激光光束质量M2因子测量系统的设计

王彩霞

(长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022)

0 引言

随着激光技术的不断发展及高科技激光产品(如激光加工机、激光治疗仪等)的不断出现，如何选择一种简便、精确、实用的方法评价激光光束质量，从而科学地评价激光产品质量已成为全世界科学界研究的热门课题［1］。

光学界曾采用聚焦光斑尺寸法和远场发散角β值法等构建激光光束质量测量系统［2］。这些方法通过确定聚焦光斑的束腰尺寸和远场束散角大小来评价激光光束质量。对于同一激光光束而言，由于聚焦系统的不同，束腰尺寸大小和远场束散角大小均会发生变化。因此，采用聚焦光斑尺寸法和远场发散角β值法评价激光光束质量具有局限性［3］。本文采用M2因子法，即衍射极限因子法对激光光束质量进行评价，并构建了激光光束质量M2因子测量系统。

1 M2因子测量系统构成

1.1 硬件构成

激光光束质量M2因子测量系统硬件主要由光学部分、机械部分和电学部分这三大部分组成。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件框图Fig.1 Block diagram of system hardware

光学部分由聚焦系统、固定衰减系统、连续衰减系统和反射光学系统组成，主要完成激光光束的聚焦和衰减;机械部分由工作台、底座、支撑座、滚珠丝杠和联轴节等组成，为电子学部分和光学部分提供合理的工作平台;电学部分由CCD相机、图像采集卡、电机、运动控制卡和计算机组成，主要负责对激光光束进行连续衰减，控制一维平移台的精确定位和相机对激光光束的多点定点采样，执行图像处理算法以及显示系统的测量结果等。

1.2 软件构成

激光光束质量M2因子测量系统软件主要由系统设置、步进电机控制、图像预处理、数据处理、光束参数计算和系统工具组成。系统设置主要是对图像采集卡的位数、相机的型号和电机步进距离进行初始化设置;对步进电机的控制采用自动和半自动两种方法，操作更灵活;图像预处理模块主要对获取的激光光斑图像进行滤波降噪和伪彩处理等;光束参数计算模块主要完成核心算法的实现，包括质心计算、束腰宽度计算和光斑轮廓投影计算等，以及执行曲线拟和算法，拟合激光光束传播的双曲线。此外，软件系统中还设计了系统工具，以提高激光光束质量测量系统软件的稳定性。系统软件框图如图2所示。

图2 系统软件框图Fig.2 Block diagram of system software

2 M2因子法的原理及实现

2.1 M2因子法的原理

M2因子法即衍射极限因子法，定义为实际激光光束的束宽积与理想基模高斯光束束宽积的比值，定义表达式如式(1)所示:

式中:ω为激光束腰半径;θ为远场发散角;λ为激光波长。

由式(1)可知，对M2因子的测量实质上转化成了激光束腰直径与远场发散角的测量。

2.2 M2因子法的实现

在确定激光光束的束腰直径时，首先需要确定激光光斑的中心位置，即质心位置。

2.2.1 激光光斑的中心位置

激光光束在空间传输时，沿轴任意一个横截面上的激光光束光斑光强中心可采用光束强度分布的一阶矩表示［4］，如式(2)、式(3)所示:

由于在实际测量过程中，通常是采集一系列离散的点。因此，激光光束光斑光强中心位置又可以表示为:

式中:x为沿轴横截面上某一点的横坐标;y为沿轴横截面上某一点的纵坐标;I(x，y)为沿轴横截面上某一点(x，y)处的光束强度值。

在进行激光光束质量测量时，通过采集沿轴某一位置z处不同时刻激光光斑光束的中心位置即可得到激光束的轴向稳定性。

2.2.2 激光光斑尺寸

对激光光斑尺寸即光束束宽的定义方法有多种，如半强度定义及1/e2强度定义等，较严格而通用的是强度矩量分析法，即光束束宽正比于光束横截面上光强分布的二阶中心矩。直角坐标系中，激光光束在z处的能量/功率密度分布函数的二阶矩如式(6)、式(7)所示:

由于在实际测量过程中，通常是采集一系列离散的点。因此，激光光束在z处的能量/功率密度分布函数的二阶矩又可以表示为:

相应的光斑半径如式(10)、式(11)所示［5］:

2.2.3 光束传播曲线拟合

高斯光束在自由空间传输沿轴向遵从双曲线分布，设激光束的传输方程为:

在测量不同位置z处的光斑半径ω(z)时，采用最小二乘法拟合求系数 Ai、Bi、Ci，则激光光束质量参数计算依据公式如下。

光束束腰位置:

光束束腰半径:

远场发散半角:

光束质量因子:

