光束質量測量裝置的光路矯正及測量功能驗證研究?

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

激光問世于1960年，在其發展歷程中，它被廣泛應用于多個領域。其能量集中的特點可用于切割、焊接［1］及制造激光武器；其方向性好的特點可利用于測距［2］及遠距離激光通信；使用激光脈沖加熱實現可控核聚變技術也在研究當中。

遠距離激光通信需要兩側通信終端時刻保持光路聯通；測量激光質量的精度則受限于光路是否嚴格垂直于光敏面?？梢姡刂萍す夤饴返姆较?，即光路矯正，對激光光束質量測量、激光通信等領域啟到十分重要的作用。目前用于測量激光光束質量主要依靠進口產品，通過與國外先進系統設備結構比較，可以看出國內各個自己搭建的測量系統還比較簡陋，沒有產品化還處于實驗室階段［3］。

2 激光光束質量測量原理分析

2.1 光路矯正原理

本系統進行M2因子測量之前需要對光路矯正［4］。原因是當光路不是平行于光敏面平移軸時，由于有一定的夾角，光路與平移軸的夾角越小，最終計算所得的參數越接近真實值。

當前常用的光路矯正方法有光闌對準法和圖像處理法［5］。本系統中測量M2因子采用獲取光斑強度的二階矩測量［6］，所以光路矯正部分使用圖像處理法。

圖1 矯正系統原理圖

圖1是本系統矯正的原理圖。其中O點是入射激光經過全反射棱鏡反射后的出射點，這里可以理解為激光光源；當中光路OAB是理想狀況下，激光垂直入射至相機光敏面的情況。

實驗過程中，將相機光敏面沿理想光路傳輸方向z軸移動至光敏面1的位置，對光斑圖像采樣并記錄光斑中心 A′(x1'y1)，繼續沿z軸移動光敏面一定距離d至光敏面2位置，對光斑圖像采樣并記錄光斑中心 B′(x2'y2)，然后使用式（1）：

計算x與y方向的光路偏移角度。

2.2 激光質量測量原理

本文中使用的激光器發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是傳播方向上達到束腰處的傳播距離，λ是激光波長。將式（2）以z為主元轉換可得式（3）所示的雙曲線方程：

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

其中，i=x，y。因為當光斑為理論上的圓形時，x，y方向光斑半徑相同。但是實際中光斑形狀為不規則的橢圓形，則需要獨立求取x，y兩個方向的光斑尺寸。

3 激光光束質量測量系統介紹

本文中搭建的激光光束質量系統使用ARM芯片處理器控制各步進電機運動、光學圖像采集及處理，系統的結構圖如圖2。

依結構圖所示，激光器發出激光先通過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，避免光敏面上曝光過度使圖像失真［9］；全反射棱鏡固定在電動俯仰及旋轉臺上，通過控制臺面的兩軸角度實現光敏面上光斑相應的二維移動。使用已知焦點距離的透鏡安裝在光路中間，便可確定光束實際的束腰位置，控制光敏面隨光束方向平移，便可測量束腰光斑寬度。系統光路矯正過程中首先記錄保存兩次光斑位置信息，帶入式（1）中計算得出X，Y兩軸的偏移角度，然后電機自動調整角度準備測量步驟。光敏面隨電動平移臺運動過程中在束腰左右共攝取15個圖像數據并帶入式（3）計算出最終結果。

圖2 激光光束質量測量系統結構圖

攝取圖像經過中值濾波則能使數據圖像變得平滑［10］，濾除部分光斑周圍的噪聲。圖像處理的過程中在灰度處理之后重心法計算過程中有一步判斷圖像是否飽和［11］，這樣能夠提高測量精度［12］。

4 測試結果

使用光源為532nm的綠光激光器發出的激光光束，測得的光斑直徑隨Z軸移動距離變化的參數如圖3。將圖3的數據帶入式（3）通過擬合后可得出X，

圖3 532nm綠光光束光斑直徑參數

Y兩個方向的雙曲線系數：再通過式（5）及式（4）計算可得532nm波長綠光激光通過125mm透鏡后的M2因子及其束腰半徑，結果如表1。

表1 532nm綠光光束參數（f=125mm）

該綠光激光器技術參數說明書中說明該激光M2因子值在1.1以內，所以其結果誤差范圍是15%左右?？紤]到實驗中使用的光敏面分辨精度不高，會造成一定的實驗誤差，本系統測量的結果具有應用價值。

5 結語

本文在研究光路矯正的基礎上，搭建平臺制作了一套測量激光光束參數的設備。通過比對本系統測量商用激光器測量數據以及該激光器的標稱值，發現本系統測量的結果誤差值在可接受范圍內，具有一定的參考價值。