潘玉寨，李愛芝，孫正和，賈萬(wàn)泉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區(qū)理學(xué)院光電科學(xué)系，山東威海 264209）

基于MSP430F149的激光光斑自動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘玉寨，李愛芝，孫正和，賈萬(wàn)泉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區(qū)理學(xué)院光電科學(xué)系，山東威海 264209）

設(shè)計(jì)了刀口法激光光斑自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，采用MSP430F149單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)刀口自動(dòng)掃描，同步采集光電探測(cè)器信號(hào)并傳入控制計(jì)算機(jī)，利用Lab VIEW語(yǔ)言開發(fā)“人機(jī)交互界面”，借助Matlab Script節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到光斑尺寸參量，實(shí)現(xiàn)了激光光斑尺寸的實(shí)時(shí)測(cè)量顯示和程序化處理.

激光光斑；刀口掃描法；MSP430F149單片機(jī)；Lab VIEW

1 引 言

激光設(shè)計(jì)及應(yīng)用中對(duì)激光光束質(zhì)量（光斑半徑和發(fā)散角）的精確測(cè)量有著非常重要的意義［1］.在培養(yǎng)光電信息技術(shù)人才過程中，激光光斑尺寸的測(cè)量也是基礎(chǔ)性或設(shè)計(jì)性實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容之一［2］.測(cè)量激光光束光斑尺寸的方法主要分為兩大類［3］，一類是采用傳統(tǒng)方法，用不透明物截?cái)喙馐?，使其基橫模通過并觀察投射過去光束的總能量變化.如可變光闌法、刀口法等；另一類方法是基于CCD等探測(cè)器點(diǎn)陣的測(cè)量方法，這種方法在工業(yè)及其他領(lǐng)域應(yīng)用較多，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的測(cè)量.各種測(cè)量方法中，對(duì)應(yīng)光斑尺寸的定義不同，特別是存在高階模式的激光光束，存在較大的差別，但對(duì)于基橫模激光光束的分析，均具有較好的結(jié)果.

刀口掃描法是一種操作相對(duì)方便，費(fèi)用低，可以在各個(gè)領(lǐng)域推廣普及的一種方法，是測(cè)量激光光束光斑尺寸常見方法之一［4-6］.然而，傳統(tǒng)的刀口掃描法采用手動(dòng)操作，人工記錄數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)處理繁瑣.為了讓這一方法能夠得到更好的應(yīng)用，并與其他專業(yè)知識(shí)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΓO(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了刀口自動(dòng)掃描、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示.通過使用高精度步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)刀口掃描，減小手動(dòng)操作帶來(lái)的誤差，采用高速16位MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)精確控制及測(cè)量數(shù)據(jù)的高速傳輸和處理，使用Lab VIEW圖形化編程軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示記錄和保存，同時(shí)通過Matlab Script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后期處理和圖形的繪制擬合，縮短操作時(shí)間，提高測(cè)量效率，避免人工操作誤差，在一定程度上提高了測(cè)量的精度.

2 基本原理

2.1 激光光束的光斑半徑及發(fā)散角

He-Ne激光器輸出為基橫模高斯光束，如圖1（a）和（b）所示.激光束在垂直于z軸x-y平面上光強(qiáng)分布I（x，y）為

其中I0為光束截面上的中央最大光強(qiáng)，w稱為光斑半徑，定義為光強(qiáng)衰減到中央最大光強(qiáng)的1/e2的位置與z軸之間的距離，如圖1（c）所示.衡量光斑大小也常用半極大全寬度，定義為光強(qiáng)衰減到中央最大光強(qiáng)的一半的位置與z軸之間距離的2倍，稱之為半功率直徑，記為D1/2，它與w的關(guān)系為

激光光束的總功率為

根據(jù)激光傳輸特性，高斯光束的光斑尺寸呈雙曲線發(fā)散，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散全角為雙曲線2條漸近線的夾角.通過雙曲線擬合可直接計(jì)算出激光光束的束腰半徑.由以上分析可知，光斑半徑測(cè)量是計(jì)算激光光束各參量的關(guān)鍵.

圖1 激光光束的基本特性示意圖

2.2 刀口掃描法測(cè)量原理

在激光光束的垂直截面上，采用刃口平直的刀口掃描光斑，刀口尺寸遠(yuǎn)大于光束直徑，則不同面積的激光光斑照射進(jìn)入光電探測(cè)器刀口固定于螺旋測(cè)微器上，記錄刀口的位置信息與光探測(cè)器探測(cè)到的光功率，作光功率隨刀口位移變化的分布曲線，從而找到激光光斑半徑.

