a）和（b）所示.刀口遠離光束，此時光束全部進入光電探測器，測得激光束的總功率P0.當?shù)犊诰徛迫牍馐鴷r，未被刀口擋住的光功率P可用余誤差函數(shù)表示為

其中，erfc（x）函數(shù)為互補誤差函數(shù)，其數(shù)值可查表求得.式（4）歸一化后有：

其中，σ＝w/2是數(shù)理統(tǒng)計中的標準偏差.根據(jù)式（5）可作出相對功率與刀口位置關系曲線，如圖2（c）所示.通過查找erfc（x）函數(shù)表可知，當?shù)犊谡谧」馐芰康?.3%及97.7%的2個刀口位置間的距離為光斑直徑；刀口遮住光束能量的10%及90%兩個位置間的距離的1.56倍為光斑直徑，常稱為90/10刀口法［6］.考慮到若x1，x2的位置太靠近光斑邊沿，易引起較大測量誤差，在本設計中，采用了符合式（1）中光斑半徑定義的測量方法［5］，若測得相對功率為25%和75%的兩位置分別為x1和x2，其距離為：x2－x1＝0.674 5σ，可求得刀口位置處的光斑半徑w＝2.965 2（x2－x1）.

圖2 刀口掃描法測量原理示意圖

3 測量裝置的實驗設計

實驗裝置如圖3所示，高質(zhì)量刀口裝在移動精度0.02 mm的螺旋測微器上，螺旋測微器與步進電機固定，并保證中心軸一致，由步進電機帶動螺旋測微器旋鈕同步運動.步進電機為杰美康機電公司提供的86型兩相四線步進電機，同時借助與其匹配的2M542型驅(qū)動器，實現(xiàn)步進電機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，脈沖停止超過100 m/s，定位精度最高可達25 600步/轉(zhuǎn).電機的扭矩以及定位精度完全滿足實驗過程中對于精度的要求.光功率計采用硅光電探測器，置于刀口掃描裝置的后方，光電探測接收器采用直徑為25 mm的硅光電池.采用TI的MSP430F149單片機作為下位機，提供給步進電機驅(qū)動器控制信號.MSP430F149單片機同步采集硅光電池的電壓信號，將采集得到的數(shù)據(jù)通過串口傳入控制計算機，運行在控制計算機上的虛擬儀器——“人機交互界面”是利用NI公司提供的Lab VIEW圖形編程語言開發(fā)的，同時借助Matlab Script節(jié)點對數(shù)據(jù)進行分析得到激光的光束參量.在控制計算機上顯示測量數(shù)據(jù)及最終得到的光斑半徑數(shù)值.

圖3 刀口掃描法激光光斑自動測量系統(tǒng)示意圖

MSP430F149是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶Flash的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞.MSP430F149具有豐富的片上功能模塊，方便用戶實現(xiàn)各種功能，同時充足的I/O接口，可以滿足用戶的各種需求.Flash型MSP430F149開發(fā)板具有豐富的片上外圍模塊，可在線對單片機進行調(diào)試和下載，而且可以在超低功耗模式下工作，可靠性能好，適應工業(yè)級的運行環(huán)境.另外由于MSP430F系列單片機具有非常強的處理能力，因此非常適合對處理速度要求比較高的嵌入式系統(tǒng)［7-8］.

Lab VIEW是美國國家儀器公司（簡稱NI）推出的一款圖形化語言界面軟件開發(fā)環(huán)境［9］，是虛擬儀器開發(fā)過程中最具代表性的圖形化編程語言，可在控制計算機屏幕上顯示與實際硬件儀器相似的操作面板，是目前國際上應用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一.除此之外，Lab VIEW易與各種硬件集成，適用于開發(fā)各種控制系統(tǒng).除工業(yè)自動化、信息數(shù)據(jù)處理檢測等領域應用外，是一種實驗儀器設備開發(fā)、大學生創(chuàng)新設計方面常用工具，已經(jīng)在高校各類基礎或設計性實驗中得到了廣泛應用［10-12］.

3.1 下位機系統(tǒng)程序設計

針對MSP430F149單片機，在IAR Embedded Workbench for MSP430 V4.20開發(fā)環(huán)境下進行程序開發(fā)及調(diào)試.下位機共包括MSP430F149單片機、串口以及步進電機在內(nèi)的三大部分.程序設計包括以下幾部分：

1）系統(tǒng)的初始化，包括單片機系統(tǒng)時鐘初始化，I/O引腳的初始化，AD轉(zhuǎn)換部分的初始化，串口的初始化以及步進電機驅(qū)動器的初始化.在設計中，應用RS232實現(xiàn)單片機與PC之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，選定串口波特率為32 k/9 600，數(shù)據(jù)長度為8位，1位停止位，無奇偶校驗位；

2）步進電機的控制，主要實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速控制；

3）數(shù)據(jù)的采集處理，主要借助硅光電池作為信號檢測器，單片機對采集到的模擬信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化.除去硬件AD轉(zhuǎn)換以外為使得數(shù)據(jù)更加準確，在設計過程中，對采集到的信號進行了平滑濾波.

