基于LabView的激光束发散角测量系统

 关键词 测量；脉冲激光；发散角；可变光阑法；ＬａｂＶｉｅｗ

       激光束的发散角是评价激光器性能的重要指标［１，２］。不论 是 在 实 验 室 研 究 中 对 光 束 质 量 的 分析［３，４］，还是在诸如激光测距、激光雷达等远距离激光探测应用中都需要对激光束的发散角进行测量。目前，激光束发散角的测量技术已经相当成熟，提出了多种可行的测量方法［５～９］。常用的有焦点刀口扫描法［１０］、ＣＣＤ 摄像法［１１］以及可变光阑法，此外，还有如偏硼酸钡（ＢＢＯ）倍频法［１２］和偏振光干涉法等。其中，ＢＢＯ 倍频法和偏振光干涉法的精度依赖于所采用的晶体材料，成本高；焦点刀口扫描法需要的测量时间长；ＣＣＤ摄像法和可变光阑法的测量误差较大。如何实现激光发散角快速、准确、自动的测量，是激光器生产过程中亟需解决的问题。

       本文介绍了一种专门为激光器生产线应用而研制的激光束发散角测量系统。针对被试激光器的输出特性以及测量精度要求，选用可变光阑法进行发散角的测量。并基于 ＬａｂＶｉｅｗ 软件开发平台开发了测量控制软件，能够完成数据的采集、处理，测量结果的显示、存储和打印等功能。

 ２．１ 测量原理

      测量系统采用焦点法测量激光束发散角。即利用一个透镜对激光器输出的光束进行变换，如图１所示。经推导可知，激光束的远场发散角θ与透镜的焦距犳 和光束在透镜焦点处的光斑直径犱 之间满足关系

由于透镜的焦距是已知的，因此只要测量出透镜焦点处光斑的直径，即可通过（１）式计算出光束发散角。

      激光 参 数 测 试 国 际 标 准 ＩＳＯ／ＴＲ１１１４６３ 规定［１３］，激光光斑直径测量可采用可变光阑法、刀口扫描法［１４］和狭缝扫描法等测试方法。其中，可变光阑法和刀口扫描法在实际中应用较多。因为可变光阑法完全可以满足测量精度的要求，并且简单易行、测量速度快，所以决定选用可变光阑法测量光斑直径，即将一个孔径可变的光阑置于激光束测量平面上，改变孔径的大小，测量透过的功率或能量值。当透过的能量减小到总能量的８６．５％时，对应的小孔尺寸犱即可认为是激光束的直径。

 ２．２ 测量方法

      为了保证测量精度，应使能量计的测量孔径与待测光束同心，并使主平面垂直于传播轴，其接收面要求能截获９９％的总激光能量。测量时，首先记录激光脉冲的总能量，然后逐步减小光阑孔径，直至能量减小到总能量的８６．５％为止。但是由于实际测量时很难正好找到透过能量等于总能量的８６．５％的情况，因此需要找到最接近８６．５％的两个能量值犈１ 和犈２ 及其对应的光阑孔径犱１ 和犱２，利用线性插值的算法求出透过能量等于总能量８６．５％时所对应的孔径值。

      记录较小孔径犱１ 和较大孔径犱２ 所对应的能量值犈１ 和犈２，可计算出能量为犈８６．５时的光束直径

将d８６．５代入（１）式即可计算得到发散角的值。

３ 测量系统

３．１ 测量系统硬件实现

      激光光束发散角测试台的组成如图２所示，将一个孔径可变的光阑置于物镜的焦平面上。激光器出射的激光，经过透镜会聚后，再经过光阑和衰减片到达能量计，由能量计将测得到的能量值传给计算机。计算机控制调整机构改变光阑孔径，同时记录相应的能量测量值，最后通过（２）式和（１）式计算出发散角的大小。

      由于连续可变光阑片形成的孔不是标准的圆形，且直径大小较难精确测量，其叶片也比较薄，易被激光打坏。最重要的是，可变光阑片能够达到的最小孔径为１．２ｍｍ，不能满足测试精度要求。因此，本系统采用装有多个不同直径小孔光阑的光阑盘代替连续可变光阑。其中最大的孔径要保证发散角为１０ｍｒａｄ的激光束能量完全通过。

