激光環(huán)境散射率測量裝置的設(shè)計

高愛華， 彭東東， 閆麗榮

(西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測重點實驗室,光電工程學(xué)院，西安 710021)

激光環(huán)境散射率測量裝置的設(shè)計

高愛華， 彭東東， 閆麗榮

(西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測重點實驗室,光電工程學(xué)院，西安 710021)

設(shè)計了一種大氣環(huán)境散射率測量裝置，用于測量普通大氣環(huán)境中粒子對激光散射率，用以反映測量環(huán)境對光束的散射程度，進(jìn)而評估測量環(huán)境能否滿足散射測量。該裝置以穩(wěn)功率激光器為光源，讓光束穿過積分球空腔，使空腔內(nèi)的粒子在空腔內(nèi)發(fā)生散射，從而散射光都被積分球所收集，再使用光電倍增管測量積分球收集的散射光強(qiáng)，并采用相關(guān)檢查方法進(jìn)行信號處理，有效去除背景噪聲。在實驗室環(huán)境進(jìn)行了測量，結(jié)果表明，測量精度最高可達(dá)0.1×10-6，裝置誤差達(dá)到±2%，實現(xiàn)了散射率的高精度測量。

散射率； 粒子； 積分球； 相關(guān)檢測

0 引 言

近年來,隨著制造工藝的進(jìn)步，光學(xué)產(chǎn)品的質(zhì)量越來越高，對產(chǎn)品的檢測技術(shù)提出了越來越高的要求，普通檢測環(huán)境中存在大量灰塵顆粒物，對光學(xué)器件的光學(xué)特性檢測造成巨大干擾。

激光在大氣介質(zhì)中傳播時，大氣中的粒子會對激光光束造成一定的散射，在粒子濃度較低時只考慮單次散射現(xiàn)象[1]，且在一般環(huán)境下不考慮其粒子自身的吸收作用[2-3]，散射光強(qiáng)輻射到各個方向。想要測量粒子的散射率就必須盡可能多地收集這些散射能量，這對收集和測量裝置提出了比較高的要求。因此，目前還少有主要針對粒子散射率的測量裝置。

目前散射測量主要包括粒子粒徑和濃度的測量。一般粒子可看作發(fā)生Mie散射的球形粒子，根據(jù)經(jīng)典的Mie散射理論，粒子半徑與其散射光光強(qiáng)及其分布有著密切的關(guān)系[4-5]。應(yīng)用這一理論，發(fā)明了眾多測量方法，例如依照測定不同方向上的光強(qiáng)分布的小角前向散射法、角散射法等，基于Beer-Lambert定律的全散射法[6-7]。這些方法主要用于測量粒徑的分布情況，且測量時對樣品的粒徑分布要求比較嚴(yán)格，測量條件苛刻、計算復(fù)雜。

粒子濃度的測量主要依靠粒子遮擋探測區(qū)域內(nèi)的光場，使光強(qiáng)發(fā)生變化，經(jīng)探測器測量后記錄粒子數(shù)。測量時必須使粒子均勻地穿過探測區(qū)，否則將導(dǎo)致濃度測量不準(zhǔn)確，所以該類探測裝置都要配備氣流裝置[7]。粒子濃度高時，顆粒會因為多重散射、聚集效應(yīng)等原因造成檢測不準(zhǔn)確[8]；粒子濃度過低時，將無法檢測。

針對粒子散射對微弱光信號測量的干擾過程分析，粒徑、顆粒濃度的測量都不能直接評估粒子對測量的影響程度，并且相關(guān)的測量較為復(fù)雜。為了更好地評估測量環(huán)境，設(shè)計了一種激光環(huán)境散射率測量裝置，通過利用積分球收集、測量粒子散射光強(qiáng)，同時采用相關(guān)檢測技術(shù)，降低探測器、檢測電路、背景光等噪聲干擾，較為準(zhǔn)確地測量出環(huán)境散射率，能很好地對所測量環(huán)境進(jìn)行散射評估。

1 激光環(huán)境散射率測量

1.1 基本原理

激光光束照射在粒子表面，由于其表面的散射作用，使部分光束發(fā)生散射，散射率P為：

(1)

式中：Ι為散射光強(qiáng)；Ι0為入射光強(qiáng)。在測量中，只要測得初始光強(qiáng)I0及經(jīng)粒子散射的散射光強(qiáng)I，兩者之比就是所要求得的環(huán)境散射率。

1.2 測量方法

經(jīng)粒子散射后的散射光輻射到空間中各個方向上，由于積分球的特殊結(jié)構(gòu)，其為開有小孔的空心球體，內(nèi)壁涂有氧化鎂、硫酸鋇等漫反射系數(shù)接近1的漫反射材料[9]。光射入積分球后，在積分球內(nèi)壁發(fā)射多次漫反射，最終在球內(nèi)形成均勻照度[10]，只要測量特定大小開口處輻照強(qiáng)度，就可以計算出總的光強(qiáng)。因此，將散射區(qū)域放在積分球內(nèi)部，可以近乎完整地收集散射光輻射，并且避免雜散光造成的干擾，從而保證散射光功率的準(zhǔn)確測量，其散射過程如圖1所示。

