石偉棟

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081)

目前在軌道檢測(cè)系統(tǒng)中，已普遍采用非接觸的光電測(cè)量方法。在光電測(cè)量方法中，光源的質(zhì)量直接決定著測(cè)量結(jié)果的精度，因此常常采用激光作為光源。而半導(dǎo)體激光作為激光光源的一種，具有體積小，安裝攜帶簡(jiǎn)便，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，很適合用于軌道檢測(cè)。國(guó)外原裝的軌檢車專用線光源，就是采用半導(dǎo)體激光器通過輸出光路準(zhǔn)直，最終獲得輸出線寬 ＜2 mm的線光源。由于國(guó)外原裝軌檢車專用線光源價(jià)格較高，且核心技術(shù)對(duì)我國(guó)保密，而在我國(guó)目前軌道建設(shè)迅速發(fā)展的情況下，對(duì)軌道檢測(cè)的要求也日益提高，為了降低軌道檢測(cè)成本，掌握自主性，必須對(duì)軌檢車專用線光源進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造。

1 光路設(shè)計(jì)

1.1 半導(dǎo)體激光光束準(zhǔn)直方法選擇

由于半導(dǎo)體激光器采用非對(duì)稱激活通道，由端面發(fā)射的激光束具有較大的發(fā)散，其發(fā)散角較其他激光器要大，平行及垂直方向的全角發(fā)散角分別可達(dá) θ⊥:40°～50°，θ∥:10°～20°，這樣的發(fā)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(duì)激光器出射光束進(jìn)行壓縮以滿足實(shí)際使用要求。半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)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(duì)于LD激光光束的精確準(zhǔn)直一直是備受關(guān)注的問題。LD激光光束并非普通激光器所發(fā)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(shè)計(jì)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(diǎn)光源，應(yīng)用幾何光學(xué)的理論設(shè)計(jì)所需的透鏡組。基本設(shè)計(jì)光組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)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(diǎn)光源。其快軸方向的半角發(fā)散角為20°，出光口尺寸為1 μm。為了使設(shè)計(jì)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(jù)理論分析，要求激光光束從出射點(diǎn)發(fā)出，經(jīng)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(diǎn)約400 mm處。

設(shè)激光出射點(diǎn)到單透鏡主平面的距離為s，經(jīng)過單透鏡像的位置距離主平面為 s'，將激光出射點(diǎn)到雙膠鏡中心點(diǎn)的距離設(shè)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(jù)透鏡成像公式可計(jì)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(fā)散角為20°，根據(jù)三角關(guān)系可計(jì)算得出L1與L2的最小孔徑分別為8.8 mm和10.0 mm。

實(shí)際中選用透鏡，為了節(jié)省經(jīng)費(fèi)與選用簡(jiǎn)便，應(yīng)盡量選用市場(chǎng)上已有的使用較為普遍的產(chǎn)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(chǎn)品GCL-010215與GCL-010603。相關(guān)參數(shù)信息如表1所示，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果與透鏡參數(shù)進(jìn)行ZEMAX仿真，得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。光束直徑寬度在距離400 mm遠(yuǎn)處的像，平面上控制在2 mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)的要求。ZEMAX 2D模擬簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 用于準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光器的組合光學(xué)系統(tǒng)

表1 透鏡參數(shù)信息

圖2 ZEMAX 2D模擬

表2 透鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 溫度測(cè)量與控制

本論文設(shè)計(jì)的是軌檢車專用的線光源，必須適應(yīng)于溫度跨度很大的野外工作環(huán)境。而半導(dǎo)體激光器自身的工作溫度范圍(0℃ ～+40℃)，達(dá)不到我國(guó)鐵路線路的野外環(huán)境溫度范圍(－40℃ ～+70℃)，所以必須對(duì)線光源裝置進(jìn)行溫度測(cè)量與控制，在溫度較高時(shí)對(duì)整個(gè)裝置降溫，在溫度較低時(shí)對(duì)整個(gè)裝置升溫，在溫度過低時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉激光器電源以延長(zhǎng)整個(gè)裝置的使用壽命。

2.1 溫度測(cè)量

本論文所設(shè)計(jì)的線光源采用AD590集成溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。該傳感器是美國(guó)哈里斯公司生產(chǎn)的采用激光修正的集成溫度傳感器［3］，具有測(cè)溫誤差小、動(dòng)態(tài)電阻值高、響應(yīng)速度快、微功耗、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，很適合作為軌檢車專用線光源的測(cè)溫與控溫，不需要進(jìn)行非線性校正，見表3。

2.2 溫度控制

本論文所設(shè)計(jì)的線光源采用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行溫度控制。

半導(dǎo)體制冷片也叫熱電制冷片，是一種熱泵，是利用半導(dǎo)體材料的 Peltier效應(yīng)［4］。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn):

表3 AD590主要指標(biāo)

1)不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件，是一種固體片件，工作時(shí)沒有振動(dòng)、噪聲、壽命長(zhǎng)，安裝容易。

2)半導(dǎo)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(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分離的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。

3)半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。

4)半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)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(dá)到最大溫差。

5)半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫度90℃到負(fù)溫度130℃都可以實(shí)現(xiàn)。

由其優(yōu)點(diǎn)可知，半導(dǎo)體制冷片的使用也相當(dāng)簡(jiǎn)單，控制正負(fù)兩端直流電流的輸入方向，即可實(shí)現(xiàn)制冷和加熱的目的，解決線光源半導(dǎo)體激光器的散熱問題和低溫保護(hù)問題。

3 對(duì)比試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本論文所設(shè)計(jì)的軌檢車專用線光源的性能，在線光源設(shè)計(jì)、加工、裝配完成之后，進(jìn)行了性能測(cè)試，其各項(xiàng)指標(biāo)如表 4所示，自制線光源實(shí)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(biāo)一致，滿足我國(guó)軌檢車光電檢測(cè)光源的需要。

表4 自制軌檢車專用線光源的主要性能指標(biāo)

圖3 自制線光源實(shí)際出射效果

4 結(jié)語(yǔ)

通過光路優(yōu)化設(shè)計(jì)與電路上對(duì)溫度的測(cè)量與控制，進(jìn)行了線光源的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)與研制。并通過與原裝線光源進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了本論文所研制的線光源的主要性能都達(dá)到了國(guó)內(nèi)外相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)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(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，24(2):140-143.

［2］徐強(qiáng)，曹長(zhǎng)慶，曾曉東，等.雙偏心橢圓高斯光束在一階ABCD光學(xué)系統(tǒng)中的傳輸特性［J］.光子學(xué)報(bào)，2006，35(12):1912-1916.

［3］逄玉臺(tái)，王團(tuán)部.集成溫度傳感器 AD590及其應(yīng)用［J］.國(guó)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(dǎo)體激光器溫度測(cè)控系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(4):135-137.