激光光束質(zhì)量M2因子測量系統(tǒng)的設(shè)計

王彩霞

(長春理工大學電子信息工程學院，吉林 長春 130022)

0 引言

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展及高科技激光產(chǎn)品(如激光加工機、激光治療儀等)的不斷出現(xiàn)，如何選擇一種簡便、精確、實用的方法評價激光光束質(zhì)量，從而科學地評價激光產(chǎn)品質(zhì)量已成為全世界科學界研究的熱門課題［1］。

光學界曾采用聚焦光斑尺寸法和遠場發(fā)散角β值法等構(gòu)建激光光束質(zhì)量測量系統(tǒng)［2］。這些方法通過確定聚焦光斑的束腰尺寸和遠場束散角大小來評價激光光束質(zhì)量。對于同一激光光束而言，由于聚焦系統(tǒng)的不同，束腰尺寸大小和遠場束散角大小均會發(fā)生變化。因此，采用聚焦光斑尺寸法和遠場發(fā)散角β值法評價激光光束質(zhì)量具有局限性［3］。本文采用M2因子法，即衍射極限因子法對激光光束質(zhì)量進行評價，并構(gòu)建了激光光束質(zhì)量M2因子測量系統(tǒng)。

1 M2因子測量系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 硬件構(gòu)成

激光光束質(zhì)量M2因子測量系統(tǒng)硬件主要由光學部分、機械部分和電學部分這三大部分組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Block diagram of system hardware

光學部分由聚焦系統(tǒng)、固定衰減系統(tǒng)、連續(xù)衰減系統(tǒng)和反射光學系統(tǒng)組成，主要完成激光光束的聚焦和衰減;機械部分由工作臺、底座、支撐座、滾珠絲杠和聯(lián)軸節(jié)等組成，為電子學部分和光學部分提供合理的工作平臺;電學部分由CCD相機、圖像采集卡、電機、運動控制卡和計算機組成，主要負責對激光光束進行連續(xù)衰減，控制一維平移臺的精確定位和相機對激光光束的多點定點采樣，執(zhí)行圖像處理算法以及顯示系統(tǒng)的測量結(jié)果等。

1.2 軟件構(gòu)成

激光光束質(zhì)量M2因子測量系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)設(shè)置、步進電機控制、圖像預處理、數(shù)據(jù)處理、光束參數(shù)計算和系統(tǒng)工具組成。系統(tǒng)設(shè)置主要是對圖像采集卡的位數(shù)、相機的型號和電機步進距離進行初始化設(shè)置;對步進電機的控制采用自動和半自動兩種方法，操作更靈活;圖像預處理模塊主要對獲取的激光光斑圖像進行濾波降噪和偽彩處理等;光束參數(shù)計算模塊主要完成核心算法的實現(xiàn)，包括質(zhì)心計算、束腰寬度計算和光斑輪廓投影計算等，以及執(zhí)行曲線擬和算法，擬合激光光束傳播的雙曲線。此外，軟件系統(tǒng)中還設(shè)計了系統(tǒng)工具，以提高激光光束質(zhì)量測量系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性。系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件框圖Fig.2 Block diagram of system software

2 M2因子法的原理及實現(xiàn)

2.1 M2因子法的原理

M2因子法即衍射極限因子法，定義為實際激光光束的束寬積與理想基模高斯光束束寬積的比值，定義表達式如式(1)所示:

式中:ω為激光束腰半徑;θ為遠場發(fā)散角;λ為激光波長。

由式(1)可知，對M2因子的測量實質(zhì)上轉(zhuǎn)化成了激光束腰直徑與遠場發(fā)散角的測量。

2.2 M2因子法的實現(xiàn)

在確定激光光束的束腰直徑時，首先需要確定激光光斑的中心位置，即質(zhì)心位置。

2.2.1 激光光斑的中心位置

激光光束在空間傳輸時，沿軸任意一個橫截面上的激光光束光斑光強中心可采用光束強度分布的一階矩表示［4］，如式(2)、式(3)所示:

由于在實際測量過程中，通常是采集一系列離散的點。因此，激光光束光斑光強中心位置又可以表示為:

式中:x為沿軸橫截面上某一點的橫坐標;y為沿軸橫截面上某一點的縱坐標;I(x，y)為沿軸橫截面上某一點(x，y)處的光束強度值。

在進行激光光束質(zhì)量測量時，通過采集沿軸某一位置z處不同時刻激光光斑光束的中心位置即可得到激光束的軸向穩(wěn)定性。

2.2.2 激光光斑尺寸

對激光光斑尺寸即光束束寬的定義方法有多種，如半強度定義及1/e2強度定義等，較嚴格而通用的是強度矩量分析法，即光束束寬正比于光束橫截面上光強分布的二階中心矩。直角坐標系中，激光光束在z處的能量/功率密度分布函數(shù)的二階矩如式(6)、式(7)所示:

由于在實際測量過程中，通常是采集一系列離散的點。因此，激光光束在z處的能量/功率密度分布函數(shù)的二階矩又可以表示為:

相應(yīng)的光斑半徑如式(10)、式(11)所示［5］:

2.2.3 光束傳播曲線擬合

高斯光束在自由空間傳輸沿軸向遵從雙曲線分布，設(shè)激光束的傳輸方程為:

