激光光束質量測量系統技術的研究

趙儒桐，劉鵬，王曉曼

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022）

激光光束質量測量系統技術的研究

趙儒桐1，劉鵬2，王曉曼1

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022）

為適應社會對高質量激光器的需求，提高光束質量的前提是能獲得其準確的性能參數。設計了一款基于機械系統、光學系統、電子學系統組成的M2因子光束質量測量系統。其創新點在于系統的智能化。系統通過步進電機自動控制整個平臺使得CCD相機采集到多點的激光切片圖像，完成圖像的采集后傳輸給計算機，由軟件進行數據處理與算法分析，最終會在上位機中看到激光的光強分布圖及處理結果。實驗結果表明，系統可以對200～1300nm范圍內的激光光束質量進行測量鑒定，進而對提高光束質量提供可靠依據。

激光器；M2；步進電機；CCD

伴隨技術領域的不斷前進，特別是激光在通信、加工、測試等領域的迅速發展，社會對激光測試的市場需求提出其定量、快速、綜合評價的性能參數的要求。因此，要研究和應用激光就必須能夠對激光的特性參數進行準確測量［1］。

鑒于目前在各領域中對激光器的光束質量要求越來越高，因此迫切生產能輸出高質量激光的激光器。但若要提高激光光束質量，首先必須能準確測量光束性能參數，其次對測量結果給予綜合性的分析和評價，所以對激光檢測儀器提出了更高的要求。而激光的光束質量是最能全面反映激光系統整體使用效果的重要技術指標，它的好壞直接影響著光束傳輸能力，同時代表著在同樣激光功率或能量情況下激光作用效果的好壞，并在激光裝備、激光加工、激光檢測等眾多領域中起著決定性的作用［2］。本系統采用M2因子法對激光光束質量進行評價與分析。

1 系統組成

1.1 系統結構組成

激光光束質量測量系統框圖如圖1所示。其主要由衰減片組、連續衰減片輪盤、兩對成45度夾角的反射鏡、無像差透鏡、CCD相機和步進電機等組成。

圖1 系統框圖

由激光器產生激光進入衰減組，衰減組是外置的，可以通過更換不同參數的衰減組片或者增加減少衰減片組的數量使得激光光束的能量衰減到要求的范圍內。經過衰減后的激光光束通過一對45度全反射鏡進入到無相差透鏡中。

1.2 機械系統設計

機械系統如圖2所示，主要由絲杠和步進電機組成。

步進電機1控制衰減輪組A，B輪正轉和反轉，通過不同的衰減組合，對光強進行調整，從而使光斑達到可測的光強范圍內。步進電機2控制絲杠前進或者后退，以便于在光程的近場和遠場之間采集光斑圖像。

圖2 機械系統框架

1.3 光學系統設計

光束質量測量的光學系統組成如圖3所示。主要包括固定倍率衰減光學系統、自動變倍率濾光衰減光學系統、聚焦光學系統和反射光學系統等。

圖3 光學系統

被測激光束經過衰減系統多次衰減后被聚焦光學系統聚焦，從而產生新的光束束腰，反射光學系統將入射光束反射給CCD相機接收，鑒于不同位置光斑大小不同，為了使CCD相機探測面檢測的光的強度合適且不飽和，采用自動變倍率濾光衰減系統對光束進行衰減，并實現對外界雜散光進行消除。

1.4 電子學系統設計

電子學系統主要包括CCD相機和采集卡。其中CCD相機負責探測激光光斑；數據采集卡負責采集圖像數據并傳輸給上位機進行顯示處理［3］。由于激光光束質量測量系統對激光的光譜響應范圍要求比較大，光譜響應范圍為266～1300nm，可以同時對可見光波段和紅外波段的激光器進行激光光束質量的測量，這就對相機提出了更高的要求；此外，當入射光場的光斑太大或太小時，需選用合適的光學變換系統對入射光場進行光束變換，使變換后的光斑半徑與面陣CCD探測器的接收面較為匹配。