4）串口通信程序設計.串口通信程序模塊是實現(xiàn)單片機與控制計算機之間的數(shù)據(jù)收發(fā).

圖4（a）給出了下位機程序流程圖.

3.2 上位機程序設計

基于虛擬儀器軟件Lab VIEW開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)了上位機的程序設計，程序設計包括以下幾部分：

1）對使用函數(shù)初始化；

圖4 程序流程圖

2）串口通信區(qū)域程序設計.包括串口設置、串口打開、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)寫入、串口關閉，通過Read函數(shù)將下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)從串口以字符串的形式讀出，然后將數(shù)據(jù)組建成數(shù)組二維數(shù)組，分別存放在數(shù)據(jù)采集控件和波形圖中.在采集數(shù)據(jù)控件顯示采集到的所有數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)采集完成后可以把數(shù)據(jù)存儲成文件，方便后續(xù)處理.

3）數(shù)據(jù)的分析與計算.選用Matlab Script的方法來對數(shù)據(jù)進行后期處理.數(shù)據(jù)的處理過程主要是數(shù)據(jù)擬合，尋找光強最大值以及75%和25%處的坐標位置，根據(jù)理論公式計算出光斑半徑和功率半徑，并顯示于相應控件.圖4（b）中給出了上位機程序流程圖，圖5給出該系統(tǒng)的主界面.主要有曲線實時顯示區(qū)、串口設置區(qū)、寫入命令區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、存儲設置區(qū)以及分析結(jié)果顯示區(qū)等.

圖5 自動測量系統(tǒng)的主控界面

4 光斑參量的實驗測試與分析

對自動測量系統(tǒng)硬件高度完成之后，在實驗室對氦氖激光器的光斑尺寸進行了測試.測試之前氦氖激光器通電工作約0.5 h，保證激光穩(wěn)定工作，測試時激光器按圖3所示擺放，并通過調(diào)整架使激光束垂直入射刀口平面及光功率計平面，每次重復測量次數(shù)為3次.實驗中刀口離激光器輸出鏡面距離為22 cm，在該距離下，實驗測試過程中沒有發(fā)現(xiàn)激光光斑超出光功率計內(nèi)光電探測器表面.實驗過程中程序前面板顯示如圖5所示，圖中數(shù)據(jù)是未歸一化前某次實測電壓值.通過計算得到的激光參量為：激光光斑半徑w＝0.859 5 mm；半功率直徑D1/2＝1.012 4 mm.

為了驗證自動測量系統(tǒng)的準確性，在同一位置換上手動刀口掃描裝置，用同一光電探測器進行手動測量，手動實驗測得的數(shù)據(jù)計算得到的激光參量為：激光光斑半徑w＝0.848 4 mm；半功率直徑D1/2＝0.997 1 mm.2種方法測量結(jié)果偏差較小.自動與手動掃描法測量結(jié)果顯示在圖6中，由圖中可見，刀口掃描自動測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定.多次測量結(jié)果顯示穩(wěn)定性遠高于手動測量，其原因是自動測量避免了手動調(diào)節(jié)時的移動誤差、讀數(shù)誤差等.

圖6 刀口掃描法自動與手動測量結(jié)果

通過上述對系統(tǒng)測試結(jié)果與手動實驗結(jié)果進行比較，可判斷出設計并實現(xiàn)的自動測量系統(tǒng)能準確的測量激光光束光斑半徑，省時方便，形象直觀，準確性及穩(wěn)定性高.滿足實際應用要求，可用于物理及光學類激光相關實驗.目前該測量系統(tǒng)較為簡單，通過進一步的工作，可實現(xiàn)以下功能：

1）增加等時間間隔定時測量記錄激光功率，可實現(xiàn)激光功率穩(wěn)定性的測量；

2）在刀口掃描裝置上增加沿激光束傳播方向的移動控制平臺，自動測量不同位置處激光光斑半徑，可進一步計算激光發(fā)散角和束腰半徑.