      测试系统的透镜焦距为１．５ｍ，不同发散角所对应的小孔光阑尺寸可由（１）式计算。为了便于不同直径小孔光阑间的自动切换，将小孔光阑安装在一个可绕中心轴转动的金属圆盘上，由计算机驱动步进电机控制其绕轴转动。圆盘上开有１５个孔，其中最大孔的直径为１５ｍｍ，对应１０ｍｒａｄ的激光发散角。另外１４个是１２ｍｍ 的通孔，用于安装不同尺寸的小孔。为了便于调整、对中和更换，小孔均打在直径为１２ｍｍ 的钢制结构上，通过４个螺钉固定在对应的通孔中。根据测量要求选择的１４个小孔光阑所对应的激光束发散角值、光阑直径名义值以及实测值见表１。

      图３为测量系统效果图。由于在透镜焦点位置附近激光光斑很小，为了防止激光能量密度太高对能量计探头造成损害，在其前面增加了一个扩束衰减装置。能量计选用以色列 ＯＰＨＩＲ 公司的 ＰＥ２５ＢＢ探头配 ＮＯＶＡ Ⅱ表头。ＰＥ２５ＢＢ探头为热释电探头，其光敏面为２４ｍｍ×２４ｍｍ 的方孔，能满足直径为２１．３ｍｍ 光斑的测量要求。ＮＯＶＡ Ⅱ表头可通过ＵＳＢ或 ＲＳ２３２接口与计算机连接，将测量数据传送到计算机中显示、存储和处理。

     为了保证测量精度，要求小孔光阑的中心与激光光斑中心重合。安装时要仔细调整，确保每个小孔光阑的中心均与激光光斑中心一致。

      利用图形化编程语言 ＬａｂＶｉｅｗ 作为软件开发平台编制测量系统软件。测试软件主要由视图、数据采集、数据处理和数据存储等４个模块组成，其操作界面如图４所示。

      测试软件操作界面包含初始化、采集、设置参数、计算发散角、线性拟合和数据保存等６个组成部分，可完成对数据的实时采集、处理、显示和存储，并能对小孔光阑盘进行快速、精确控制。软件设计详见文献［１５］。

４ 测量结果分析

      测量系统安装调试好后，启动测试软件，设置初始参数之后进行测量。分别记录最大光阑孔时的能量值，以及最接近最大能量值８６．５％的两个小孔的孔径值及对应的能量值，经过计算得到被测激光器的发散角值。

      对某一 Ｎｄ∶ＹＡＧ 调犙 固体激光器的发散角进行实际测量，得到的结果见表２。测量分别在重复频率为１Ｈｚ和２０Ｈｚ两种工作状态下进行，表２中每一个光阑直径所对应的激光能量值都是３０个激光脉冲能量的平均值。

       所测量激光器在重复频率１Ｈｚ和２０Ｈｚ时发散角的标称值分别为２．４ｍｒａｄ和１．９ｍｒａｄ，本测试系统所得到的测量值与其非常吻合。对另一台犙调制 Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光器进行测量，得到其在１Ｈｚ和２０Ｈｚ重复频率下的发散角分别为２．１３４ｍｒａｄ和１．７６７ｍｒａｄ，也与其标称值相吻合，从而说明本系统测量结果准确。

      在实际测量过程中有很多因素会影响发散角的测量精度，需采取相应的措施消除其影响。这种影响一方面来自周围的环境。例如，环境温度、背景光干扰、空气的波动等都会影响到激光光束的传播，对于同一孔径，即使在同样的测试条件下进行重复多次测量，所测得的能量值也均不相同。这种测量环境带来的测量误差是随机的，可通过多次测量取平均值的办法来降低其对测试结果的影响。

       另一方面，测量系统本身也存在一定误差，会对测试结果造成影响。其中，光阑直径的测量误差影响最大。为了有效减小系统误差，需到计量部门对小孔光阑的直径进行校准。

      利用可变光阑法测量原理，基于 ＬａｂＶｉｅｗ 软件平台开发的激光束远场发散角测量系统，可完成对激光束发散角的自动测量，并能对测量结果进行分析、记录和保存。实验结果表明，研制的测量系统测量结果准确，测量精度可达到０．０５ｍｒａｄ。此外，测量系统的自动化程度高、操作简便，可提高测量效率，降低操作人员的工作强度。