面陣CCD相機是測量激光光束質量的核心部件，其性能決定著整個系統的測量精度，基于以上的需求，應該合理地選擇相機，綜合考慮，相機的選擇應考慮以下幾方面：1）高分辨率；2）低噪聲；3）光譜響應范圍。對相機而言，相機分辨率越高，所選擇的面陣CCD相機的像元數足夠多；其次系統中主要考慮相機的熱噪聲、暗電流噪聲，要求選擇低噪聲、暗電流小的CCD相機；最后本系統設計要求光譜范圍在200～1300nm，選擇CCD時要考慮相機在此波段要有響應且響應度盡可能高。

2 實現原理及測量方法

2.1 對光路原理

在對激光光束質量測量之前，首先應該做的是搭建好外部光路，如圖4所示應該保證以下幾點：

A）保證激光器入射點、反光鏡和測量系統中的透鏡中心應大致保持在同一水平高度。

B）從近場到遠場，保證激光光斑的束腰能出現在CCD視場中。

C）保證激光傳播路徑上不同位置處的光斑圖像在CCD視場中的位置保持不變。

對光路的方法：

（近場-----＞遠場）

上下偏：近端的反光鏡往上（下）調，遠端的反光鏡往下（上）補，并補回到原來位置，根據偏移幅度，調節反光鏡的偏移幅度大小；

左右偏：如果光斑往左（右）偏移過大，直接調節遠端的反光鏡往左（右）偏移；當光斑小范圍左右偏移時，光斑往左（右）偏，則調節近端的反光鏡往左（右）調，然后調節遠端的反光鏡往右（左）補回到原先位置處。

圖4 調校光路

2.2 透鏡變換原理

2.2.1 光束質量測量參數M2

M2既能反映激光的近場特性（光束束腰），還代表激光的遠場特性（發散角），可以綜合描述光束的質量，并且有通過理想介質傳輸變換時不變的重要性質[4]。它克服了常用的激光光束質量評價的局限。實際光束的X方向束腰位置和Y方向束腰位置大多在不同位置，X方向上的發散角和Y方向上的發散角也大小不同，所以光束質量因子M2分為和：

M2因子的測量實質上時通過測量束寬擬合對激光光束質量因子M2的測量，可以歸結為束腰寬度和光束遠場發散角的測量［5］。M2因子可以很好地代表光束質量的優劣，比值為1只存在于理論上的理想高斯光束，結果越接近1，說明質量越好，實際中測量值一般大于1。

2.2.2 束寬積BPP

由于不同的激光器，束腰位置可能在激光器的腔內、輸出鏡處或腔外，因此，為方便測量，根據拉赫不變量，高斯光束經過理想光學系統后束寬積是常數，所以，可以采用透鏡變換法進行測量，變換原理如圖5所示。

其中，D0表示實際束腰寬度，θ為實際發散角，為人造束腰，θ'為人造發散角。

圖5 透鏡變換原理

2.3 核心算法-切片法

利用CCD相機對激光傳播路徑上不同位置橫截面的光束進行采樣，采集不同位置的光斑圖像，利用這些光斑圖像計算出不同位置的光斑直徑，將光斑直徑數據進行雙曲線擬合得到激光光束的傳播曲線，這樣便可以計算出激光光束的束腰半徑和發散角，進而計算出光束質量M2因子［6］。

由于激光在傳播方向光束束寬以雙曲線形式變化，因此可在傳播方向的Z軸上測量不同位置的束寬D(z)，然后通過測量的數據擬合雙曲線模型求解光束束腰位置z0和D(z)，ISO推薦的雙曲線模型擬合公式為D(z)=Az2+Bz+C

