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0431-81702023
光學工程
基于LabView的激光束發散角測量系統

于LabView的激光束發散角測量系統

 

摘要 為了滿足激光器生產過程中快速檢測激光發散角的需求,研制了一套激光發散角快速測量系統。測量系統采用焦點法測量激光發散角,利用可變光闌法確定透鏡焦點處激光束的直徑。為了提高測量系統的自動化程度,基于 LabView 軟件開發平臺開發了測控軟件。可實現對不同孔徑小孔光闌的自動更換測量,記錄相應的透過能量值,計算激光束發散角,并進行保存和打印。實驗結果表明,測量系統測量結果準確,測量誤差小于0.05mrad,自動化程度高、操作簡便,能夠滿足激光發散角快速測試的要求。

 關鍵詞 測量;脈沖激光;發散角;可變光闌法;LabView

1 引 言

       激光束的發散角是評價激光器性能的重要指標[1,2]。不論 是 在 實 驗 室 研 究 中 對 光 束 質 量 的 分析[3,4],還是在諸如激光測距、激光雷達等遠距離激光探測應用中都需要對激光束的發散角進行測量。目前,激光束發散角的測量技術已經相當成熟,提出了多種可行的測量方法[5~9]。常用的有焦點刀口掃描法[10]、CCD 攝像法[11]以及可變光闌法,此外,還有如偏硼酸鋇(BBO)倍頻法[12]和偏振光干涉法等。其中,BBO 倍頻法和偏振光干涉法的精度依賴于所采用的晶體材料,成本高;焦點刀口掃描法需要的測量時間長;CCD攝像法和可變光闌法的測量誤差較大。如何實現激光發散角快速、準確、自動的測量,是激光器生產過程中亟需解決的問題。

       本文介紹了一種專門為激光器生產線應用而研制的激光束發散角測量系統。針對被試激光器的輸出特性以及測量精度要求,選用可變光闌法進行發散角的測量。并基于 LabView 軟件開發平臺開發了測量控制軟件,能夠完成數據的采集、處理,測量結果的顯示、存儲和打印等功能。

2 測量原理及方法

 2.1 測量原理

      測量系統采用焦點法測量激光束發散角。即利用一個透鏡對激光器輸出的光束進行變換,如圖1所示。經推導可知,激光束的遠場發散角θ與透鏡的焦距犳 和光束在透鏡焦點處的光斑直徑犱 之間滿足關系

由于透鏡的焦距是已知的,因此只要測量出透鏡焦點處光斑的直徑,即可通過(1)式計算出光束發散角。

 

      激光 參 數 測 試 國 際 標 準 ISO/TR111463 規定[13],激光光斑直徑測量可采用可變光闌法、刀口掃描法[14]和狹縫掃描法等測試方法。其中,可變光闌法和刀口掃描法在實際中應用較多。因為可變光闌法完全可以滿足測量精度的要求,并且簡單易行、測量速度快,所以決定選用可變光闌法測量光斑直徑,即將一個孔徑可變的光闌置于激光束測量平面上,改變孔徑的大小,測量透過的功率或能量值。當透過的能量減小到總能量的86.5%時,對應的小孔尺寸犱即可認為是激光束的直徑。

 2.2 測量方法

      為了保證測量精度,應使能量計的測量孔徑與待測光束同心,并使主平面垂直于傳播軸,其接收面要求能截獲99%的總激光能量。測量時,首先記錄激光脈沖的總能量,然后逐步減小光闌孔徑,直至能量減小到總能量的86.5%為止。但是由于實際測量時很難正好找到透過能量等于總能量的86.5%的情況,因此需要找到最接近86.5%的兩個能量值犈1 和犈2 及其對應的光闌孔徑犱1 和犱2,利用線性插值的算法求出透過能量等于總能量86.5%時所對應的孔徑值。

      記錄較小孔徑犱1 和較大孔徑犱2 所對應的能量值犈1 和犈2,可計算出能量為犈86.5時的光束直徑

將d86.5代入(1)式即可計算得到發散角的值。

3 測量系統

3.1 測量系統硬件實現

      激光光束發散角測試臺的組成如圖2所示,將一個孔徑可變的光闌置于物鏡的焦平面上。激光器出射的激光,經過透鏡會聚后,再經過光闌和衰減片到達能量計,由能量計將測得到的能量值傳給計算機。計算機控制調整機構改變光闌孔徑,同時記錄相應的能量測量值,最后通過(2)式和(1)式計算出發散角的大小。

