基于光斑調(diào)制的匯聚光源焦距測量系統(tǒng)

張 勃，宋麗培，趙 星，張 旭，張 茹，安曉英

(南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津 300350)

環(huán)境污染問題是近年來社會關(guān)注的焦點，各種環(huán)境污染中大氣污染尤為嚴(yán)重 ，對大氣中有害氣體的檢測主要是利用待測氣體的物理或化學(xué)性質(zhì)來實現(xiàn)測量的[1]，其中利用可調(diào)諧二極管光譜檢測法[2]，可實現(xiàn)大多數(shù)氣體濃度的檢測，同時此種檢測方法具有選擇性好、響應(yīng)速度快、檢測靈敏度高、可遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，實現(xiàn)氣體濃度的實時在線檢測[3-6]，但是此檢測過程中對光源有一定要求，需要對光源工作狀態(tài)進行精確控制.

半導(dǎo)體激光器又稱為二極管激光器(LD)，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、光波長等優(yōu)點，其波長可調(diào)諧,通常又是電流泵浦,隨著生長技術(shù)的進步、器件量產(chǎn)化能力的提高、性能的改善及成本的下降,近年來被廣泛應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域、高分辨率激光光譜和激光冷卻與捕獲等領(lǐng)域[7-9],應(yīng)用方面正在向更多領(lǐng)域滲透，目前固定波長半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首. 在對有害氣體進行檢測中，半導(dǎo)體激光器也成為首選光源.

半導(dǎo)體激光器做為工作光源，對其工作點位置要求精準(zhǔn)測量，目前常采用焦距測量法，但相關(guān)測量儀器價格昂貴. 實驗中測量應(yīng)用追蹤最小光斑，需大量程序計算，測量過程比較復(fù)雜.

為了實現(xiàn)對聚焦光源聚焦點進行快速準(zhǔn)確測量，本文以常用的半導(dǎo)體激光器(LD)為研究對象，搭建了基于光斑調(diào)制的匯聚光源短焦距測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)僅需將待測光源在系統(tǒng)中的光斑調(diào)制到參考尺寸，將測量值輸入數(shù)據(jù)處理界面，直接得到光源焦距準(zhǔn)確值，此系統(tǒng)應(yīng)用在對LD是否合格進行快速篩選，同時應(yīng)用于LD光源焦距準(zhǔn)確測量. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，僅需觀察光斑變化，測量數(shù)據(jù)誤差小，能實現(xiàn)快速準(zhǔn)確測量.

1 基于光斑調(diào)制的匯聚光源焦距測量系統(tǒng)理論原理

1.1 實驗原理

圖1 實驗原理圖

如圖1所示,將聚焦光源視為理想點光源，當(dāng)聚焦點處于理想透鏡前焦平面處，通過透鏡后的出射光為平行光[10-11]，由于光源出光口直徑已知為d，透鏡焦距f已知 ，給出光源的理想聚焦位置即光源本身的焦距s(即出光口到光束匯聚點的距離)，則經(jīng)透鏡后，用光屏接收到直徑為D的光斑. 滿足如下關(guān)系：

(1)

由于實驗中無法搭建無窮遠系統(tǒng)，在遠距離處放置接收屏，標(biāo)定焦距s對應(yīng)的光斑大小D，當(dāng)待測光源的焦距小于標(biāo)準(zhǔn)焦距s時，通過透鏡的光線將匯聚于一點. 當(dāng)待測光源的焦距大于標(biāo)準(zhǔn)焦距s時，通過透鏡的光斑將發(fā)散.

將待測光源放置在標(biāo)定位置，接收屏光斑大于D時，需調(diào)整待測光源遠離透鏡移動，使無窮遠光斑直徑為D，此時待測焦距為s+Δs. 相反當(dāng)無窮遠光斑小于D時，需微調(diào)待測光源靠近透鏡移動，使無窮遠光斑直徑為D，此時待測焦距為s-Δs. 測量焦距數(shù)值關(guān)系式為

F=s±Δs.

(2)

當(dāng)透鏡與接收屏間距離足夠遠，測量的焦距數(shù)值與真實值誤差會非常小，系統(tǒng)測量中待測光源焦距有微小差別，反應(yīng)到無窮遠光斑將有很大差異.

1.2 理論誤差

由于系統(tǒng)無法實現(xiàn)無窮遠，則待測數(shù)值存在微小的理論誤差，即當(dāng)待測光源大于或者小于標(biāo)定焦距s時，光斑調(diào)節(jié)到待測光圈D時，光源光斑并沒有嚴(yán)格在焦點位置，存在差值Δx,如圖2所示.

圖2 不同待測光源測量時的光路圖

為得到準(zhǔn)確的焦距值，對測量誤差進行分析. 當(dāng)待測光源焦距范圍不大時，如圖2所示,待測焦距為

(3)

根據(jù)物像關(guān)系公式，可以得到待測焦距分別大于或小于標(biāo)定焦距s時，變化量Δs和Δx的關(guān)系式為

(4)

其中s為初始位置或標(biāo)定位置光源焦距，f為系統(tǒng)透鏡焦距，L為接收屏到透鏡的距離.

根據(jù)以上公式可以彌補測量系統(tǒng)引起的誤差，得到待測光源焦距的真實值.

2 短焦距簡易測量系統(tǒng)裝置

基于以上原理，搭建基于光斑調(diào)制的LD短焦距測量系統(tǒng)，如圖3所示.

