光束質(zhì)量測(cè)量裝置的光路矯正及測(cè)量功能驗(yàn)證研究?

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

激光問(wèn)世于1960年，在其發(fā)展歷程中，它被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。其能量集中的特點(diǎn)可用于切割、焊接［1］及制造激光武器；其方向性好的特點(diǎn)可利用于測(cè)距［2］及遠(yuǎn)距離激光通信；使用激光脈沖加熱實(shí)現(xiàn)可控核聚變技術(shù)也在研究當(dāng)中。

遠(yuǎn)距離激光通信需要兩側(cè)通信終端時(shí)刻保持光路聯(lián)通；測(cè)量激光質(zhì)量的精度則受限于光路是否嚴(yán)格垂直于光敏面?？梢?jiàn)，控制激光光路的方向，即光路矯正，對(duì)激光光束質(zhì)量測(cè)量、激光通信等領(lǐng)域啟到十分重要的作用。目前用于測(cè)量激光光束質(zhì)量主要依靠進(jìn)口產(chǎn)品，通過(guò)與國(guó)外先進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)比較，可以看出國(guó)內(nèi)各個(gè)自己搭建的測(cè)量系統(tǒng)還比較簡(jiǎn)陋，沒(méi)有產(chǎn)品化還處于實(shí)驗(yàn)室階段［3］。

2 激光光束質(zhì)量測(cè)量原理分析

2.1 光路矯正原理

本系統(tǒng)進(jìn)行M2因子測(cè)量之前需要對(duì)光路矯正［4］。原因是當(dāng)光路不是平行于光敏面平移軸時(shí)，由于有一定的夾角，光路與平移軸的夾角越小，最終計(jì)算所得的參數(shù)越接近真實(shí)值。

當(dāng)前常用的光路矯正方法有光闌對(duì)準(zhǔn)法和圖像處理法［5］。本系統(tǒng)中測(cè)量M2因子采用獲取光斑強(qiáng)度的二階矩測(cè)量［6］，所以光路矯正部分使用圖像處理法。

圖1 矯正系統(tǒng)原理圖

圖1是本系統(tǒng)矯正的原理圖。其中O點(diǎn)是入射激光經(jīng)過(guò)全反射棱鏡反射后的出射點(diǎn)，這里可以理解為激光光源；當(dāng)中光路OAB是理想狀況下，激光垂直入射至相機(jī)光敏面的情況。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將相機(jī)光敏面沿理想光路傳輸方向z軸移動(dòng)至光敏面1的位置，對(duì)光斑圖像采樣并記錄光斑中心 A′(x1'y1)，繼續(xù)沿z軸移動(dòng)光敏面一定距離d至光敏面2位置，對(duì)光斑圖像采樣并記錄光斑中心 B′(x2'y2)，然后使用式（1）：

計(jì)算x與y方向的光路偏移角度。

2.2 激光質(zhì)量測(cè)量原理

本文中使用的激光器發(fā)出的激光光束的橫截面是由高斯光束和其他分布光束一同組成的，兩者都可以用光強(qiáng)分布二階矩法表示，其光束橫截面尺寸［7］d（z）滿足式（2）：

其中，d(z)指激光光路隨傳播方向，即垂直于橫截面方向上的傳輸距離z當(dāng)前的橫截面光斑直徑大小，ω0是激光光束束腰處的光斑半徑的大小，z0是傳播方向上達(dá)到束腰處的傳播距離，λ是激光波長(zhǎng)。將式（2）以z為主元轉(zhuǎn)換可得式（3）所示的雙曲線方程：

通過(guò)采集束腰附近15個(gè)位置光斑的參數(shù)［8］，可解出式（3）中的三個(gè)系數(shù)，然后通過(guò)公式可最終求得M2因子。

其中，i=x，y。因?yàn)楫?dāng)光斑為理論上的圓形時(shí)，x，y方向光斑半徑相同。但是實(shí)際中光斑形狀為不規(guī)則的橢圓形，則需要獨(dú)立求取x，y兩個(gè)方向的光斑尺寸。

3 激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)介紹

本文中搭建的激光光束質(zhì)量系統(tǒng)使用ARM芯片處理器控制各步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)、光學(xué)圖像采集及處理，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2。

依結(jié)構(gòu)圖所示，激光器發(fā)出激光先通過(guò)衰減片及偏振片入射至全反射棱鏡，其中衰減片用于降低激光光強(qiáng)，避免光敏面上曝光過(guò)度使圖像失真［9］；全反射棱鏡固定在電動(dòng)俯仰及旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)控制臺(tái)面的兩軸角度實(shí)現(xiàn)光敏面上光斑相應(yīng)的二維移動(dòng)。使用已知焦點(diǎn)距離的透鏡安裝在光路中間，便可確定光束實(shí)際的束腰位置，控制光敏面隨光束方向平移，便可測(cè)量束腰光斑寬度。系統(tǒng)光路矯正過(guò)程中首先記錄保存兩次光斑位置信息，帶入式（1）中計(jì)算得出X，Y兩軸的偏移角度，然后電機(jī)自動(dòng)調(diào)整角度準(zhǔn)備測(cè)量步驟。光敏面隨電動(dòng)平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在束腰左右共攝取15個(gè)圖像數(shù)據(jù)并帶入式（3）計(jì)算出最終結(jié)果。

圖2 激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

攝取圖像經(jīng)過(guò)中值濾波則能使數(shù)據(jù)圖像變得平滑［10］，濾除部分光斑周圍的噪聲。圖像處理的過(guò)程中在灰度處理之后重心法計(jì)算過(guò)程中有一步判斷圖像是否飽和［11］，這樣能夠提高測(cè)量精度［12］。

4 測(cè)試結(jié)果

使用光源為532nm的綠光激光器發(fā)出的激光光束，測(cè)得的光斑直徑隨Z軸移動(dòng)距離變化的參數(shù)如圖3。將圖3的數(shù)據(jù)帶入式（3）通過(guò)擬合后可得出X，

圖3 532nm綠光光束光斑直徑參數(shù)

Y兩個(gè)方向的雙曲線系數(shù)：再通過(guò)式（5）及式（4）計(jì)算可得532nm波長(zhǎng)綠光激光通過(guò)125mm透鏡后的M2因子及其束腰半徑，結(jié)果如表1。

表1 532nm綠光光束參數(shù)（f=125mm）

該綠光激光器技術(shù)參數(shù)說(shuō)明書(shū)中說(shuō)明該激光M2因子值在1.1以內(nèi)，所以其結(jié)果誤差范圍是15%左右?？紤]到實(shí)驗(yàn)中使用的光敏面分辨精度不高，會(huì)造成一定的實(shí)驗(yàn)誤差，本系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果具有應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在研究光路矯正的基礎(chǔ)上，搭建平臺(tái)制作了一套測(cè)量激光光束參數(shù)的設(shè)備。通過(guò)比對(duì)本系統(tǒng)測(cè)量商用激光器測(cè)量數(shù)據(jù)以及該激光器的標(biāo)稱值，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果誤差值在可接受范圍內(nèi)，具有一定的參考價(jià)值。