湯億則，徐志強(qiáng)，黃紅兵，谷豐強(qiáng)，曾次玲

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 信息通信分公司，杭州310008；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310008；3.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京100192；4.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，長(zhǎng)沙 410007）

基于COMS相機(jī)的激光光束質(zhì)量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯億則1，徐志強(qiáng)2，黃紅兵1，谷豐強(qiáng)3，曾次玲4

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 信息通信分公司，杭州310008；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州310008；3.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京100192；4.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，長(zhǎng)沙 410007）

針對(duì)目前光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)在手動(dòng)光路準(zhǔn)直方面的耗時(shí)和對(duì)準(zhǔn)精度不高等問題，提出了一種基于CO M S相機(jī)自動(dòng)采集的實(shí)時(shí)測(cè)量和分析的激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)。通過對(duì)激光光斑進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和快速分析，表明系統(tǒng)在光束對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)上可以自動(dòng)獲得激光光束質(zhì)量參數(shù)M2因子。

激光技術(shù)；光束質(zhì)量；M2因子；光路半自動(dòng)準(zhǔn)直；自動(dòng)測(cè)量

0 引言

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用不斷拓展，人們對(duì)激光光束質(zhì)量的要求也越來越高。在激光光束質(zhì)量的測(cè)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，M2因子能較科學(xué)合理地描述出激光光束質(zhì)量[1]，被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織1991年的ISO/TC172/SC9/WG1標(biāo)準(zhǔn)草案采納后就一直成為人們研究的熱點(diǎn)[2～4]，而針對(duì)M2因子的測(cè)量方法目前已成為一種非常有用和常見的光束質(zhì)量測(cè)量方法。由于當(dāng)前的M2因子測(cè)量法都是基于傍軸光束[5，6]的，故而在測(cè)量之前，需要對(duì)激光光路進(jìn)行調(diào)整，以使激光束垂直入射探測(cè)器。目前商用測(cè)量系統(tǒng)基本上都是采用手動(dòng)準(zhǔn)直光路，這樣不僅精度難以得到保證，并且還需要花費(fèi)大量的調(diào)整時(shí)間。針對(duì)以上問題，本文提出一種基于CMOS相機(jī)的激光光束質(zhì)量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，在搭設(shè)好光路使得相機(jī)能夠接受到激光光斑后，便可以通過軟件直接自動(dòng)準(zhǔn)直光路，獲得近似的傍軸光束，從而快速獲得激光光束質(zhì)量。

1 激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為激光光束質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)原理框圖。激光器發(fā)出的光束經(jīng)衰減后，由反射鏡反射，再經(jīng)透鏡入射至CMOS相機(jī)，光斑圖像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行光斑大小的識(shí)別。CMOS相機(jī)固定在二維手動(dòng)調(diào)整臺(tái)上，可手動(dòng)控制相機(jī)的左右和上下移動(dòng)；二維手動(dòng)調(diào)整臺(tái)固定在電動(dòng)平移臺(tái)上，從而控制相機(jī)的前后位置移動(dòng)；反射鏡放置在一個(gè)由電動(dòng)傾斜臺(tái)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)組成的二維電動(dòng)臺(tái)上面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)反射鏡上的激光光束方位角和水平角的控制。計(jì)算機(jī)采用串口通信，通過對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路來控制三個(gè)電動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到控制光束傳輸距離和光束傳輸角度的目的。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 激光光束質(zhì)量M2因子測(cè)量原理

目前我們測(cè)量激光光束質(zhì)量多是使用M2因子，即衍射極限因子法：

式（1）中，λ為激光波長(zhǎng)，ω為實(shí)際激光光束束腰半徑，θ為實(shí)際激光光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。

一般的實(shí)際激光光束，其光斑尺寸隨著光束傳輸距離呈雙曲線分布[1]：

測(cè)量在不同光束傳輸距離z下的光斑半徑ω(z)后，即可通過最小二乘法擬合出對(duì)應(yīng)的A、B、C系數(shù)，而其光束的質(zhì)量參數(shù)也可以通過這些系數(shù)求得[1]：