圖3 LD測量系統(tǒng)

系統(tǒng)將二維平移臺固定在光學(xué)平臺上，二維平移臺上安裝可以調(diào)節(jié)高度的支桿，V型槽固定在支桿上，由V型槽及安裝在V型槽前邊的擋板固定待測LD的位置，二維平移臺用于微調(diào)LD前后左右的位置，并能讀取具體數(shù)值，精確到0.01 mm. LD前方安裝雙膠和消像差透鏡，使光束變?yōu)槠叫泄馐? 由于實驗上無法實現(xiàn)無窮遠，增加多面反射鏡，對光路進行延伸，最后光斑打在接收屏上. 根據(jù)理論LD焦距值， 得到理論光斑大小直徑D，在接收屏上圓圈進行標(biāo)注如圖4(a)所示. 圖4(b)為待測光源光斑小于標(biāo)定圓圈.

實驗選取的理論值焦距為12 mm的LD進行測量，焦距測量范圍在10～14 mm. LD的出光口徑為2 mm，實驗系統(tǒng)選取的透鏡焦距為50 mm. 接收屏上標(biāo)定光斑尺寸的圓圈直徑參考初始位置進行標(biāo)定0.881 mm. 實驗系統(tǒng)光路總長約2 300 mm.

(a) (b)圖4 接收屏及接收屏上的光斑

2.1 焦距測量系統(tǒng)的初始位置標(biāo)定

系統(tǒng)測量過程需對二維平移臺初始位置進行標(biāo)定，即支桿上3D打印的位置擋板到透鏡中心位置的距離調(diào)節(jié)二維平移臺及支桿，可以通過2種方法實現(xiàn):一種是精密卡尺測量，確定好相對位置，但是由于手動操作很難實現(xiàn);另一種是利用已知焦距LD在系統(tǒng)中準(zhǔn)直，確定二維平移臺的初始位置. 本系統(tǒng)利用焦距為11.35 mm的LD對系統(tǒng)初始位置進行標(biāo)定. 此時二維平移臺水平方向卡尺讀數(shù)為M對應(yīng)的焦距值為s=11.35 mm，得到焦距變量為

Δm=M-s=M-11.35.

(5)

2.2 焦距測量系統(tǒng)的簡易測量方法

將待測光源放置在V型槽上，即LD的出射光端面與位置擋板貼緊，微調(diào)二維平移臺左右及支桿上下位置，使LD經(jīng)透鏡打在接收屏上的光斑在標(biāo)定刻度圈的中心. 觀察光斑，若光斑最大方向直徑大于接收屏上標(biāo)定刻度圈，說明待測LD焦距大于11.35 mm，則調(diào)節(jié)安裝有LD的二維平移臺水平方向刻度標(biāo)尺，使LD遠離透鏡方向移動，直至光斑最大直徑充滿接收屏上的標(biāo)定圓圈，讀取水平方向刻度值N,此時有

F1=s±Δs=N-Δm.

(6)

如果接收屏上的光斑比較模糊. 說明光斑已經(jīng)在光路中聚焦，此時調(diào)節(jié)二維平移臺水平方向刻度標(biāo)尺，使讀數(shù)減小，光斑將先變小再變大，同時光斑由模糊變清晰，直到充滿整個標(biāo)定圓圈，讀出刻度值.

根據(jù)LD基本參量的不同，在測量過程中，只需根據(jù)待測LD基本參量對標(biāo)定圓圈直徑進行計算，對接收屏的標(biāo)定圓圈進行修訂即可進行測量.

2.3 真實焦距值

為獲得待測光源的真實焦距，需對系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進行處理. 真實焦距與測量值之間的關(guān)系為

(7)

根據(jù)式(4)和式(7)可以得到

(8)

搭建的LD焦距測量系統(tǒng)中部分參量為已知量：s=11.35 mm,f=50 mm,L=2 300 mm；對應(yīng)系統(tǒng)M=11.4 mm，則Δm=0.05 mm.

為便于操作，根據(jù)待測LD的已知數(shù)據(jù)情況，編程生成數(shù)據(jù)處理界面，消除系統(tǒng)測量誤差，界面中標(biāo)定焦距位置s、透鏡焦距f、接收屏與透鏡間距離L為已知量，二維平移臺位置數(shù)值Δs為輸入值，待測焦距值F做為輸出值直接顯示在界面(如圖5所示)，當(dāng)系統(tǒng)讀出測量數(shù)值為11.4 mm，則真實值為11.35 mm.

圖5 數(shù)據(jù)處理界面

3 結(jié)束語

基于光斑調(diào)制的匯聚光源焦距測量系統(tǒng)，標(biāo)定的光斑在cm量級，當(dāng)待測光源焦距存在0.05 mm變化時能被人眼分辨出，當(dāng)焦距在0.1 mm變化時，光斑變化已經(jīng)非常明顯. 如想提高系統(tǒng)測量精度僅需增大透鏡與接收屏的距離，可通過增加反射鏡來實現(xiàn). 整個系統(tǒng)操作簡單，對工作人員要求不高，尤其對非本專業(yè)人員大大降低了工作難度. 數(shù)據(jù)處理界面簡潔，僅需輸入二維平移臺讀數(shù)，焦距直接輸出. 整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，僅需通過調(diào)制光斑大小，便能得到對焦距的快速準(zhǔn)確測量，可實現(xiàn)對微小焦距差別LD進行檢測、精確測量. 操作方便，測量數(shù)據(jù)誤差小，系統(tǒng)成本低，能實現(xiàn)快速準(zhǔn)確測量.