      由于連續可變光闌片形成的孔不是標準的圓形,且直徑大小較難精確測量,其葉片也比較薄,易被激光打壞。最重要的是,可變光闌片能夠達到的最小孔徑為1.2mm,不能滿足測試精度要求。因此,本系統采用裝有多個不同直徑小孔光闌的光闌盤代替連續可變光闌。其中最大的孔徑要保證發散角為10mrad的激光束能量完全通過。

      測試系統的透鏡焦距為1.5m,不同發散角所對應的小孔光闌尺寸可由(1)式計算。為了便于不同直徑小孔光闌間的自動切換,將小孔光闌安裝在一個可繞中心軸轉動的金屬圓盤上,由計算機驅動步進電機控制其繞軸轉動。圓盤上開有15個孔,其中最大孔的直徑為15mm,對應10mrad的激光發散角。另外14個是12mm 的通孔,用于安裝不同尺寸的小孔。為了便于調整、對中和更換,小孔均打在直徑為12mm 的鋼制結構上,通過4個螺釘固定在對應的通孔中。根據測量要求選擇的14個小孔光闌所對應的激光束發散角值、光闌直徑名義值以及實測值見表1。

      圖3為測量系統效果圖。由于在透鏡焦點位置附近激光光斑很小,為了防止激光能量密度太高對能量計探頭造成損害,在其前面增加了一個擴束衰減裝置。能量計選用以色列 OPHIR 公司的 PE25BB探頭配 NOVA Ⅱ表頭。PE25BB探頭為熱釋電探頭,其光敏面為24mm×24mm 的方孔,能滿足直徑為21.3mm 光斑的測量要求。NOVA Ⅱ表頭可通過USB或 RS232接口與計算機連接,將測量數據傳送到計算機中顯示、存儲和處理。

 

     為了保證測量精度,要求小孔光闌的中心與激光光斑中心重合。安裝時要仔細調整,確保每個小孔光闌的中心均與激光光斑中心一致。

3.2 測量系統軟件設計

      利用圖形化編程語言 LabView 作為軟件開發平臺編制測量系統軟件。測試軟件主要由視圖、數據采集、數據處理和數據存儲等4個模塊組成,其操作界面如圖4所示。

      測試軟件操作界面包含初始化、采集、設置參數、計算發散角、線性擬合和數據保存等6個組成部分,可完成對數據的實時采集、處理、顯示和存儲,并能對小孔光闌盤進行快速、精確控制。軟件設計詳見文獻[15]。

4 測量結果分析

      測量系統安裝調試好后,啟動測試軟件,設置初始參數之后進行測量。分別記錄最大光闌孔時的能量值,以及最接近最大能量值86.5%的兩個小孔的孔徑值及對應的能量值,經過計算得到被測激光器的發散角值。

      對某一 Nd∶YAG 調犙 固體激光器的發散角進行實際測量,得到的結果見表2。測量分別在重復頻率為1Hz和20Hz兩種工作狀態下進行,表2中每一個光闌直徑所對應的激光能量值都是30個激光脈沖能量的平均值。

       所測量激光器在重復頻率1Hz和20Hz時發散角的標稱值分別為2.4mrad和1.9mrad,本測試系統所得到的測量值與其非常吻合。對另一臺犙調制 Nd∶YAG 激光器進行測量,得到其在1Hz和20Hz重復頻率下的發散角分別為2.134mrad和1.767mrad,也與其標稱值相吻合,從而說明本系統測量結果準確。

      在實際測量過程中有很多因素會影響發散角的測量精度,需采取相應的措施消除其影響。這種影響一方面來自周圍的環境。例如,環境溫度、背景光干擾、空氣的波動等都會影響到激光光束的傳播,對于同一孔徑,即使在同樣的測試條件下進行重復多次測量,所測得的能量值也均不相同。這種測量環境帶來的測量誤差是隨機的,可通過多次測量取平均值的辦法來降低其對測試結果的影響。

       另一方面,測量系統本身也存在一定誤差,會對測試結果造成影響。其中,光闌直徑的測量誤差影響最大。為了有效減小系統誤差,需到計量部門對小孔光闌的直徑進行校準。

5 結 論

      利用可變光闌法測量原理,基于 LabView 軟件平臺開發的激光束遠場發散角測量系統,可完成對激光束發散角的自動測量,并能對測量結果進行分析、記錄和保存。實驗結果表明,研制的測量系統測量結果準確,測量精度可達到0.05mrad。此外,測量系統的自動化程度高、操作簡便,可提高測量效率,降低操作人員的工作強度。


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