刀口平行于y軸，沿平行于x軸方向移動(dòng)，如圖2（a）和（b）所示.刀口遠(yuǎn)離光束，此時(shí)光束全部進(jìn)入光電探測(cè)器，測(cè)得激光束的總功率P0.當(dāng)?shù)犊诰徛迫牍馐鴷r(shí)，未被刀口擋住的光功率P可用余誤差函數(shù)表示為

其中，erfc（x）函數(shù)為互補(bǔ)誤差函數(shù)，其數(shù)值可查表求得.式（4）歸一化后有：

其中，σ＝w/2是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)偏差.根據(jù)式（5）可作出相對(duì)功率與刀口位置關(guān)系曲線，如圖2（c）所示.通過查找erfc（x）函數(shù)表可知，當(dāng)?shù)犊谡谧」馐芰康?.3%及97.7%的2個(gè)刀口位置間的距離為光斑直徑；刀口遮住光束能量的10%及90%兩個(gè)位置間的距離的1.56倍為光斑直徑，常稱為90/10刀口法［6］.考慮到若x1，x2的位置太靠近光斑邊沿，易引起較大測(cè)量誤差，在本設(shè)計(jì)中，采用了符合式（1）中光斑半徑定義的測(cè)量方法［5］，若測(cè)得相對(duì)功率為25%和75%的兩位置分別為x1和x2，其距離為：x2－x1＝0.674 5σ，可求得刀口位置處的光斑半徑w＝2.965 2（x2－x1）.

圖2 刀口掃描法測(cè)量原理示意圖

3 測(cè)量裝置的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，高質(zhì)量刀口裝在移動(dòng)精度0.02 mm的螺旋測(cè)微器上，螺旋測(cè)微器與步進(jìn)電機(jī)固定，并保證中心軸一致，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺旋測(cè)微器旋鈕同步運(yùn)動(dòng).步進(jìn)電機(jī)為杰美康機(jī)電公司提供的86型兩相四線步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)借助與其匹配的2M542型驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，脈沖停止超過100 m/s，定位精度最高可達(dá)25 600步/轉(zhuǎn).電機(jī)的扭矩以及定位精度完全滿足實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)于精度的要求.光功率計(jì)采用硅光電探測(cè)器，置于刀口掃描裝置的后方，光電探測(cè)接收器采用直徑為25 mm的硅光電池.采用TI的MSP430F149單片機(jī)作為下位機(jī)，提供給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào).MSP430F149單片機(jī)同步采集硅光電池的電壓信號(hào)，將采集得到的數(shù)據(jù)通過串口傳入控制計(jì)算機(jī)，運(yùn)行在控制計(jì)算機(jī)上的虛擬儀器——“人機(jī)交互界面”是利用NI公司提供的Lab VIEW圖形編程語(yǔ)言開發(fā)的，同時(shí)借助Matlab Script節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到激光的光束參量.在控制計(jì)算機(jī)上顯示測(cè)量數(shù)據(jù)及最終得到的光斑半徑數(shù)值.

圖3 刀口掃描法激光光斑自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

MSP430F149是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶Flash的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞.MSP430F149具有豐富的片上功能模塊，方便用戶實(shí)現(xiàn)各種功能，同時(shí)充足的I/O接口，可以滿足用戶的各種需求.Flash型MSP430F149開發(fā)板具有豐富的片上外圍模塊，可在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載，而且可以在超低功耗模式下工作，可靠性能好，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境.另外由于MSP430F系列單片機(jī)具有非常強(qiáng)的處理能力，因此非常適合對(duì)處理速度要求比較高的嵌入式系統(tǒng)［7-8］.

Lab VIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（簡(jiǎn)稱NI）推出的一款圖形化語(yǔ)言界面軟件開發(fā)環(huán)境［9］，是虛擬儀器開發(fā)過程中最具代表性的圖形化編程語(yǔ)言，可在控制計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與實(shí)際硬件儀器相似的操作面板，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一.除此之外，Lab VIEW易與各種硬件集成，適用于開發(fā)各種控制系統(tǒng).除工業(yè)自動(dòng)化、信息數(shù)據(jù)處理檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用外，是一種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備開發(fā)、大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面常用工具，已經(jīng)在高校各類基礎(chǔ)或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用［10-12］.

