光束质量测量装置的光路矫正及测量功能验证研究∗

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430205）

1 引言

激光问世于1960年，在其发展历程中，它被广泛应用于多个领域。其能量集中的特点可用于切割、焊接［1］及制造激光武器；其方向性好的特点可利用于测距［2］及远距离激光通信；使用激光脉冲加热实现可控核聚变技术也在研究当中。

远距离激光通信需要两侧通信终端时刻保持光路联通；测量激光质量的精度则受限于光路是否严格垂直于光敏面。可见，控制激光光路的方向，即光路矫正，对激光光束质量测量、激光通信等领域启到十分重要的作用。目前用于测量激光光束质量主要依靠进口产品，通过与国外先进系统设备结构比较，可以看出国内各个自己搭建的测量系统还比较简陋，没有产品化还处于实验室阶段［3］。

2 激光光束质量测量原理分析

2.1 光路矫正原理

本系统进行M2因子测量之前需要对光路矫正［4］。原因是当光路不是平行于光敏面平移轴时，由于有一定的夹角，光路与平移轴的夹角越小，最终计算所得的参数越接近真实值。

当前常用的光路矫正方法有光阑对准法和图像处理法［5］。本系统中测量M2因子采用获取光斑强度的二阶矩测量［6］，所以光路矫正部分使用图像处理法。

图1 矫正系统原理图

图1是本系统矫正的原理图。其中O点是入射激光经过全反射棱镜反射后的出射点，这里可以理解为激光光源；当中光路OAB是理想状况下，激光垂直入射至相机光敏面的情况。

实验过程中，将相机光敏面沿理想光路传输方向z轴移动至光敏面1的位置，对光斑图像采样并记录光斑中心 A′(x1'y1)，继续沿z轴移动光敏面一定距离d至光敏面2位置，对光斑图像采样并记录光斑中心 B′(x2'y2)，然后使用式（1）：

计算x与y方向的光路偏移角度。

2.2 激光质量测量原理

本文中使用的激光器发出的激光光束的横截面是由高斯光束和其他分布光束一同组成的，两者都可以用光强分布二阶矩法表示，其光束横截面尺寸［7］d（z）满足式（2）：

其中，d(z)指激光光路随传播方向，即垂直于横截面方向上的传输距离z当前的横截面光斑直径大小，ω0是激光光束束腰处的光斑半径的大小，z0是传播方向上达到束腰处的传播距离，λ是激光波长。将式（2）以z为主元转换可得式（3）所示的双曲线方程：

通过采集束腰附近15个位置光斑的参数［8］，可解出式（3）中的三个系数，然后通过公式可最终求得M2因子。

其中，i=x，y。因为当光斑为理论上的圆形时，x，y方向光斑半径相同。但是实际中光斑形状为不规则的椭圆形，则需要独立求取x，y两个方向的光斑尺寸。

3 激光光束质量测量系统介绍

本文中搭建的激光光束质量系统使用ARM芯片处理器控制各步进电机运动、光学图像采集及处理，系统的结构图如图2。

依结构图所示，激光器发出激光先通过衰减片及偏振片入射至全反射棱镜，其中衰减片用于降低激光光强，避免光敏面上曝光过度使图像失真［9］；全反射棱镜固定在电动俯仰及旋转台上，通过控制台面的两轴角度实现光敏面上光斑相应的二维移动。使用已知焦点距离的透镜安装在光路中间，便可确定光束实际的束腰位置，控制光敏面随光束方向平移，便可测量束腰光斑宽度。系统光路矫正过程中首先记录保存两次光斑位置信息，带入式（1）中计算得出X，Y两轴的偏移角度，然后电机自动调整角度准备测量步骤。光敏面随电动平移台运动过程中在束腰左右共摄取15个图像数据并带入式（3）计算出最终结果。

图2 激光光束质量测量系统结构图

摄取图像经过中值滤波则能使数据图像变得平滑［10］，滤除部分光斑周围的噪声。图像处理的过程中在灰度处理之后重心法计算过程中有一步判断图像是否饱和［11］，这样能够提高测量精度［12］。

4 测试结果

使用光源为532nm的绿光激光器发出的激光光束，测得的光斑直径随Z轴移动距离变化的参数如图3。将图3的数据带入式（3）通过拟合后可得出X，

图3 532nm绿光光束光斑直径参数

Y两个方向的双曲线系数：再通过式（5）及式（4）计算可得532nm波长绿光激光通过125mm透镜后的M2因子及其束腰半径，结果如表1。

表1 532nm绿光光束参数（f=125mm）

该绿光激光器技术参数说明书中说明该激光M2因子值在1.1以内，所以其结果误差范围是15%左右。考虑到实验中使用的光敏面分辨精度不高，会造成一定的实验误差，本系统测量的结果具有应用价值。

5 结语

本文在研究光路矫正的基础上，搭建平台制作了一套测量激光光束参数的设备。通过比对本系统测量商用激光器测量数据以及该激光器的标称值，发现本系统测量的结果误差值在可接受范围内，具有一定的参考价值。