激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)的研究

趙儒桐，劉鵬，王曉曼

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)的研究

趙儒桐1，劉鵬2，王曉曼1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

為適應(yīng)社會(huì)對(duì)高質(zhì)量激光器的需求，提高光束質(zhì)量的前提是能獲得其準(zhǔn)確的性能參數(shù)。設(shè)計(jì)了一款基于機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電子學(xué)系統(tǒng)組成的M2因子光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)。其創(chuàng)新點(diǎn)在于系統(tǒng)的智能化。系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制整個(gè)平臺(tái)使得CCD相機(jī)采集到多點(diǎn)的激光切片圖像，完成圖像的采集后傳輸給計(jì)算機(jī)，由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與算法分析，最終會(huì)在上位機(jī)中看到激光的光強(qiáng)分布圖及處理結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以對(duì)200～1300nm范圍內(nèi)的激光光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量鑒定，進(jìn)而對(duì)提高光束質(zhì)量提供可靠依據(jù)。

激光器；M2；步進(jìn)電機(jī)；CCD

伴隨技術(shù)領(lǐng)域的不斷前進(jìn)，特別是激光在通信、加工、測(cè)試等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，社會(huì)對(duì)激光測(cè)試的市場(chǎng)需求提出其定量、快速、綜合評(píng)價(jià)的性能參數(shù)的要求。因此，要研究和應(yīng)用激光就必須能夠?qū)す獾奶匦詤?shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量［1］。

鑒于目前在各領(lǐng)域中對(duì)激光器的光束質(zhì)量要求越來(lái)越高，因此迫切生產(chǎn)能輸出高質(zhì)量激光的激光器。但若要提高激光光束質(zhì)量，首先必須能準(zhǔn)確測(cè)量光束性能參數(shù)，其次對(duì)測(cè)量結(jié)果給予綜合性的分析和評(píng)價(jià)，所以對(duì)激光檢測(cè)儀器提出了更高的要求。而激光的光束質(zhì)量是最能全面反映激光系統(tǒng)整體使用效果的重要技術(shù)指標(biāo)，它的好壞直接影響著光束傳輸能力，同時(shí)代表著在同樣激光功率或能量情況下激光作用效果的好壞，并在激光裝備、激光加工、激光檢測(cè)等眾多領(lǐng)域中起著決定性的作用［2］。本系統(tǒng)采用M2因子法對(duì)激光光束質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。其主要由衰減片組、連續(xù)衰減片輪盤、兩對(duì)成45度夾角的反射鏡、無(wú)像差透鏡、CCD相機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等組成。

圖1 系統(tǒng)框圖

由激光器產(chǎn)生激光進(jìn)入衰減組，衰減組是外置的，可以通過更換不同參數(shù)的衰減組片或者增加減少衰減片組的數(shù)量使得激光光束的能量衰減到要求的范圍內(nèi)。經(jīng)過衰減后的激光光束通過一對(duì)45度全反射鏡進(jìn)入到無(wú)相差透鏡中。

1.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)如圖2所示，主要由絲杠和步進(jìn)電機(jī)組成。

步進(jìn)電機(jī)1控制衰減輪組A，B輪正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，通過不同的衰減組合，對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)整，從而使光斑達(dá)到可測(cè)的光強(qiáng)范圍內(nèi)。步進(jìn)電機(jī)2控制絲杠前進(jìn)或者后退，以便于在光程的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之間采集光斑圖像。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)框架

1.3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光束質(zhì)量測(cè)量的光學(xué)系統(tǒng)組成如圖3所示。主要包括固定倍率衰減光學(xué)系統(tǒng)、自動(dòng)變倍率濾光衰減光學(xué)系統(tǒng)、聚焦光學(xué)系統(tǒng)和反射光學(xué)系統(tǒng)等。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)