3.1 下位機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

針對(duì)MSP430F149單片機(jī)，在IAR Embedded Workbench for MSP430 V4.20開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行程序開發(fā)及調(diào)試.下位機(jī)共包括MSP430F149單片機(jī)、串口以及步進(jìn)電機(jī)在內(nèi)的三大部分.程序設(shè)計(jì)包括以下幾部分：

1）系統(tǒng)的初始化，包括單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，I/O引腳的初始化，AD轉(zhuǎn)換部分的初始化，串口的初始化以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的初始化.在設(shè)計(jì)中，應(yīng)用RS232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，選定串口波特率為32 k/9 600，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位；

2）步進(jìn)電機(jī)的控制，主要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速控制；

3）數(shù)據(jù)的采集處理，主要借助硅光電池作為信號(hào)檢測(cè)器，單片機(jī)對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化.除去硬件AD轉(zhuǎn)換以外為使得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行了平滑濾波.

4）串口通信程序設(shè)計(jì).串口通信程序模塊是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與控制計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā).

圖4（a）給出了下位機(jī)程序流程圖.

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器軟件Lab VIEW開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)包括以下幾部分：

1）對(duì)使用函數(shù)初始化；

圖4 程序流程圖

2）串口通信區(qū)域程序設(shè)計(jì).包括串口設(shè)置、串口打開、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)寫入、串口關(guān)閉，通過Read函數(shù)將下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)從串口以字符串的形式讀出，然后將數(shù)據(jù)組建成數(shù)組二維數(shù)組，分別存放在數(shù)據(jù)采集控件和波形圖中.在采集數(shù)據(jù)控件顯示采集到的所有數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后可以把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成文件，方便后續(xù)處理.

3）數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算.選用Matlab Script的方法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理.數(shù)據(jù)的處理過程主要是數(shù)據(jù)擬合，尋找光強(qiáng)最大值以及75%和25%處的坐標(biāo)位置，根據(jù)理論公式計(jì)算出光斑半徑和功率半徑，并顯示于相應(yīng)控件.圖4（b）中給出了上位機(jī)程序流程圖，圖5給出該系統(tǒng)的主界面.主要有曲線實(shí)時(shí)顯示區(qū)、串口設(shè)置區(qū)、寫入命令區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、存儲(chǔ)設(shè)置區(qū)以及分析結(jié)果顯示區(qū)等.

圖5 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的主控界面

4 光斑參量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

對(duì)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)硬件高度完成之后，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)氦氖激光器的光斑尺寸進(jìn)行了測(cè)試.測(cè)試之前氦氖激光器通電工作約0.5 h，保證激光穩(wěn)定工作，測(cè)試時(shí)激光器按圖3所示擺放，并通過調(diào)整架使激光束垂直入射刀口平面及光功率計(jì)平面，每次重復(fù)測(cè)量次數(shù)為3次.實(shí)驗(yàn)中刀口離激光器輸出鏡面距離為22 cm，在該距離下，實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中沒有發(fā)現(xiàn)激光光斑超出光功率計(jì)內(nèi)光電探測(cè)器表面.實(shí)驗(yàn)過程中程序前面板顯示如圖5所示，圖中數(shù)據(jù)是未歸一化前某次實(shí)測(cè)電壓值.通過計(jì)算得到的激光參量為：激光光斑半徑w＝0.859 5 mm；半功率直徑D1/2＝1.012 4 mm.

為了驗(yàn)證自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在同一位置換上手動(dòng)刀口掃描裝置，用同一光電探測(cè)器進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，手動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的激光參量為：激光光斑半徑w＝0.848 4 mm；半功率直徑D1/2＝0.997 1 mm.2種方法測(cè)量結(jié)果偏差較小.自動(dòng)與手動(dòng)掃描法測(cè)量結(jié)果顯示在圖6中，由圖中可見，刀口掃描自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定.多次測(cè)量結(jié)果顯示穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于手動(dòng)測(cè)量，其原因是自動(dòng)測(cè)量避免了手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的移動(dòng)誤差、讀數(shù)誤差等.

圖6 刀口掃描法自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)量結(jié)果

通過上述對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與手動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，可判斷出設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確的測(cè)量激光光束光斑半徑，省時(shí)方便，形象直觀，準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性高.滿足實(shí)際應(yīng)用要求，可用于物理及光學(xué)類激光相關(guān)實(shí)驗(yàn).目前該測(cè)量系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，通過進(jìn)一步的工作，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）增加等時(shí)間間隔定時(shí)測(cè)量記錄激光功率，可實(shí)現(xiàn)激光功率穩(wěn)定性的測(cè)量；

2）在刀口掃描裝置上增加沿激光束傳播方向的移動(dòng)控制平臺(tái)，自動(dòng)測(cè)量不同位置處激光光斑半徑，可進(jìn)一步計(jì)算激光發(fā)散角和束腰半徑.

