激光束斜入射時光斑能量分布的實驗測試

朱婧婧李亦軍李潔

(中北大學(xué)理學(xué)院物理系山西 太原030051)

摘 要：本文提出了一種新型的測量微角位移系統(tǒng)．結(jié)合了二維PSD位置探測器，通過實驗得出光斑中心位置隨角度偏移量的變化關(guān)系，繼而得到在實際應(yīng)用中測量微角位移的方法．

關(guān)鍵詞：激光光斑能量二維PSD

收稿日期：(2015-06-09)

在現(xiàn)代制導(dǎo)以及其他領(lǐng)域應(yīng)用中，光學(xué)法測量微角位移應(yīng)用很廣泛，可以滿足高精度測量[1]，本文主要分析了二維PSD的工作原理、實驗的設(shè)計以及對實驗數(shù)據(jù)的處理，得出了激光束斜入射時光斑能量分布的實驗測試，為以后測量微角位移做準(zhǔn)備．

1PSD的結(jié)構(gòu)和原理

PSD作為位置探測器的一種，它具有較高的分辨率、響應(yīng)快等優(yōu)點．一維PSD是由P，I，N3層半導(dǎo)體構(gòu)成，假如位于表面的P層具有均勻的電阻，當(dāng)激光射入光敏層時，產(chǎn)生橫向的光電效應(yīng)并產(chǎn)生光電流I0，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換，I0分別流入兩個電極，且兩個電極的電流信號I1，I2與兩段電阻ROA，RAB成反比[2]，過程中實現(xiàn)了對電流信號的分配，根據(jù)每個電極上的電流信號來判斷入射光的位置，位置信息僅與激光光斑能量中心位置有關(guān)．一維PSD結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示．二維PSD原理與一維PSD類似，不同的是它有兩個光敏面，分別檢測激光光斑分別在x和y的位置信息[3]．二維PSD結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示．激光光斑的位置坐標(biāo)信息(x,y)用式(1)表示．

圖1

(1)

式中X1，X2，Y1，Y2分別是各個電極的電流輸出．

2測量光斑能量分布選定二維PSD

本次實驗測試中激光在二維PSD上形成的是圓點光斑，由于實驗中激光器與二維PSD之間的距離比光闌孔徑大，于是可以把圓點光斑看成光通過圓形光闌產(chǎn)生的夫瑯禾費(fèi)衍射所形成的[4]．

保持光入射在PSD中心，并且使衍射環(huán)的前三級在PSD敏感面的感應(yīng)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)垂直入射時，光斑能量中心在PSD中心；當(dāng)以一角度θ入射時，能量中心位置稍偏離PSD中心．衍射環(huán)如圖2所示．

圖2

3實驗測試及數(shù)據(jù)處理

下面討論激光束斜入射時光斑能量中心位置隨入射角變化的情形.

微角度位移測量的方法有很多種，由于光學(xué)測量方法精確度比較高，在制導(dǎo)等應(yīng)用中運(yùn)用廣泛．本方法是結(jié)合PSD的一種新型的測量微角位移光學(xué)測量方法[5]．把二維PSD安裝到測量微轉(zhuǎn)動角度的精密儀器上，激光光束入射到位置檢測器二維PSD上，傳出的信號經(jīng)過光電位置綜合測試儀處理與計算機(jī)相連并顯示出光斑中心位置信息．利用搭建的平臺，讓轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一個小角度，并且記錄下與之對應(yīng)的光斑中心位置．這里選取的角度不大于15°．重復(fù)以上操作，多次測量，可以得出以下數(shù)據(jù)．

表1　激光束入射角度 θ與光斑中心位置變化

入射角度θ/(°)89101112131415光斑(左入射)中心位置x/mm0.9331.0921.2171.2811.4651.5921.7221.851光斑(左入射)中心位置x/mm0.9091.0660.1891.3121.4291.5531.7641.809

表1中的數(shù)據(jù)可以表示為圖3(a)，并通過最小二乘法把從左邊入射的激光光斑中心位置的一組數(shù)據(jù)擬合為直線，如圖3(b)所示．可以得到光斑中心位置與激光入射角的正比例函數(shù)關(guān)系，即

x=0.122 4θ+0.008 4

圖3

4結(jié)論

當(dāng)激光以一小角度入射時，光斑中心位置與激光入射角成正比例關(guān)系，選取的角度應(yīng)不大于15°．

參 考 文 獻(xiàn)

1于麗霞,王福明. 一維PSD器件及其在測量中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù),2007(7):143～144

2郭書立,李立軍,譚定忠.一維、二維PSD的檢測原理及測量電路.佳木斯大學(xué)學(xué)報，2000(3):292～295

3張彩妮. 微角度的光學(xué)測量.光電子·激光,2002(4):416～419

4張婷婷,姚恩濤,賈俊濤. 激光光斑形狀及入射角對PSD位置輸出影響的研究.計測技術(shù),2012, 32(1)：15～18

5赫赤,趙克定,許宏光,等.炮控系統(tǒng)性能試驗中角位移量的幾種測量方法.火力與指揮控制，2004(6)：103～106

Experimental Test on Light Spot Energy Distribution

in the Oblique Incident Laser Beam

Zhu JingjingLi YijunLi Jie

(Department of Physics,North University of China, Taiyuan，Shanxi030051)

Abstract:This paper proposes a new kind of micro angular displacement measuring system .Combined the two-dimensional PSD position detector, the spot center location have been determined with the change of the deviation of the Angle,then a method is get to measure micro angular displacement in practical application.

Keywords:laser light；light spot energy；a two-dimensional PSD