李 蕾，臧景峰

(長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春130022)

引 言

激光廣泛應(yīng)用于科研、工業(yè)等領(lǐng)域，選用的激光的光束光強(qiáng)分布大多為近似高斯分布，所以對近似高斯分布的激光光束的質(zhì)量分析至關(guān)重要。激光光束質(zhì)量檢測的主要方法有電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)法、刀口法、小孔法、狹縫法等［1-4］。

CCD法可以測量光強(qiáng)分布較復(fù)雜的激光光束［5］，但是其光束強(qiáng)度橫向分布常存在飽和失真問題，需加衰減片，易引起其圖像的邊緣失真，這樣就增加了數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜度，降低了數(shù)據(jù)處理速度［6-8］。刀口法與小孔法一樣，在刀口或小孔尺寸一定的情況下，無法測量尺寸小于或與之處于同一量級的光斑。且小孔法測量時(shí)間長，無法直接獲得光斑能量邊緣分布。由于實(shí)際需要，因此對狹縫法進(jìn)行了改進(jìn)提出了雙狹縫掃描法。傳統(tǒng)狹縫法雖然可以直接得到激光光斑的能量邊緣分布，但是不能直接測得激光光斑光強(qiáng)的面分布，無法正確還原一些復(fù)雜的光斑能量分布［1-3］。

作者對傳統(tǒng)狹縫法進(jìn)行了一些改進(jìn)，采用雙狹縫掃描法，克服了這些缺點(diǎn)。雙狹縫掃描法是動態(tài)掃描的方式，只要掃描速度達(dá)到一定的頻率，傳感器的分辨率足夠高，機(jī)械移動步距范圍足夠大，就可以還原復(fù)雜的近高斯激光光強(qiáng)分布，測量速度快、測量精度高。

1 測量原理

作者提出了一種基于狹縫法測量原理［2-4］的雙狹縫掃描法。狹縫掃描儀結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。狹縫掃描儀包含有一個(gè)轉(zhuǎn)動輪，轉(zhuǎn)動輪上有兩對不同寬度(5μm與25μm)的互相垂直的狹縫。轉(zhuǎn)動輪里安裝有一個(gè)無刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)，可控制轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動，改變轉(zhuǎn)動速率，掃描頻率可實(shí)現(xiàn)2Hz～18Hz。激光從狹縫掃描儀入射口射入，轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動的同時(shí)，垂直狹縫實(shí)現(xiàn)對激光的掃描。掃描的同時(shí)，轉(zhuǎn)動輪里面的光電探測器記錄功率大小與位置信息，即可得到不同時(shí)刻 x軸與y軸不同位置不同時(shí)刻的功率大小。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到x軸與y軸的功率分布曲線，通過分析可得出總功率分布。由x軸和y軸上的功率分布曲線可以對光束特性進(jìn)行分析，得出光束直徑、橢圓率、中心位置等一些描述光束質(zhì)量的參量［4-5］。

Fig.1 Structure diagram

連續(xù)激光的光波是連續(xù)射出的，無論掃描頻率設(shè)為多少，每次掃描都可以得到切面上完整的功率分布，故測量精度與狹縫掃描頻率的關(guān)系較為簡單。雙狹縫掃描法也可以測量脈沖激光功率分布，但是由于脈沖激光的光波并不是連續(xù)射出，如果頻率設(shè)置不合理，就無法保證每一次都能得到切面完整的功率分布，故狹縫掃描頻率的改變對脈沖激光的功率測量精度影響較大。

如果脈沖激光具有高頻率短脈沖的特點(diǎn)，測量方式就與連續(xù)激光一樣。例如典型的飛秒激光器，擁有超過100MHz以上的頻率，脈沖持續(xù)時(shí)間低于100fs。這種情況下，光敏二極管的電流放大器由于它的有限的帶寬，它測到的不是一個(gè)脈沖信號，而是一個(gè)連續(xù)信號，故可按照連續(xù)激光的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果脈沖激光的頻率在18Hz以內(nèi)，則可以手動調(diào)節(jié)狹縫掃描頻率接近激光中心頻率進(jìn)行測量。如果脈沖激光的頻率以kHz為單位，掃描頻率只能達(dá)到2Hz～18Hz，實(shí)現(xiàn)不了狹縫掃描頻率與激光中心頻率接近，此時(shí)需設(shè)置掃描頻率能整除激光頻率。比如，激光頻率為100Hz，設(shè)置掃描頻率為10Hz，那每一個(gè)10的整數(shù)倍的脈沖將會被完整掃描到。隨著掃描次數(shù)的累積，得到的數(shù)據(jù)疊加平均過程如圖2a～圖2c所示，最后處理得到x軸與y軸的功率輪廓分布(見圖2d)。

