轨检车专用激光线光源国产化研制

石伟栋

(中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081)

目前在轨道检测系统中，已普遍采用非接触的光电测量方法。在光电测量方法中，光源的质量直接决定着测量结果的精度，因此常常采用激光作为光源。而半导体激光作为激光光源的一种，具有体积小，安装携带简便，功耗低等优点，很适合用于轨道检测。国外原装的轨检车专用线光源，就是采用半导体激光器通过输出光路准直，最终获得输出线宽 ＜2 mm的线光源。由于国外原装轨检车专用线光源价格较高，且核心技术对我国保密，而在我国目前轨道建设迅速发展的情况下，对轨道检测的要求也日益提高，为了降低轨道检测成本，掌握自主性，必须对轨检车专用线光源进行国产化改造。

1 光路设计

1.1 半导体激光光束准直方法选择

由于半导体激光器采用非对称激活通道，由端面发射的激光束具有较大的发散，其发散角较其他激光器要大，平行及垂直方向的全角发散角分别可达 θ⊥:40°～50°，θ∥:10°～20°，这样的发散角是不符合轨检车线光源的使用要求的，所以必须通过一定的装置来对激光器出射光束进行压缩以满足实际使用要求。半导体激光器光束准直方法有①单透镜法;②组合透镜法;③渐变折射率透镜法;④液体透镜法;⑤反射法;⑥衍射法等［1］。

对于LD激光光束的精确准直一直是备受关注的问题。LD激光光束并非普通激光器所发出的基模圆高斯光束，无论快轴还是慢轴，LD的输出光斑都不满足高斯分布，连近似都谈不上。其激光属于多模形式，也有理论证明其激光光束为双偏心椭圆高斯光束［2］。设计所用的LD激光器在慢轴方向出光口尺寸为0.1 mm，将LD的出光口近似为点光源，应用几何光学的理论设计所需的透镜组。基本设计光组结构如图1所示。

1.2 准直透镜设计理论分析

将LD激光光束近似为几何光束处理，将LD的激光出射口近似为点光源。其快轴方向的半角发散角为20°，出光口尺寸为1 μm。为了使设计紧凑，减少光能量的损失，将激光出射端到双胶合透镜后表面之间的距离限制在20.0 mm左右。根据理论分析，要求激光光束从出射点发出，经过单透镜L1和双胶合透镜L2后沿主轴方向聚焦在距离双胶合透镜中心点约400 mm处。

设激光出射点到单透镜主平面的距离为s，经过单透镜像的位置距离主平面为 s'，将激光出射点到双胶镜中心点的距离设定为20.0 mm，初步选定单透镜L1的焦距 f1为15.0 mm，双胶合透镜 L2的焦距 f2为60.0 mm，根据透镜成像公式可计算得出s与s'分别为12.1 mm与62.7 mm。激光光束最大半角发散角为20°，根据三角关系可计算得出L1与L2的最小孔径分别为8.8 mm和10.0 mm。

实际中选用透镜，为了节省经费与选用简便，应尽量选用市场上已有的使用较为普遍的产品。这里选用的焦距为15 mm与75 mm的透镜分别为大恒公司的产品GCL-010215与GCL-010603。相关参数信息如表1所示，根据以上计算结果与透镜参数进行ZEMAX仿真，得到的结构参数如表2所示。光束直径宽度在距离400 mm远处的像，平面上控制在2 mm以内，满足设计的要求。ZEMAX 2D模拟简图如图2所示。

图1 用于准直半导体激光器的组合光学系统

表1 透镜参数信息

图2 ZEMAX 2D模拟

表2 透镜组结构参数

2 温度测量与控制

本论文设计的是轨检车专用的线光源，必须适应于温度跨度很大的野外工作环境。而半导体激光器自身的工作温度范围(0℃ ～+40℃)，达不到我国铁路线路的野外环境温度范围(－40℃ ～+70℃)，所以必须对线光源装置进行温度测量与控制，在温度较高时对整个装置降温，在温度较低时对整个装置升温，在温度过低时，自动关闭激光器电源以延长整个装置的使用寿命。

2.1 温度测量

本论文所设计的线光源采用AD590集成温度传感器进行温度测量。该传感器是美国哈里斯公司生产的采用激光修正的集成温度传感器［3］，具有测温误差小、动态电阻值高、响应速度快、微功耗、传输距离远、体积小等优点，很适合作为轨检车专用线光源的测温与控温，不需要进行非线性校正，见表3。

2.2 温度控制

本论文所设计的线光源采用半导体制冷片进行温度控制。

半导体制冷片也叫热电制冷片，是一种热泵，是利用半导体材料的 Peltier效应［4］。它是一种产生负热阻的制冷技术，在技术应用上具有以下的优点和特点:

表3 AD590主要指标

1)不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件，是一种固体片件，工作时没有振动、噪声、寿命长，安装容易。

2)半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分离的加热系统和制冷系统。

3)半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

4)半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

5)半导体制冷片的温差范围，从正温度90℃到负温度130℃都可以实现。

由其优点可知，半导体制冷片的使用也相当简单，控制正负两端直流电流的输入方向，即可实现制冷和加热的目的，解决线光源半导体激光器的散热问题和低温保护问题。

3 对比试验

为了检验本论文所设计的轨检车专用线光源的性能，在线光源设计、加工、装配完成之后，进行了性能测试，其各项指标如表 4所示，自制线光源实际出射效果如图3所示。由表4、图3可知，自制线光源与原装光源的性能指标一致，满足我国轨检车光电检测光源的需要。

表4 自制轨检车专用线光源的主要性能指标

图3 自制线光源实际出射效果

4 结语

通过光路优化设计与电路上对温度的测量与控制，进行了线光源的国产化设计与研制。并通过与原装线光源进行对比试验，验证了本论文所研制的线光源的主要性能都达到了国内外相应技术指标的要求，可以投入轨检车的使用。

［1］施浣芳，王忠厚，韦明智.半导体激光器光束准直系统设计［J］.西安工业学院学报，2004，24(2):140-143.

［2］徐强，曹长庆，曾晓东，等.双偏心椭圆高斯光束在一阶ABCD光学系统中的传输特性［J］.光子学报，2006，35(12):1912-1916.

［3］逄玉台，王团部.集成温度传感器 AD590及其应用［J］.国外电子元器件，2002(7):22-24.

［4］丁友林，蔡舒平，董利科，等.基于 DSP的高精度半导体激光器温度测控系统［J］.仪表技术与传感器，2009(4):135-137.