束腰半徑為：

遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為：

將式（3）、式（4）代入式（1）中即可獲得激光光束質(zhì)量。

以上M2因子計(jì)算公式均是基于傍軸激光光束而言，但在實(shí)際應(yīng)用中，手動(dòng)光路準(zhǔn)直并不能保證獲得很好的準(zhǔn)直效果，并且還需要花費(fèi)大量的時(shí)間。本系統(tǒng)通過控制三個(gè)電動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，調(diào)整激光器光束出射方向，使光束能夠始終保持垂直CMOS相機(jī)感光面入射，從而保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中所測(cè)激光為波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光器，CMOS相機(jī)透鏡焦距為125mm。通過matlab處理數(shù)據(jù)，按式（2）繪出氦氖激光器激光光束傳輸擬合曲線，如圖2所示。為驗(yàn)證可行性，同時(shí)將所測(cè)結(jié)果與采用刀口法原理的M2因子商用系統(tǒng)所測(cè)激光光束參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。

圖2 He-Ne激光器激光光束傳輸擬合曲線

通過數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和商用系統(tǒng)結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可行性。造成誤差的主要原因可能是激光光斑尺寸的計(jì)算誤差，該誤差在采用二階矩法計(jì)算激光光斑尺寸由CMOS相機(jī)對(duì)激光的飽和誤差引入。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)精度，我們分別對(duì)兩套系統(tǒng)進(jìn)行了多次測(cè)量，比較了重復(fù)穩(wěn)定性，結(jié)果如表1所示。

表1 He-Ne激光光束質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1可以看出，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與商業(yè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果基本一致，并且在重復(fù)精度上還略有提高。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所測(cè)激光光束的M2因子反復(fù)測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，均方根偏差σ低于0.84%，橢圓度偏差低于0.43%；商用系統(tǒng)則因?yàn)樾枰謩?dòng)準(zhǔn)直導(dǎo)致結(jié)果的重復(fù)性較差，所測(cè)激光光束的M2因子的均方根偏差σ為2.45%，橢圓度偏差達(dá)到2.9%，均高于本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于COMS相機(jī)激光光束質(zhì)量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，通過自主開發(fā)的軟、硬件系統(tǒng)，能夠?qū)す夤獍哌M(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和快速分析，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程中的光路半自動(dòng)準(zhǔn)直。在光束對(duì)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可以快速獲取激光光束質(zhì)量參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，該系統(tǒng)能夠很好地克服商用系統(tǒng)手動(dòng)準(zhǔn)直的耗時(shí)與準(zhǔn)直不確定的缺點(diǎn)，大大減小了測(cè)量耗時(shí)與測(cè)量誤差，具有穩(wěn)定性好、測(cè)量簡(jiǎn)單和速度快等特點(diǎn)。

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Design of the automatic measurement system for laser beam quality based on CMOS camera

TANG Yi-ze1,XU Zhi-qiang2,HUANG Hong-bing1,GU Feng-qiang3,ZENG Ci-ling4
(1.State Grid Zhejiang Electric Power Company&Telecommunication Branch, Hangzhou 310008,China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company,Hangzhou 310008,China；3.Beijing Kedong Electric Power Control System Co.,Ltd.,Beijing 100192,China;4.State Grid Hunan Electric Power Company,Changsha 410007,China)

Aiming at the problem of time-consuming and alignment accuracy in manual light collimation of the beam quality measurement system,the paper puts forward a new beam quality measurement system based on the COMS camera automatic acquisition,it can real-time measure and analyze.Through the self-developed software and hardware systems,using the servo control technology to control the fine-tuning device for electric machinery and the auxiliary cube-corner prism to real-time display and rapidly analyze the laser spot.On the basis of beam alignment,the system can automatic obtain the laser beam quality parametersM2.

laser technique,beam quality,M2factor,semi-automatic collimation of light path,automatic measurement

TN915.62

A

1002-5561（2016）03-0056-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.017

2015-11-18。

湯億則（1976-），男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)通信建設(shè)、調(diào)度、運(yùn)維工作。