如圖6所示，不同位置采到的光斑計算出不同位置的光斑直徑即得到一組（z，D(z)）的數據。這樣利用下面的曲線擬合公式就可以得到人工光束的相關參數［7］。

圖6 激光光斑分布圖

確定系數A，B，C后，經過透鏡后的人造光束的光束質量測量參數可由下面公式確定：

束腰位置：

束腰寬度：

遠場發散角：

瑞利長度：

因子：

經過透視變換后，可以根據透鏡后的測量參數反推出透鏡前的真實激光光束的光束質量參數，從而獲得激光光束質量的參數。

3 軟件設計

激光測量系統的軟件整體組成如圖7所示。

圖7 激光測量系統構架

主要包含系統參數設置，USB通信模塊，文件管理模塊，數據采集模塊，圖像顯示模塊，圖像預處理模塊，算法分析模塊，結果輸出模塊。系統設置模塊實現對圖像采集卡參數設置、相機參數設置和測量參數的設置；利用USB通信實現對下位機的控制；文件管理模塊功能包括對配置文件的讀寫操作，管理測量過程中的臨時文件；圖像顯示模塊采用OpenGL算法將二維圖像通過象素處理擴展到三維圖像從而實現三維顯示，并可通過鼠標拖動從不同視角觀察，使光強分布結果更直觀形象，并采用偽彩色來增強觀察效果；算法分析通過對光斑質心計算、光斑束寬計算和光斑輪廓投影，實現光束傳播過程雙曲線擬合、計算出透鏡后激光光束的M2參數，然后根據透鏡變換原理，從而計算出實際激光光束的M2參數。如圖8所示是系統運行時的流程圖，包含系統初始化，步進電機的控制，圖像采集處理，衰減輪的組合以及結果的顯示等等。

圖8 系統運行時的流程圖

4 測試分析

在實驗室搭建試驗環境對系統進行測試，如圖9所示。其工作原理為：由激光器產生激光，進入衰減組，衰減組是外置的，可以通過更換不同參數的衰減組片或者增加減少衰減片組的數量使得激光光束的能量衰減到要求的范圍內。經過衰減后的激光光束通過一對45度全反射鏡進入到無相差透鏡中。

圖9 系統實物圖

通過無相差透鏡轉換后的激光光束確保了束腰處于可測量的范圍內，之后通過一組反射鏡，反射鏡安裝在一個可以沿絲杠滑動的平臺上，通過步進電機控制整個平臺的前進和后退，從而能確保CCD相機可以采集到多點的切片圖像，最后激光傳入到CCD相機中，由相機完成圖像的采集。

計算機獲得圖像數據后，由軟件進行數據處理與算法分析，最終得到光束質量M2因子，如圖10所示，為處理后的顯示界面。

圖10 處理顯示界面

5 結論

本系統針對基于M2因子的激光光束質量測量研究設計，根據國際通用的M2因子測量原理，設計的一套光學機械系統。根據機械結構進行采集傳輸系統的硬件設計以及對采集到的數據采用有效的計算方法對數據處理并顯示，進而得到激光光束質量M2因子。M2既能體現激光器的近場特性，又能表現其遠場特性，對可見光和紅外激光光束質量能夠進行綜合評價，同時為激光光束質量的提高給出了依據方向。

［1］ 賀元興.激光光束質量評價及測量方法研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2012.

［2］ 黃繼鵬，王延杰.激光光斑位置精確測量系統［J］.光學精密工程，2013，21（4）：40-44.

［3］ 賈少春.激光光束質量評價參數測量技術研究［D］.西安：西安電子科技大學，2011.

［4］ 湯億則，徐志強.基于CMOS相機的激光光束質量自動測量系統設計［J］.光通信技術，2016，12（3）：65-68.

［5］ 王彩霞.嵌入式激光光束質量分析系統的研究［D］.長春：長春理工大學，2009.

［6］ 李偉.激光光束質量評價方法與光束特性參數測量系統［D］.長春：長春理工大學，2009.

［7］ 李俊.基于數字圖像處理技術的激光光束質量評價系統設計［D］.西安：西安理工大學，2009.

Research on Laser Beam Quality Measurement System

ZHAO Rutong1，LIU Peng2，WANG Xiaoman1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to meet the needs of the society for high quality laser，the standard of improving beam quality is to obtain the accurate performance parameters.Therefore，a M2 factor beam quality measurement system based on mechanical system，opti?cal system and electronic system is designed.Its innovation lies in the intelligent system.The stepping motor system through the automatic control of the whole platform makes the CCD camera to collect the laser multi point slice image，image acquisition transmission computer，data processing and analysis algorithm by software，will finally see the light intensity distribution map and the results of laser in the computer.The experimental results show that the system can be used to measure the laser beam qual?ity in the range of 200～1300nm，and provide a reliable basis for improving the beam quality.

laser；stepping motor；CCD

TN247

A

1672-9870（2017）03-0089-05

2017-03-24

趙儒桐（1991-），男，碩士研究生，E-mail：1028609761@qq.com

王曉曼（1956-），女，教授，博士生導師，E-mail：wmftys@126.com