Fig.2 Change process of pulse laser scanning

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)有著低功耗、低成本、高可靠性、對數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)處理［9-11］的優(yōu)點(diǎn)，所以采用嵌入式技術(shù)完成對整個(gè)系統(tǒng)的控制?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)動可帶動轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)狹縫轉(zhuǎn)動，對激光光束進(jìn)行掃描。掃描后得到的x軸與y軸功率值傳遞給嵌入式系統(tǒng)，經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)的處理計(jì)算，最后將分析的結(jié)果在顯示屏上顯示。系統(tǒng)方案如圖3所示。

Fig.3 Scheme of system structure

為了實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)快速處理，系統(tǒng)選用了Cortex-A9處理器，在Cortex-A9處理器上運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化，方便攜帶，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地測量激光光束質(zhì)量［12］。

3 擴(kuò)展系統(tǒng)

如還需對光束質(zhì)量因子M2進(jìn)行測量，可以加擴(kuò)展系統(tǒng)。光束質(zhì)量因子測量裝置模擬圖如圖4所示，激光從擴(kuò)展系統(tǒng)入射后(入射口安裝有抗反射涂層的透鏡)，打向反射鏡，經(jīng)過反射鏡反射后進(jìn)入雙狹縫掃描儀，繼續(xù)上述介紹的狹縫測量過程。反射鏡安裝在拖動臺上，伺服電機(jī)控制拖動臺移動，從而控制激光從入射口到狹縫掃描儀的行程長度。測量方法與傳統(tǒng)的M2測量方法一致，調(diào)整反射鏡的位置，使得光束束腰接近行程的中間位置。拖動臺沿著光束傳播方向移動，在不同的位置測量激光束寬，用雙曲線擬合確定光束束腰的位置和大小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用三點(diǎn)法進(jìn)行處理，進(jìn)行二項(xiàng)式擬合，即可得到光束質(zhì)量因子的大?。?3-14］。并且移動反射鏡改變光路行程的同時(shí)，狹縫掃描儀也記錄下激光的功率大小。

Fig.4 Simulation diagram of expansion platform

4 測量數(shù)據(jù)

為了與傳統(tǒng)狹縫掃描法進(jìn)行對比分析，對同一激光器發(fā)出的高斯激光分別使用了傳統(tǒng)狹縫法與雙狹縫掃描法進(jìn)行測量。

使用雙狹縫掃描法測量時(shí)，功率探測器測量得到的x軸與y軸功率分布曲線如圖5與圖6所示。知道了x軸與y軸的功率分布，可通過功率通量法［15-16］計(jì)算得出光束直徑、橢圓率，分析中心位置，并且可以通過中心位置的位置漂移，分析激光光束的好壞。通過x軸與y軸的功率分布，可以得到激光的2-D功率分布圖像，也可以模擬出3-D功率圖像。

Fig.5 x axial power distribution with double slit scanning method

Fig.6 y axial power distribution with double slit scanning method

Fig.7 2-D image with double slit scanning method

圖5 與圖6中曲線1是實(shí)際測得的激光功率曲線，曲線2是近似高斯適應(yīng)函數(shù)，曲線3為近似貝塞爾曲線。如果對能量峰值進(jìn)行自動定量，測量曲線顯示相對強(qiáng)度百分比從0%到100%，100%表示x軸與y軸強(qiáng)度的最大值。

經(jīng)過計(jì)算處理后得到的2-D圖像如圖7所示，3-D圖像如圖8所示。

Fig.8 3-D image with double slit scanning method

使用傳統(tǒng)狹縫掃描法測量時(shí)，功率探測器測量得到的x軸與y軸功率分布曲線如圖9、圖10所示，3-D圖像如圖11所示。

Fig.9 x axial power distribution with traditional slit scanning method

Fig.10 y axial power distribution with traditional slit scanning method

可以明顯看到，使用傳統(tǒng)狹縫法測量得到的3-D圖像有失真，這是由于使用傳統(tǒng)狹縫法測量，狹縫可測量的位置與數(shù)據(jù)都有限，雖然可以很方便地得到激光光斑的能量邊緣分布，但是無法直接得到面分布，還原出的3-D圖像也出現(xiàn)了嚴(yán)重失真。