被測(cè)激光束經(jīng)過衰減系統(tǒng)多次衰減后被聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦，從而產(chǎn)生新的光束束腰，反射光學(xué)系統(tǒng)將入射光束反射給CCD相機(jī)接收，鑒于不同位置光斑大小不同，為了使CCD相機(jī)探測(cè)面檢測(cè)的光的強(qiáng)度合適且不飽和，采用自動(dòng)變倍率濾光衰減系統(tǒng)對(duì)光束進(jìn)行衰減，并實(shí)現(xiàn)對(duì)外界雜散光進(jìn)行消除。

1.4 電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子學(xué)系統(tǒng)主要包括CCD相機(jī)和采集卡。其中CCD相機(jī)負(fù)責(zé)探測(cè)激光光斑；數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)采集圖像數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī)進(jìn)行顯示處理［3］。由于激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)激光的光譜響應(yīng)范圍要求比較大，光譜響應(yīng)范圍為266～1300nm，可以同時(shí)對(duì)可見光波段和紅外波段的激光器進(jìn)行激光光束質(zhì)量的測(cè)量，這就對(duì)相機(jī)提出了更高的要求；此外，當(dāng)入射光場(chǎng)的光斑太大或太小時(shí)，需選用合適的光學(xué)變換系統(tǒng)對(duì)入射光場(chǎng)進(jìn)行光束變換，使變換后的光斑半徑與面陣CCD探測(cè)器的接收面較為匹配。

面陣CCD相機(jī)是測(cè)量激光光束質(zhì)量的核心部件，其性能決定著整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，基于以上的需求，應(yīng)該合理地選擇相機(jī)，綜合考慮，相機(jī)的選擇應(yīng)考慮以下幾方面：1）高分辨率；2）低噪聲；3）光譜響應(yīng)范圍。對(duì)相機(jī)而言，相機(jī)分辨率越高，所選擇的面陣CCD相機(jī)的像元數(shù)足夠多；其次系統(tǒng)中主要考慮相機(jī)的熱噪聲、暗電流噪聲，要求選擇低噪聲、暗電流小的CCD相機(jī)；最后本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求光譜范圍在200～1300nm，選擇CCD時(shí)要考慮相機(jī)在此波段要有響應(yīng)且響應(yīng)度盡可能高。

2 實(shí)現(xiàn)原理及測(cè)量方法

2.1 對(duì)光路原理

在對(duì)激光光束質(zhì)量測(cè)量之前，首先應(yīng)該做的是搭建好外部光路，如圖4所示應(yīng)該保證以下幾點(diǎn)：

A）保證激光器入射點(diǎn)、反光鏡和測(cè)量系統(tǒng)中的透鏡中心應(yīng)大致保持在同一水平高度。

B）從近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)，保證激光光斑的束腰能出現(xiàn)在CCD視場(chǎng)中。

C）保證激光傳播路徑上不同位置處的光斑圖像在CCD視場(chǎng)中的位置保持不變。

對(duì)光路的方法：

（近場(chǎng)-----＞遠(yuǎn)場(chǎng)）

上下偏：近端的反光鏡往上（下）調(diào)，遠(yuǎn)端的反光鏡往下（上）補(bǔ)，并補(bǔ)回到原來(lái)位置，根據(jù)偏移幅度，調(diào)節(jié)反光鏡的偏移幅度大?。?/p>

左右偏：如果光斑往左（右）偏移過大，直接調(diào)節(jié)遠(yuǎn)端的反光鏡往左（右）偏移；當(dāng)光斑小范圍左右偏移時(shí)，光斑往左（右）偏，則調(diào)節(jié)近端的反光鏡往左（右）調(diào)，然后調(diào)節(jié)遠(yuǎn)端的反光鏡往右（左）補(bǔ)回到原先位置處。

圖4 調(diào)校光路

2.2 透鏡變換原理

2.2.1 光束質(zhì)量測(cè)量參數(shù)M2

M2既能反映激光的近場(chǎng)特性（光束束腰），還代表激光的遠(yuǎn)場(chǎng)特性（發(fā)散角），可以綜合描述光束的質(zhì)量，并且有通過理想介質(zhì)傳輸變換時(shí)不變的重要性質(zhì)[4]。它克服了常用的激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)的局限。實(shí)際光束的X方向束腰位置和Y方向束腰位置大多在不同位置，X方向上的發(fā)散角和Y方向上的發(fā)散角也大小不同，所以光束質(zhì)量因子M2分為和：