在實際測量過程中發(fā)現(xiàn)，測量結(jié)果具有一定的隨機性，即使同樣測試條件下重復多次測量，所得數(shù)據(jù)值并不完全相同，雖然光電探測器前端套筒避免了部分背景光影響，但空氣波動等因素的存在仍影響測量結(jié)果，因此在測量過程中，采用了平滑濾波處理，降低各種外界因素對測試結(jié)果的影響.另外，自動測量系統(tǒng)本身因電機轉(zhuǎn)動、刀口移動時穩(wěn)定性、螺旋測量器與電機的不同軸等也使測量結(jié)果存在一定的誤差.

5 結(jié)束語

針對手動刀口掃描法測量激光光斑尺寸的實驗方法進行了改進，設計了自動測量系統(tǒng).采用了MSP43F149單片機作為下位機控制步進電機實現(xiàn)刀口自動掃描，同步采集光電探測器信號，利用Lab VIEW語言開發(fā)程序界面，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)收發(fā)及保存，借助Matlab Script節(jié)點對數(shù)據(jù)分析得到激光光斑尺寸參量，實現(xiàn)激光光斑尺寸測量的程序化、信息化和自動化.通過進一步設計，還可實現(xiàn)激光功率穩(wěn)定性及光束發(fā)散角的自動測量.

［1］ Sirohi R S.A course of experiments with He-Ne laser［M］.2ndEdition.New Delhi：New Age International Ltd.，1991：7-11.

［2］ 王澤斌，黃佐華.套孔法測量激光光束光斑半徑方法探討［J］.物理實驗，2012，32（12）：33-35，38.

［3］ ISO/TR11146-3 2004，Test methods for laser beam widths，divergence angles and beam propagation ratios-Part 3：Intrinsic and geometrical laser beam classification，propagation and details of test methods［S］.

［4］ 楊楓，孔憲生.用刀口法測量氦氖激光基橫模［J］.大學物理，1998，17（11）：25-26.

［5］ 高源，樊仲維，余錦，等.刀口法測平頂光斑和高斯光斑半徑的新算法［J］.激光技術(shù)，2013，37（2）：261-264.

［6］ 樊心民，鄭義，王冠軍，等.90/10刀口法測量高斯激光光束束腰的兩種計算方法［J］.應用激光，2008，28（2）：139-141.

［7］ 秦龍.MSP430單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［8］ 孫敬姝，李蕊，李志有，等.基于MSP430單片機的自動灌溉演示裝置［J］.物理實驗，2012，32（1）：15-17.

［9］ 楊樂平，李海濤，楊磊.Lab VIEW程序設計與應用［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［10］ 凡時財，李星曄，鄒見效.虛擬儀器測試平臺的設計及教學應用［J］.實驗科學與技術(shù)，2012，10（3）：8-11.

［11］ 趙佳，劉蘊紅.基于Lab VIEW和FPGA的慢光效應實驗系統(tǒng)［J］.物理實驗，2012，32（3）：9-11，28.

［12］ 管婉青，郭明俊，劉堯，等.基于Lab VIEW的聲速測量系統(tǒng)研究聲速與溫濕度的關系［J］.物理實驗，2013，33（8）：7-9，14.

［責任編輯：郭 偉］

Auto-measuring system of laser beam width based on knife-edge method and MSP430 MCU

PAN Yu-zhai，LI Ai-zhi，SUN Zheng-he，JIA Wan-quan
（Department of Optoelectronics Science，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China）

The design and realization of an auto-measuring system of laser beam width based on knife-edge method and MSP430F149 MCU were presented.The MSP430F149 MCU was utilized to push and pull the knife automatically.The signal of the photoelectric detector was synchronously acquired and transferred to the control computer.The human-computer interface was realized using Lab-VIEW，the laser beam width was subsequently obtained and analyzed with the aid of Matlab Script nodes.The real-time display，measurement and programmatically processing of laser beam width had been realized.

laser beam width；knife-edge method；MSP430F149 MCU；Lab VIEW

TN247；O4-39

A

1005-4642（2014）10-0032-06

2014-05-30；修改日期：2014-07-09

哈工大研究生教改研究項目（No.JGYJ-201436）；威海校區(qū)大物實驗教學與創(chuàng)新項目（No.IMIQ10110010）

潘玉寨（1976－），男，山東濟寧人，哈爾濱工業(yè)大學威海校區(qū)理學院光電科學系副教授，博士，研究方向為激光技術(shù)及應用.

孫正和（1960－），男，山東即墨人，哈爾濱工業(yè)大學威海校區(qū)理學院光電科學系副教授，碩士，研究方向為大學物理實驗教學、激光技術(shù)及應用.