Fig.11 3-D image with traditional slit scanning method

5 測量精度

測量精度受數(shù)模(analog/digital，A/D)轉(zhuǎn)換器采樣率的限制，A/D轉(zhuǎn)換器采樣率越高，測得的數(shù)據(jù)精度越高。系統(tǒng)選用16位的A/D轉(zhuǎn)換器。測量連續(xù)激光時(shí)，當(dāng)狹縫寬度為25μm時(shí)，數(shù)據(jù)精度只在掃描頻率大于15Hz時(shí)才有變化。當(dāng)狹縫寬度為5μm時(shí)，測得的數(shù)據(jù)精度很大程度上受掃描頻率的影響，經(jīng)過多次試驗(yàn)測得掃描頻率與功率數(shù)據(jù)精度關(guān)系如圖12所示?？梢钥闯?，在狹縫寬度與A/D轉(zhuǎn)換器采樣率不變的同時(shí)，隨著掃描頻率的增加，精度越高，但掃描頻率達(dá)到12Hz以上時(shí)，精度幾乎不再變化。

Fig.12 Measurement precision of continuous wave laser

經(jīng)過多次測量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了狹縫掃描頻率與激光中心頻率存在整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，測得的數(shù)據(jù)精度較高。當(dāng)兩者存在整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，每一次掃描都能得到切面完整的功率分布。如果兩者不存在整數(shù)倍關(guān)系，不能保證每一次掃描得到的數(shù)據(jù)都是完整的，數(shù)據(jù)不完整的需要舍去。在使用相同的時(shí)間前提下，兩者不存在整數(shù)倍關(guān)系時(shí)得到的數(shù)據(jù)量更小，會影響最后的測量精度。如果在兩者不存在整數(shù)倍關(guān)系時(shí)還想得到更高的處理精度，就需要延長掃描時(shí)間，這樣就增加了掃描的次數(shù)，需要更長的時(shí)間。但是如果儀器運(yùn)行時(shí)間過長，產(chǎn)生的一些熱量會對電路有一定的影響，難免會產(chǎn)生一些噪聲產(chǎn)生誤差。所以為了保證測得的數(shù)據(jù)精度，設(shè)置狹縫掃描頻率與激光中心頻率為整數(shù)倍關(guān)系。

選用精準(zhǔn)的脈沖頻率為6Hz的激光進(jìn)行測量，在使用相同時(shí)間的前提下，改變狹縫掃描頻率，通過多次試驗(yàn)得得到的掃描頻率與功率數(shù)據(jù)精度關(guān)系如圖13a所示。當(dāng)掃描頻率為6Hz，12Hz，18Hz時(shí)，測量精度很高，但當(dāng)掃描頻率為其它不是激光中心頻率整數(shù)倍的情況時(shí)，測量精度并不高。選用精準(zhǔn)的脈沖頻率為8Hz的激光進(jìn)行測量，在使用相同時(shí)間的前提下，改變狹縫掃描頻率，通過多次試驗(yàn)得得到的掃描頻率與功率數(shù)據(jù)精度關(guān)系如圖13b所示。當(dāng)掃描頻率為8Hz和16Hz時(shí)，測量精度很高，但當(dāng)掃描頻率為其它不是激光中心頻率整數(shù)倍的情況時(shí)，測量精度同樣也不高。

Fig.13 Measurement precision of pulse laser

6 結(jié)論

在傳統(tǒng)的單狹縫掃描法的基礎(chǔ)上，提出了可以快速精準(zhǔn)測量近高斯激光束質(zhì)量的雙狹縫掃描法，并用該測量系統(tǒng)對高斯激光進(jìn)行了測量實(shí)驗(yàn)。理論分析與結(jié)果表明，雙狹縫掃描測量激光能量分布的方法可以準(zhǔn)確快速地測量近高斯激光的能量分布，并且可以加擴(kuò)展系統(tǒng)完成光束質(zhì)量因子M2的測量，對光束質(zhì)量有一個(gè)完整的系統(tǒng)分析。

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