圖1 散射測量積分球內(nèi)光路圖

激光光束經(jīng)粒子散射后的光強(qiáng)非常微弱，并且經(jīng)過積分球內(nèi)漫反射后形成的均勻照度場的能量將會比之散射光強(qiáng)更加微弱。因為需要對測量信號進(jìn)行放大處理，所測量的散射信號非常微弱，所以使用靈敏度較高的光電倍增管作為探測器[11]。由于探測器、檢測電路、背景光等噪聲干擾，如果不進(jìn)行去噪處理或應(yīng)用傳統(tǒng)的濾波將無法得到較高的信噪比，故測量這一信號難度非常之大。本裝置設(shè)計中采用鎖相放大器的相關(guān)檢測技術(shù)，利用了參考信號與被測信號具有相同頻率，相同相位的關(guān)系，能夠只對被測信號中的某一部分有響應(yīng)，大大提高了信噪比[12-13]，從而能在比有用信號強(qiáng)千倍的噪聲中將有用信號提取出來，因此有較大噪聲干擾時仍能測量準(zhǔn)確。

對于初始光功率測量，本裝置采用與散射功率測量不同步進(jìn)行。在測量初始光強(qiáng)即入射光功率時先對其進(jìn)行衰減，依靠漫反射材料封堵出射小孔，將總的入射光束完全散射在積分球內(nèi)部，從而測得入射光功率，測量如圖2所示。這樣測量的主要優(yōu)點在于減少了探測器件的使用，使用相同的探測器件來進(jìn)行測量，避免因為需要對初始光功率的測量而進(jìn)行額外的探測器件及電路設(shè)計。積分球內(nèi)部由于漫反射材料的漫反射系數(shù)不完全等于1，而積分球由于長期使用而表面積累積灰塵也會造成表面散射系數(shù)的下降，這些都會導(dǎo)致測量的功率小于實際值；而如果單獨測量入射光功率，從而造成散射光功率測量相較于入射光功率測量偏小，相應(yīng)的散射率將偏小。如果初始光功率測量時也采用該探測系統(tǒng)進(jìn)行測量，將無形中對結(jié)果進(jìn)行了補(bǔ)償，從而減小這一誤差。

圖2 入射光強(qiáng)測量積分球內(nèi)光路圖

2 測量裝置結(jié)構(gòu)圖

環(huán)境散射率測量裝置如圖3所示，圖中，激光器發(fā)出激光光束，由于采用相關(guān)檢測技術(shù)，因此使用斬波器對光源進(jìn)行調(diào)制，斬波片以恒定速度轉(zhuǎn)動，激光光束透過斬波片槽口形成光脈沖[14]。光脈沖經(jīng)衰減片衰減，在對初始光功率測量時，如果不對光束進(jìn)行衰減處理，進(jìn)入積分球的光功率將超過光電倍增管的測量上限從而會損壞器件，所以在初始光強(qiáng)測量時使用衰減片對光強(qiáng)進(jìn)行衰減。本裝置可使用2片衰減片進(jìn)行衰減，使光功率衰減為原來的0.01%～1.00%。光束經(jīng)開孔進(jìn)入積分球內(nèi)，此時積分球由于開孔的存在，使得大氣能夠流通，從而使積分球內(nèi)外環(huán)境相同，隨著光束的射入，積分球內(nèi)的空腔與光束形成一個散射場，粒子的散射光射向積分球內(nèi)壁，形成均勻的照度場，未發(fā)生散射的光線將直接經(jīng)由開孔射出積分球。射出積分球的光束要進(jìn)行吸收處理以免反射回積分球內(nèi)對測量造成干擾，用反射鏡將出射光束反射后進(jìn)入光陷阱，這樣當(dāng)光陷阱不能完全吸收光束時就不會進(jìn)入積分球內(nèi)。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)圖

散射光強(qiáng)在積分球內(nèi)形成均勻的照度場，經(jīng)開口進(jìn)入光電倍增管的光敏面，光強(qiáng)經(jīng)光電倍增管線性放大后輸出電壓信號[15]。將電壓信號輸入鎖相放大器，鎖相放大器同時接受來自斬波器輸出的與光脈沖同頻同相位的TTL脈沖信號。2個信號在鎖相放大器電路中進(jìn)行相關(guān)檢測運算，最終輸出去除噪聲后的直流電壓信號[16]，經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計算機(jī)中進(jìn)行顯示。

3 實驗結(jié)果

搭建實驗裝置，由于2次光功率測量不是同步進(jìn)行，所以選用高穩(wěn)定功率的氦氖激光器作為激光光源，其功率波動在±0.2%以內(nèi)。計算顯示界面由LabVIEW進(jìn)行編寫。

