激光束斜入射時光斑能量分布的實驗測試

激光束斜入射時光斑能量分布的實驗測試

朱婧婧李亦軍李潔

(中北大學理學院物理系山西 太原030051)

摘 要：本文提出了一種新型的測量微角位移系統(tǒng)．結合了二維PSD位置探測器，通過實驗得出光斑中心位置隨角度偏移量的變化關系，繼而得到在實際應用中測量微角位移的方法．

關鍵詞：激光光斑能量二維PSD

收稿日期：(2015-06-09)

在現(xiàn)代制導以及其他領域應用中，光學法測量微角位移應用很廣泛，可以滿足高精度測量[1]，本文主要分析了二維PSD的工作原理、實驗的設計以及對實驗數(shù)據(jù)的處理，得出了激光束斜入射時光斑能量分布的實驗測試，為以后測量微角位移做準備．

1PSD的結構和原理

PSD作為位置探測器的一種，它具有較高的分辨率、響應快等優(yōu)點．一維PSD是由P，I，N3層半導體構成，假如位于表面的P層具有均勻的電阻，當激光射入光敏層時，產生橫向的光電效應并產生光電流I0，實現(xiàn)了光電轉換，I0分別流入兩個電極，且兩個電極的電流信號I1，I2與兩段電阻ROA，RAB成反比[2]，過程中實現(xiàn)了對電流信號的分配，根據(jù)每個電極上的電流信號來判斷入射光的位置，位置信息僅與激光光斑能量中心位置有關．一維PSD結構如圖1(a)所示．二維PSD原理與一維PSD類似，不同的是它有兩個光敏面，分別檢測激光光斑分別在x和y的位置信息[3]．二維PSD結構如圖1(b)所示．激光光斑的位置坐標信息(x,y)用式(1)表示．

圖1

(1)

式中X1，X2，Y1，Y2分別是各個電極的電流輸出．

2測量光斑能量分布選定二維PSD

本次實驗測試中激光在二維PSD上形成的是圓點光斑，由于實驗中激光器與二維PSD之間的距離比光闌孔徑大，于是可以把圓點光斑看成光通過圓形光闌產生的夫瑯禾費衍射所形成的[4]．

保持光入射在PSD中心，并且使衍射環(huán)的前三級在PSD敏感面的感應區(qū)域內，當垂直入射時，光斑能量中心在PSD中心；當以一角度θ入射時，能量中心位置稍偏離PSD中心．衍射環(huán)如圖2所示．

圖2

3實驗測試及數(shù)據(jù)處理

下面討論激光束斜入射時光斑能量中心位置隨入射角變化的情形.

微角度位移測量的方法有很多種，由于光學測量方法精確度比較高，在制導等應用中運用廣泛．本方法是結合PSD的一種新型的測量微角位移光學測量方法[5]．把二維PSD安裝到測量微轉動角度的精密儀器上，激光光束入射到位置檢測器二維PSD上，傳出的信號經過光電位置綜合測試儀處理與計算機相連并顯示出光斑中心位置信息．利用搭建的平臺，讓轉盤轉動一個小角度，并且記錄下與之對應的光斑中心位置．這里選取的角度不大于15°．重復以上操作，多次測量，可以得出以下數(shù)據(jù)．

表1　激光束入射角度 θ與光斑中心位置變化

入射角度θ/(°)89101112131415光斑(左入射)中心位置x/mm0.9331.0921.2171.2811.4651.5921.7221.851光斑(左入射)中心位置x/mm0.9091.0660.1891.3121.4291.5531.7641.809

表1中的數(shù)據(jù)可以表示為圖3(a)，并通過最小二乘法把從左邊入射的激光光斑中心位置的一組數(shù)據(jù)擬合為直線，如圖3(b)所示．可以得到光斑中心位置與激光入射角的正比例函數(shù)關系，即

x=0.122 4θ+0.008 4

圖3

4結論

當激光以一小角度入射時，光斑中心位置與激光入射角成正比例關系，選取的角度應不大于15°．

參 考 文 獻

1于麗霞,王福明. 一維PSD器件及其在測量中的應用.現(xiàn)代電子技術,2007(7):143～144

2郭書立,李立軍,譚定忠.一維、二維PSD的檢測原理及測量電路.佳木斯大學學報，2000(3):292～295

3張彩妮. 微角度的光學測量.光電子·激光,2002(4):416～419

4張婷婷,姚恩濤,賈俊濤. 激光光斑形狀及入射角對PSD位置輸出影響的研究.計測技術,2012, 32(1)：15～18

5赫赤,趙克定,許宏光,等.炮控系統(tǒng)性能試驗中角位移量的幾種測量方法.火力與指揮控制，2004(6)：103～106

Experimental Test on Light Spot Energy Distribution

in the Oblique Incident Laser Beam

Zhu JingjingLi YijunLi Jie

(Department of Physics,North University of China, Taiyuan，Shanxi030051)

Abstract:This paper proposes a new kind of micro angular displacement measuring system .Combined the two-dimensional PSD position detector, the spot center location have been determined with the change of the deviation of the Angle,then a method is get to measure micro angular displacement in practical application.

Keywords:laser light；light spot energy；a two-dimensional PSD