激光束斜入射时光斑能量分布的实验测试

激光束斜入射时光斑能量分布的实验测试

朱婧婧李亦军李洁

(中北大学理学院物理系山西 太原030051)

摘 要：本文提出了一种新型的测量微角位移系统．结合了二维PSD位置探测器，通过实验得出光斑中心位置随角度偏移量的变化关系，继而得到在实际应用中测量微角位移的方法．

关键词：激光光斑能量二维PSD

收稿日期：(2015-06-09)

在现代制导以及其他领域应用中，光学法测量微角位移应用很广泛，可以满足高精度测量[1]，本文主要分析了二维PSD的工作原理、实验的设计以及对实验数据的处理，得出了激光束斜入射时光斑能量分布的实验测试，为以后测量微角位移做准备．

1PSD的结构和原理

PSD作为位置探测器的一种，它具有较高的分辨率、响应快等优点．一维PSD是由P，I，N3层半导体构成，假如位于表面的P层具有均匀的电阻，当激光射入光敏层时，产生横向的光电效应并产生光电流I0，实现了光电转换，I0分别流入两个电极，且两个电极的电流信号I1，I2与两段电阻ROA，RAB成反比[2]，过程中实现了对电流信号的分配，根据每个电极上的电流信号来判断入射光的位置，位置信息仅与激光光斑能量中心位置有关．一维PSD结构如图1(a)所示．二维PSD原理与一维PSD类似，不同的是它有两个光敏面，分别检测激光光斑分别在x和y的位置信息[3]．二维PSD结构如图1(b)所示．激光光斑的位置坐标信息(x,y)用式(1)表示．

图1

(1)

式中X1，X2，Y1，Y2分别是各个电极的电流输出．

2测量光斑能量分布选定二维PSD

本次实验测试中激光在二维PSD上形成的是圆点光斑，由于实验中激光器与二维PSD之间的距离比光阑孔径大，于是可以把圆点光斑看成光通过圆形光阑产生的夫琅禾费衍射所形成的[4]．

保持光入射在PSD中心，并且使衍射环的前三级在PSD敏感面的感应区域内，当垂直入射时，光斑能量中心在PSD中心；当以一角度θ入射时，能量中心位置稍偏离PSD中心．衍射环如图2所示．

图2

3实验测试及数据处理

下面讨论激光束斜入射时光斑能量中心位置随入射角变化的情形.

微角度位移测量的方法有很多种，由于光学测量方法精确度比较高，在制导等应用中运用广泛．本方法是结合PSD的一种新型的测量微角位移光学测量方法[5]．把二维PSD安装到测量微转动角度的精密仪器上，激光光束入射到位置检测器二维PSD上，传出的信号经过光电位置综合测试仪处理与计算机相连并显示出光斑中心位置信息．利用搭建的平台，让转盘转动一个小角度，并且记录下与之对应的光斑中心位置．这里选取的角度不大于15°．重复以上操作，多次测量，可以得出以下数据．

表1　激光束入射角度 θ与光斑中心位置变化

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中的数据可以表示为图3(a)，并通过最小二乘法把从左边入射的激光光斑中心位置的一组数据拟合为直线，如图3(b)所示．可以得到光斑中心位置与激光入射角的正比例函数关系，即

x=0.122 4θ+0.008 4

图3

4结论

当激光以一小角度入射时，光斑中心位置与激光入射角成正比例关系，选取的角度应不大于15°．

参 考 文 献

1于丽霞,王福明. 一维PSD器件及其在测量中的应用.现代电子技术,2007(7):143～144

2郭书立,李立军,谭定忠.一维、二维PSD的检测原理及测量电路.佳木斯大学学报，2000(3):292～295

3张彩妮. 微角度的光学测量.光电子·激光,2002(4):416～419

4张婷婷,姚恩涛,贾俊涛. 激光光斑形状及入射角对PSD位置输出影响的研究.计测技术,2012, 32(1)：15～18

5赫赤,赵克定,许宏光,等.炮控系统性能试验中角位移量的几种测量方法.火力与指挥控制，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