軌檢車專用激光線光源國產化研制

石偉棟

(中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081)

目前在軌道檢測系統中，已普遍采用非接觸的光電測量方法。在光電測量方法中，光源的質量直接決定著測量結果的精度，因此常常采用激光作為光源。而半導體激光作為激光光源的一種，具有體積小，安裝攜帶簡便，功耗低等優點，很適合用于軌道檢測。國外原裝的軌檢車專用線光源，就是采用半導體激光器通過輸出光路準直，最終獲得輸出線寬 ＜2 mm的線光源。由于國外原裝軌檢車專用線光源價格較高，且核心技術對我國保密，而在我國目前軌道建設迅速發展的情況下，對軌道檢測的要求也日益提高，為了降低軌道檢測成本，掌握自主性，必須對軌檢車專用線光源進行國產化改造。

1 光路設計

1.1 半導體激光光束準直方法選擇

由于半導體激光器采用非對稱激活通道，由端面發射的激光束具有較大的發散，其發散角較其他激光器要大，平行及垂直方向的全角發散角分別可達 θ⊥:40°～50°，θ∥:10°～20°，這樣的發散角是不符合軌檢車線光源的使用要求的，所以必須通過一定的裝置來對激光器出射光束進行壓縮以滿足實際使用要求。半導體激光器光束準直方法有①單透鏡法;②組合透鏡法;③漸變折射率透鏡法;④液體透鏡法;⑤反射法;⑥衍射法等［1］。

對于LD激光光束的精確準直一直是備受關注的問題。LD激光光束并非普通激光器所發出的基模圓高斯光束，無論快軸還是慢軸，LD的輸出光斑都不滿足高斯分布，連近似都談不上。其激光屬于多模形式，也有理論證明其激光光束為雙偏心橢圓高斯光束［2］。設計所用的LD激光器在慢軸方向出光口尺寸為0.1 mm，將LD的出光口近似為點光源，應用幾何光學的理論設計所需的透鏡組?；驹O計光組結構如圖1所示。

1.2 準直透鏡設計理論分析

將LD激光光束近似為幾何光束處理，將LD的激光出射口近似為點光源。其快軸方向的半角發散角為20°，出光口尺寸為1 μm。為了使設計緊湊，減少光能量的損失，將激光出射端到雙膠合透鏡后表面之間的距離限制在20.0 mm左右。根據理論分析，要求激光光束從出射點發出，經過單透鏡L1和雙膠合透鏡L2后沿主軸方向聚焦在距離雙膠合透鏡中心點約400 mm處。

設激光出射點到單透鏡主平面的距離為s，經過單透鏡像的位置距離主平面為 s'，將激光出射點到雙膠鏡中心點的距離設定為20.0 mm，初步選定單透鏡L1的焦距 f1為15.0 mm，雙膠合透鏡 L2的焦距 f2為60.0 mm，根據透鏡成像公式可計算得出s與s'分別為12.1 mm與62.7 mm。激光光束最大半角發散角為20°，根據三角關系可計算得出L1與L2的最小孔徑分別為8.8 mm和10.0 mm。

實際中選用透鏡，為了節省經費與選用簡便，應盡量選用市場上已有的使用較為普遍的產品。這里選用的焦距為15 mm與75 mm的透鏡分別為大恒公司的產品GCL-010215與GCL-010603。相關參數信息如表1所示，根據以上計算結果與透鏡參數進行ZEMAX仿真，得到的結構參數如表2所示。光束直徑寬度在距離400 mm遠處的像，平面上控制在2 mm以內，滿足設計的要求。ZEMAX 2D模擬簡圖如圖2所示。

圖1 用于準直半導體激光器的組合光學系統

表1 透鏡參數信息

圖2 ZEMAX 2D模擬

表2 透鏡組結構參數

2 溫度測量與控制

本論文設計的是軌檢車專用的線光源，必須適應于溫度跨度很大的野外工作環境。而半導體激光器自身的工作溫度范圍(0℃ ～+40℃)，達不到我國鐵路線路的野外環境溫度范圍(－40℃ ～+70℃)，所以必須對線光源裝置進行溫度測量與控制，在溫度較高時對整個裝置降溫，在溫度較低時對整個裝置升溫，在溫度過低時，自動關閉激光器電源以延長整個裝置的使用壽命。

2.1 溫度測量

本論文所設計的線光源采用AD590集成溫度傳感器進行溫度測量。該傳感器是美國哈里斯公司生產的采用激光修正的集成溫度傳感器［3］，具有測溫誤差小、動態電阻值高、響應速度快、微功耗、傳輸距離遠、體積小等優點，很適合作為軌檢車專用線光源的測溫與控溫，不需要進行非線性校正，見表3。

2.2 溫度控制

本論文所設計的線光源采用半導體制冷片進行溫度控制。

半導體制冷片也叫熱電制冷片，是一種熱泵，是利用半導體材料的 Peltier效應［4］。它是一種產生負熱阻的制冷技術，在技術應用上具有以下的優點和特點:

表3 AD590主要指標

1)不需要任何制冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件，是一種固體片件，工作時沒有振動、噪聲、壽命長，安裝容易。

2)半導體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大于1。因此使用一個片件就可以代替分離的加熱系統和制冷系統。

3)半導體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統。

4)半導體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差。

5)半導體制冷片的溫差范圍，從正溫度90℃到負溫度130℃都可以實現。

由其優點可知，半導體制冷片的使用也相當簡單，控制正負兩端直流電流的輸入方向，即可實現制冷和加熱的目的，解決線光源半導體激光器的散熱問題和低溫保護問題。

3 對比試驗

為了檢驗本論文所設計的軌檢車專用線光源的性能，在線光源設計、加工、裝配完成之后，進行了性能測試，其各項指標如表 4所示，自制線光源實際出射效果如圖3所示。由表4、圖3可知，自制線光源與原裝光源的性能指標一致，滿足我國軌檢車光電檢測光源的需要。

表4 自制軌檢車專用線光源的主要性能指標

圖3 自制線光源實際出射效果

4 結語

通過光路優化設計與電路上對溫度的測量與控制，進行了線光源的國產化設計與研制。并通過與原裝線光源進行對比試驗，驗證了本論文所研制的線光源的主要性能都達到了國內外相應技術指標的要求，可以投入軌檢車的使用。

［1］施浣芳，王忠厚，韋明智.半導體激光器光束準直系統設計［J］.西安工業學院學報，2004，24(2):140-143.

［2］徐強，曹長慶，曾曉東，等.雙偏心橢圓高斯光束在一階ABCD光學系統中的傳輸特性［J］.光子學報，2006，35(12):1912-1916.

［3］逄玉臺，王團部.集成溫度傳感器 AD590及其應用［J］.國外電子元器件，2002(7):22-24.

［4］丁友林，蔡舒平，董利科，等.基于 DSP的高精度半導體激光器溫度測控系統［J］.儀表技術與傳感器，2009(4):135-137.