在實(shí)際測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果具有一定的隨機(jī)性，即使同樣測(cè)試條件下重復(fù)多次測(cè)量，所得數(shù)據(jù)值并不完全相同，雖然光電探測(cè)器前端套筒避免了部分背景光影響，但空氣波動(dòng)等因素的存在仍影響測(cè)量結(jié)果，因此在測(cè)量過程中，采用了平滑濾波處理，降低各種外界因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響.另外，自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)本身因電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、刀口移動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性、螺旋測(cè)量器與電機(jī)的不同軸等也使測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差.

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)手動(dòng)刀口掃描法測(cè)量激光光斑尺寸的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng).采用了MSP43F149單片機(jī)作為下位機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)刀口自動(dòng)掃描，同步采集光電探測(cè)器信號(hào)，利用Lab VIEW語(yǔ)言開發(fā)程序界面，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)收發(fā)及保存，借助Matlab Script節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)分析得到激光光斑尺寸參量，實(shí)現(xiàn)激光光斑尺寸測(cè)量的程序化、信息化和自動(dòng)化.通過進(jìn)一步設(shè)計(jì)，還可實(shí)現(xiàn)激光功率穩(wěn)定性及光束發(fā)散角的自動(dòng)測(cè)量.

［1］ Sirohi R S.A course of experiments with He-Ne laser［M］.2ndEdition.New Delhi：New Age International Ltd.，1991：7-11.

［2］ 王澤斌，黃佐華.套孔法測(cè)量激光光束光斑半徑方法探討［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（12）：33-35，38.

［3］ ISO/TR11146-3 2004，Test methods for laser beam widths，divergence angles and beam propagation ratios-Part 3：Intrinsic and geometrical laser beam classification，propagation and details of test methods［S］.

［4］ 楊楓，孔憲生.用刀口法測(cè)量氦氖激光基橫模［J］.大學(xué)物理，1998，17（11）：25-26.

［5］ 高源，樊仲維，余錦，等.刀口法測(cè)平頂光斑和高斯光斑半徑的新算法［J］.激光技術(shù)，2013，37（2）：261-264.

［6］ 樊心民，鄭義，王冠軍，等.90/10刀口法測(cè)量高斯激光光束束腰的兩種計(jì)算方法［J］.應(yīng)用激光，2008，28（2）：139-141.

［7］ 秦龍.MSP430單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［8］ 孫敬姝，李蕊，李志有，等.基于MSP430單片機(jī)的自動(dòng)灌溉演示裝置［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（1）：15-17.

［9］ 楊樂平，李海濤，楊磊.Lab VIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［10］ 凡時(shí)財(cái)，李星曄，鄒見效.虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)及教學(xué)應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012，10（3）：8-11.

［11］ 趙佳，劉蘊(yùn)紅.基于Lab VIEW和FPGA的慢光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（3）：9-11，28.

［12］ 管婉青，郭明俊，劉堯，等.基于Lab VIEW的聲速測(cè)量系統(tǒng)研究聲速與溫濕度的關(guān)系［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2013，33（8）：7-9，14.

［責(zé)任編輯：郭 偉］

Auto-measuring system of laser beam width based on knife-edge method and MSP430 MCU

PAN Yu-zhai，LI Ai-zhi，SUN Zheng-he，JIA Wan-quan
（Department of Optoelectronics Science，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China）

The design and realization of an auto-measuring system of laser beam width based on knife-edge method and MSP430F149 MCU were presented.The MSP430F149 MCU was utilized to push and pull the knife automatically.The signal of the photoelectric detector was synchronously acquired and transferred to the control computer.The human-computer interface was realized using Lab-VIEW，the laser beam width was subsequently obtained and analyzed with the aid of Matlab Script nodes.The real-time display，measurement and programmatically processing of laser beam width had been realized.

laser beam width；knife-edge method；MSP430F149 MCU；Lab VIEW

TN247；O4-39

A

1005-4642（2014）10-0032-06

2014-05-30；修改日期：2014-07-09

哈工大研究生教改研究項(xiàng)目（No.JGYJ-201436）；威海校區(qū)大物實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新項(xiàng)目（No.IMIQ10110010）

潘玉寨（1976－），男，山東濟(jì)寧人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區(qū)理學(xué)院光電科學(xué)系副教授，博士，研究方向?yàn)榧す饧夹g(shù)及應(yīng)用.

孫正和（1960－），男，山東即墨人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區(qū)理學(xué)院光電科學(xué)系副教授，碩士，研究方向?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、激光技術(shù)及應(yīng)用.