M2因子的測(cè)量實(shí)質(zhì)上時(shí)通過測(cè)量束寬擬合對(duì)激光光束質(zhì)量因子M2的測(cè)量，可以歸結(jié)為束腰寬度和光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的測(cè)量［5］。M2因子可以很好地代表光束質(zhì)量的優(yōu)劣，比值為1只存在于理論上的理想高斯光束，結(jié)果越接近1，說明質(zhì)量越好，實(shí)際中測(cè)量值一般大于1。

2.2.2 束寬積BPP

由于不同的激光器，束腰位置可能在激光器的腔內(nèi)、輸出鏡處或腔外，因此，為方便測(cè)量，根據(jù)拉赫不變量，高斯光束經(jīng)過理想光學(xué)系統(tǒng)后束寬積是常數(shù)，所以，可以采用透鏡變換法進(jìn)行測(cè)量，變換原理如圖5所示。

其中，D0表示實(shí)際束腰寬度，θ為實(shí)際發(fā)散角，為人造束腰，θ'為人造發(fā)散角。

圖5 透鏡變換原理

2.3 核心算法-切片法

利用CCD相機(jī)對(duì)激光傳播路徑上不同位置橫截面的光束進(jìn)行采樣，采集不同位置的光斑圖像，利用這些光斑圖像計(jì)算出不同位置的光斑直徑，將光斑直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行雙曲線擬合得到激光光束的傳播曲線，這樣便可以計(jì)算出激光光束的束腰半徑和發(fā)散角，進(jìn)而計(jì)算出光束質(zhì)量M2因子［6］。

由于激光在傳播方向光束束寬以雙曲線形式變化，因此可在傳播方向的Z軸上測(cè)量不同位置的束寬D(z)，然后通過測(cè)量的數(shù)據(jù)擬合雙曲線模型求解光束束腰位置z0和D(z)，ISO推薦的雙曲線模型擬合公式為D(z)=Az2+Bz+C

如圖6所示，不同位置采到的光斑計(jì)算出不同位置的光斑直徑即得到一組（z，D(z)）的數(shù)據(jù)。這樣利用下面的曲線擬合公式就可以得到人工光束的相關(guān)參數(shù)［7］。

圖6 激光光斑分布圖

確定系數(shù)A，B，C后，經(jīng)過透鏡后的人造光束的光束質(zhì)量測(cè)量參數(shù)可由下面公式確定：

束腰位置：

束腰寬度：

遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角：

瑞利長(zhǎng)度：

因子：

經(jīng)過透視變換后，可以根據(jù)透鏡后的測(cè)量參數(shù)反推出透鏡前的真實(shí)激光光束的光束質(zhì)量參數(shù)，從而獲得激光光束質(zhì)量的參數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

激光測(cè)量系統(tǒng)的軟件整體組成如圖7所示。

圖7 激光測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)架

主要包含系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，USB通信模塊，文件管理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，圖像顯示模塊，圖像預(yù)處理模塊，算法分析模塊，結(jié)果輸出模塊。系統(tǒng)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像采集卡參數(shù)設(shè)置、相機(jī)參數(shù)設(shè)置和測(cè)量參數(shù)的設(shè)置；利用USB通信實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制；文件管理模塊功能包括對(duì)配置文件的讀寫操作，管理測(cè)量過程中的臨時(shí)文件；圖像顯示模塊采用OpenGL算法將二維圖像通過象素處理擴(kuò)展到三維圖像從而實(shí)現(xiàn)三維顯示，并可通過鼠標(biāo)拖動(dòng)從不同視角觀察，使光強(qiáng)分布結(jié)果更直觀形象，并采用偽彩色來(lái)增強(qiáng)觀察效果；算法分析通過對(duì)光斑質(zhì)心計(jì)算、光斑束寬計(jì)算和光斑輪廓投影，實(shí)現(xiàn)光束傳播過程雙曲線擬合、計(jì)算出透鏡后激光光束的M2參數(shù)，然后根據(jù)透鏡變換原理，從而計(jì)算出實(shí)際激光光束的M2參數(shù)。如圖8所示是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的流程圖，包含系統(tǒng)初始化，步進(jìn)電機(jī)的控制，圖像采集處理，衰減輪的組合以及結(jié)果的顯示等等。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的流程圖