3 M2因子测量系统的实现

3.1 图像探测单元

面阵CCD相机是测量激光光束质量的核心部件，其性能决定着整个系统的测量精度。因此，面阵CCD相机的选择直接影响测量结果和测量精度［6］，其主要考虑以下几个方面。

①高分辨率:相机分辨率越高，其对所采集的物体/图像细微轮廓的辨识能力就越强，测量精度也就越高。这就要求面阵CCD相机的像元数足够多。

②低噪声:相机噪声的大小在一定程度上影响着所采集到的图像细微轮廓。系统中主要考虑相机的热噪声和暗电流噪声，要求选择低噪声、暗电流小的CCD相机;同时，在软件部分要考虑消除背景噪声。

③宽动态范围:CCD相机的动态范围主要取决于线性响应的最大信号电平和噪声电平［7］。高分辨率要求CCD的像素数增多，这导致了可能存储的最大电荷量减少，从而使动态范围变小。因此，在选择CCD相机时必须综合考虑以上指标。在系统归一化处理中，入射光能量以1和1/e2入射到CCD光敏面时，CCD均有响应，所以相机的动态范围大于10 dB即可。

④响应光谱:本系统合同要求光谱范围在400～1100 nm，选择CCD时要考虑相机在此波段要有响应且响应度尽可能高。所以，选用硅CCD，型号为CONTOUR-IR型近红外CCD相机。

3.2 图像采集单元

图像采集卡采用与CONTOUR-IR型近红外CCD相机配套的Meteor-II。Meteor-II图像采集卡可以采集标准的NTSC、PAL、RS-170和CCIR模拟彩色/黑白视频信号，并支持彩色或黑白多路数据流传输，它将强大的函数扩展性能集成到了采集卡上;支持在扩展板上存储数据，确保图像数据的实时采集，同时带有触发输入功能，可以实现脉冲激光的测量。

3.3 执行机构

在本系统中，电机的使用场合属于低负载低速场合，所以可选择步进电机作为执行机构。同时，经过转动惯量和角加速度的计算，确定选择艾克斯公司生产的混合式步进电机，型号为42BYG1.8(17H-150H-04A)。

4 测量数据与结果

经过大量的分析、计算和论证，本文研制出激光光束质量M2因子测量系统。以该系统硬件平台为基础，测量了400～1100 nm波长范围内的典型激光器发射的激光光束质量，并使用美国Spiricon公司生产的M2-200型激光光束质量分析仪校准。

大量的对比实验数据表明，本文设计的激光光束质量测量系统测试结果可靠，可用于评价400～1100 nm波长范围内的连续激光器的激光光束质量。以He-Ne激光器为被测试品，使用该系统进行测试的实验数据如表1所示。

表1 测试数据Tab.1 Test data

He-Ne光器激光光强的二维分布如图3所示;He-Ne激光器激光光强三维分布如图4所示;基于M2因子的激光传输拟合曲线如图5所示。

图5 激光传输拟合曲线Fig.5 Fitting hyperbolic of laser transmission

图3中:“十”字线交叉处为光强质心位置，中心黑色区域向外过渡到白色区域代表光强逐渐减弱，最外层黑色区域代表背景;图4中:最下边黑色区域代表背景，自下至上颜色逐渐加深代表光强逐渐增强。

5 结束语

激光光束质量M2因子测量系统采用VC++语言设计图像处理算法和上位机界面，人机交互能力强，操作简单直观;采用M2因子方法评价激光光束质量，既能体现激光器的近场特性，又能反映激光器的远场特性，从而综合评价激光器光束质量。系统能够评价的激光器光谱波长在400～1100 nm范围内，即系统既能对可见光激光器的光束质量进行评价，又能对近红外特别是1.06 μm的固体激光器光束质量进行评价，使用范围更广。

实验结果表明，该系统克服了传统激光光束质量测量系统自动化程度低、测量误差大和系统体积庞大等弊端，具有测量精度高、稳定性好、操作简便、成本低和推广价值高等特点。

［1］Grebenshchikov O A，Zalesskii V B，Naumov V V.Dual-beam laser analyzer for inhomogeneities in active regions of multielement photodetectors［J］.Applied Spectroscopy，2006，73(2):313 －316.

［2］曾秉斌，徐德衍，王润文.激光光束质量因子M2的物理概念与测试方法［J］.应用激光，1994，14(3):104 －108.

［3］郭瑞，杨华军，胡渝，等.光通信中激光发散小角度远场焦斑测量法［J］.电子科技大学学报:自然科学版，2006，35(4):437－439.

［4］高卫，王云萍，李斌.强激光光束质量评价和测量方法研究［J］.红外与激光工程，2003，32(1):61 －63.

［5］吕百达.关于激光光束质量若干问题的分析［J］.激光技术，1998，22(1):14 －17.

［6］游凝思，霍玉晶.实用化的光束质量测量系统［J］.激光与红外，1997，27(4):222 －225.

［7］沈宇键，郝胜国，郝志航.高速CCD数字相机接口设计的VHDL逻辑综合的应用［J］.光学精密工程，2000，8(2):154 －160.