圖4是基于LabVIEW環(huán)境的實時測量界面，其中兩波形圖分別顯示了信號電壓波形圖和放大后的波形圖?？v坐標(biāo)為電壓值；橫坐標(biāo)為采樣時間點。

圖4 LabVIEW實時測量界面

本實驗采用He-Ne激光器，波長為632.8 nm，功率為1 mW，功率波動在±0.2%以內(nèi)。調(diào)節(jié)機(jī)械斬波器將激光器光束調(diào)制為頻率300 Hz，占空比為50%的光脈沖。測量選擇在普通實驗室下進(jìn)行測量。

3.1 入射光功率測量

入射光功率測量時，選用0.01%的衰減片進(jìn)行衰減，將衰減后的光束完全射入積分球，并將光束完全散射在積分球內(nèi)，實時測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 入射光功率測量實時波形圖

在同一時間內(nèi)，當(dāng)裝置測量穩(wěn)定后讀取測量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)能浖V波處理，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 入射光功率測量

3.2 散射光功率測量

散射率測量時，不使用衰減片，光束進(jìn)入積分球與粒子發(fā)生散射作用，散射光在積分球內(nèi)發(fā)射漫反射，形成穩(wěn)定輻射場。未發(fā)生散射的光束經(jīng)反射鏡反射后進(jìn)入陷光器。實時測量結(jié)果如圖6所示,測量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 散射光功率測量實時波形圖

3.3 散射率計算

由實驗數(shù)據(jù)可知，其測量主要為電壓值，為了得到散射率， 假設(shè)測量時光電倍增管(PMT)的靈敏度為S，增益為G，入射光線總光強(qiáng)為I0，衰減片透過率為T，空間微粒散射率為SC，對應(yīng)的PMT的輸出電壓為U。設(shè)U1為總?cè)肷涔夤β蕦?yīng)的電壓值；U2為散射功率對應(yīng)的電壓值[17]，可得：

(2)

(3)

由式(2)、(3)可得散射率SC=U2/U1×T。對測量據(jù)進(jìn)行計算得到散射率。

在對表1、表2計算后可得表3,表示在最大最入射小功率值下的散射率。

表3 散射率計算

3.4 誤差分析

本裝置主要誤差來源為激光器。由于使用了功率穩(wěn)定度較高的氦氖激光光源，測量初始光強(qiáng)及散射光強(qiáng)時雖然2個物理量不是同時測量，但是,由于激光器功率波動非常小(±0.2%以內(nèi))，所以2次數(shù)據(jù)測量時功率波動影響可以忽略不計。

4 結(jié) 語

本實驗裝置能夠很好地對普通環(huán)境下大氣散射率進(jìn)行測量，測量精度較高、結(jié)果可靠。利用相關(guān)檢測技術(shù)很好的將信號從強(qiáng)背景噪聲中提取出來，實現(xiàn)了散射率的較精確測量。通過搭建實驗裝置測量表明：該測量裝置在同一環(huán)境下多次測量，其散射率為：(7.73～7.89)×10-6，表明裝置具有較高測量精度。

本實驗裝置可以廣泛應(yīng)用于實驗室環(huán)境中的環(huán)境散射率測量，并通過散射率的大小對相關(guān)光學(xué)檢測試驗進(jìn)行測量環(huán)境可靠性評估。

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Design of Measuring Device for Laser Environment Scattering Rate

GAOAihua，PENGDongdong，YANLirong

(Laboratory for Thin Film Techniques and Optical Test, School of Optoelectronics Engineering，Xi’an Technological University； Xi’an 710021， China)

In some high precision optical measurement, the scattering particles in the normal atmospheric environment will produce interference on the measurement results. Particularly, if the signal is very weak, the impact will not be ignored, such as the detection of ultra smooth optical surface, high reflecting mirror scattering rate, etc. we need to consider the environmental impact on the measurement results. To solve the problem, an atmospheric scattering rate measuring device is introduced for measuring the ordinary particles in the atmospheric environment on the laser scattering rate. The device can reflect the degree of light scattering measurement environment, and then assess whether the environment can meet the scattering measurement. The device takes a stable power laser as the light source, the light beam passes through the integrating sphere cavity, so the particles in the cavity are scattered, the scattered light is collected by the integrating sphere, and then the scattered light intensity of the integrating sphere is measured by the photoelectric multiplier tube. The signal processing is performed by the correlation detection method which can effectively remove the background noise. In the laboratory environment, the measurement accuracy is up to 0.1×10-6, the device error can reach ±2%, and the high precision measurement of scattering rate is achieved.

scattering rate； particles； integrating sphere; correlation detection

2016-10-18

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項目(2015GY048)；總裝基金項目(9140A18020214BQ52001)

高愛華(1967-)，女，湖北孝感人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為光電測試技術(shù)、信號處理研究。

Tel：13991867012; E-mail: freegah@126.com

N 32

A

1006-7167(2017)06-0058-04