4 測(cè)試分析

在實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如圖9所示。其工作原理為：由激光器產(chǎn)生激光，進(jìn)入衰減組，衰減組是外置的，可以通過更換不同參數(shù)的衰減組片或者增加減少衰減片組的數(shù)量使得激光光束的能量衰減到要求的范圍內(nèi)。經(jīng)過衰減后的激光光束通過一對(duì)45度全反射鏡進(jìn)入到無(wú)相差透鏡中。

圖9 系統(tǒng)實(shí)物圖

通過無(wú)相差透鏡轉(zhuǎn)換后的激光光束確保了束腰處于可測(cè)量的范圍內(nèi)，之后通過一組反射鏡，反射鏡安裝在一個(gè)可以沿絲杠滑動(dòng)的平臺(tái)上，通過步進(jìn)電機(jī)控制整個(gè)平臺(tái)的前進(jìn)和后退，從而能確保CCD相機(jī)可以采集到多點(diǎn)的切片圖像，最后激光傳入到CCD相機(jī)中，由相機(jī)完成圖像的采集。

計(jì)算機(jī)獲得圖像數(shù)據(jù)后，由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與算法分析，最終得到光束質(zhì)量M2因子，如圖10所示，為處理后的顯示界面。

圖10 處理顯示界面

5 結(jié)論

本系統(tǒng)針對(duì)基于M2因子的激光光束質(zhì)量測(cè)量研究設(shè)計(jì)，根據(jù)國(guó)際通用的M2因子測(cè)量原理，設(shè)計(jì)的一套光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行采集傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及對(duì)采集到的數(shù)據(jù)采用有效的計(jì)算方法對(duì)數(shù)據(jù)處理并顯示，進(jìn)而得到激光光束質(zhì)量M2因子。M2既能體現(xiàn)激光器的近場(chǎng)特性，又能表現(xiàn)其遠(yuǎn)場(chǎng)特性，對(duì)可見光和紅外激光光束質(zhì)量能夠進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)為激光光束質(zhì)量的提高給出了依據(jù)方向。

［1］ 賀元興.激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)及測(cè)量方法研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

［2］ 黃繼鵬，王延杰.激光光斑位置精確測(cè)量系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程，2013，21（4）：40-44.

［3］ 賈少春.激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)測(cè)量技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

［4］ 湯億則，徐志強(qiáng).基于CMOS相機(jī)的激光光束質(zhì)量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光通信技術(shù)，2016，12（3）：65-68.

［5］ 王彩霞.嵌入式激光光束質(zhì)量分析系統(tǒng)的研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2009.

［6］ 李偉.激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法與光束特性參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2009.

［7］ 李俊.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.西安：西安理工大學(xué)，2009.

Research on Laser Beam Quality Measurement System

ZHAO Rutong1，LIU Peng2，WANG Xiaoman1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to meet the needs of the society for high quality laser，the standard of improving beam quality is to obtain the accurate performance parameters.Therefore，a M2 factor beam quality measurement system based on mechanical system，opti?cal system and electronic system is designed.Its innovation lies in the intelligent system.The stepping motor system through the automatic control of the whole platform makes the CCD camera to collect the laser multi point slice image，image acquisition transmission computer，data processing and analysis algorithm by software，will finally see the light intensity distribution map and the results of laser in the computer.The experimental results show that the system can be used to measure the laser beam qual?ity in the range of 200～1300nm，and provide a reliable basis for improving the beam quality.

laser；stepping motor；CCD

TN247

A

1672-9870（2017）03-0089-05

2017-03-24

趙儒桐（1991-），男，碩士研究生，E-mail：1028609761@qq.com

王曉曼（1956-），女，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：wmftys@126.com