在測量不同位置z處的光斑半徑ω(z)時，采用最小二乘法擬合求系數(shù) Ai、Bi、Ci，則激光光束質(zhì)量參數(shù)計算依據(jù)公式如下。

光束束腰位置:

光束束腰半徑:

遠場發(fā)散半角:

光束質(zhì)量因子:

3 M2因子測量系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 圖像探測單元

面陣CCD相機是測量激光光束質(zhì)量的核心部件，其性能決定著整個系統(tǒng)的測量精度。因此，面陣CCD相機的選擇直接影響測量結(jié)果和測量精度［6］，其主要考慮以下幾個方面。

①高分辨率:相機分辨率越高，其對所采集的物體/圖像細微輪廓的辨識能力就越強，測量精度也就越高。這就要求面陣CCD相機的像元數(shù)足夠多。

②低噪聲:相機噪聲的大小在一定程度上影響著所采集到的圖像細微輪廓。系統(tǒng)中主要考慮相機的熱噪聲和暗電流噪聲，要求選擇低噪聲、暗電流小的CCD相機;同時，在軟件部分要考慮消除背景噪聲。

③寬動態(tài)范圍:CCD相機的動態(tài)范圍主要取決于線性響應(yīng)的最大信號電平和噪聲電平［7］。高分辨率要求CCD的像素數(shù)增多，這導致了可能存儲的最大電荷量減少，從而使動態(tài)范圍變小。因此，在選擇CCD相機時必須綜合考慮以上指標。在系統(tǒng)歸一化處理中，入射光能量以1和1/e2入射到CCD光敏面時，CCD均有響應(yīng)，所以相機的動態(tài)范圍大于10 dB即可。

④響應(yīng)光譜:本系統(tǒng)合同要求光譜范圍在400～1100 nm，選擇CCD時要考慮相機在此波段要有響應(yīng)且響應(yīng)度盡可能高。所以，選用硅CCD，型號為CONTOUR-IR型近紅外CCD相機。

3.2 圖像采集單元

圖像采集卡采用與CONTOUR-IR型近紅外CCD相機配套的Meteor-II。Meteor-II圖像采集卡可以采集標準的NTSC、PAL、RS-170和CCIR模擬彩色/黑白視頻信號，并支持彩色或黑白多路數(shù)據(jù)流傳輸，它將強大的函數(shù)擴展性能集成到了采集卡上;支持在擴展板上存儲數(shù)據(jù)，確保圖像數(shù)據(jù)的實時采集，同時帶有觸發(fā)輸入功能，可以實現(xiàn)脈沖激光的測量。

3.3 執(zhí)行機構(gòu)

在本系統(tǒng)中，電機的使用場合屬于低負載低速場合，所以可選擇步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)。同時，經(jīng)過轉(zhuǎn)動慣量和角加速度的計算，確定選擇艾克斯公司生產(chǎn)的混合式步進電機，型號為42BYG1.8(17H-150H-04A)。

4 測量數(shù)據(jù)與結(jié)果

經(jīng)過大量的分析、計算和論證，本文研制出激光光束質(zhì)量M2因子測量系統(tǒng)。以該系統(tǒng)硬件平臺為基礎(chǔ)，測量了400～1100 nm波長范圍內(nèi)的典型激光器發(fā)射的激光光束質(zhì)量，并使用美國Spiricon公司生產(chǎn)的M2-200型激光光束質(zhì)量分析儀校準。

大量的對比實驗數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計的激光光束質(zhì)量測量系統(tǒng)測試結(jié)果可靠，可用于評價400～1100 nm波長范圍內(nèi)的連續(xù)激光器的激光光束質(zhì)量。以He-Ne激光器為被測試品，使用該系統(tǒng)進行測試的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

He-Ne光器激光光強的二維分布如圖3所示;He-Ne激光器激光光強三維分布如圖4所示;基于M2因子的激光傳輸擬合曲線如圖5所示。

圖5 激光傳輸擬合曲線Fig.5 Fitting hyperbolic of laser transmission

圖3中:“十”字線交叉處為光強質(zhì)心位置，中心黑色區(qū)域向外過渡到白色區(qū)域代表光強逐漸減弱，最外層黑色區(qū)域代表背景;圖4中:最下邊黑色區(qū)域代表背景，自下至上顏色逐漸加深代表光強逐漸增強。

5 結(jié)束語

激光光束質(zhì)量M2因子測量系統(tǒng)采用VC++語言設(shè)計圖像處理算法和上位機界面，人機交互能力強，操作簡單直觀;采用M2因子方法評價激光光束質(zhì)量，既能體現(xiàn)激光器的近場特性，又能反映激光器的遠場特性，從而綜合評價激光器光束質(zhì)量。系統(tǒng)能夠評價的激光器光譜波長在400～1100 nm范圍內(nèi)，即系統(tǒng)既能對可見光激光器的光束質(zhì)量進行評價，又能對近紅外特別是1.06 μm的固體激光器光束質(zhì)量進行評價，使用范圍更廣。

實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)激光光束質(zhì)量測量系統(tǒng)自動化程度低、測量誤差大和系統(tǒng)體積龐大等弊端，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、操作簡便、成本低和推廣價值高等特點。

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