激光波长合束精度研究

夏 蕾，韩旭东，邵俊峰

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2.中国科学院大学，北京100049）

激光波长合束精度研究

夏 蕾1，2，韩旭东1*，邵俊峰1

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2.中国科学院大学，北京100049）

对双光束波长合束精度进行了研究。用镀有特制光学薄膜的滤光片对波长为532和515 nm的两束激光进行合束,并对合束精度进行检测。基于此系统,建立了对应理论模型,并对合束及检测的误差来源和大小进行全面分析。两光束指向稳定性均为50μrad时,合束精度理论值为14.69″,指向稳定性所占比例为99.26％,系统对质心定位等不稳定因素（误差变化＜3倍）抗性极好,精度变化＜2.4‰；指向稳定性提高到23.51μrad时,合束精度理论值为7.09″,指向稳定性所占比例为96.77％,系统仍有较高抗干扰能力,精度变化＜1％。分析表明,影响近场小功率合束精度的因素有激光指向稳定性、机械调节和质心定位误差,其中激光指向稳定性是主要因素。通过调节各因素的比例,可对合束的抗干扰能力进行控制。

双光束合束；波长合束；精度检测；误差分析

1 引言

通过光束合成技术可以将多路激光合成一束,获得高于单个激光输出功率的光束,并保持良好光束质量。该技术已被广泛应用于高功率激光元器件、激光指向、激光焊接、激光覆盖、表面硬化［1］等多个领域。单个激光器受元件结构、散热等多方面的影响,输出功率有限。除了研制更高功率激光器外,将多个激光器的光束进行合束是获取更高功率和高质量光束的另一有效途径［2］。北京工业大学利用光纤合束技术已得到功率为664W,数值孔径为0.22,亮度为1.54 MW/（cm2·str）的600μm光纤光束［3］。2009年美国Northrop Grumman公司通过对7路15 kW级固体激光模块进行相干合成,获得了105.5 kW的高功率固体激光输出［4］。

常规的光束合成技术,按光束的相位关系,可分为相干合束和非相干合束。相干合束要求各发光单元之间振幅关系确定且相位偏差小于λ/10［2］,相对要求较高。非相干合束包括偏振合束、波长合束、光纤合束等。非相干合束不需要相位锁定,合束器容易获得,应用方便因而技术上较易实现。工程应用中经常需要将多种波长的激光进行合束,而波长合束技术是获得多波长高功率激光的有效手段之一,其合束精度严重影响合成光束的指向精度和光束质量。本文应用波长合束技术,对两路激光进行合成分析,并为更复杂的多光束合成提供参考。对光束合成重点要关注功率和光束质量两个方面。本文主要针对合束后光束质量,即合束精度进行研究。基于某实际双光束合束和检测系统,建立了对应的理论模型,对其精度大小和检测误差进行了全面可靠的分析,指出影响合束精度的相关因素。通过分析合束精度中各因素所占比例,指出光束指向稳定性是影响精度的最大因素,并分析指向稳定性变化时,系统的理论精度及其抗干扰能力的变化,从而对实际合束给予理论支持。

2 原理与方法

2.1 合束器及实验装置

如图1,合束器为正反两面均镀有特制光学薄膜的滤光片,通过调节二维摆镜可以将两光束分别进行透射和反射,从而将波长为532和515 nm的两束连续激光合成一束,并对其精度进行检测。由文献［5］,可得反射率大于99.7％,透射率大于99.8％,面型精度优于λ/30,且拥有较高的损伤阈值,满足高功率激光的使用要求,还可作为衰减片放置在CCD测量系统之前。

整个系统分为合束和检测两部分。合束部分由激光器、滤光片和反射镜构成,检测部分由衰减片、接近衍射极限的平行光管（可视为焦距f为1 000 mm的理想透镜）、CCD摄像机、图像采集卡和计算机组成。

2.2 测角原理及精度检测方法

本文通过理想透镜和CCD摄像机对合束后光束间的最大夹角,即合束精度（也称合束误差）进行检测。如图1,当激光传播方向与光轴夹角为δ,光斑质心与CCD中心距离为d,由高斯光束傍轴传播原理可得：

光束水平偏角δx,垂直偏角δy,满足：

以CCD显示刻度为基准,确定偏角正负,则两光线的夹角为：

故对于两光束间的夹角,可求出两光束水平分量δx和垂直分量δy,并再合成。由于两分量相互独立,且数据类似,因此应先计算分析垂直分量δy,然后再两者进行合成。

如图1,两束激光的发射装置正交放置,并以954 nm低功率高稳定性指示激光作为光路的基准。激光器预热后,通过高精度二维摆镜调节滤光片角度,将两光束合成一路。合束光通过衰减片经理想透镜,成像在面阵CCD光敏面上进行多帧多组（如以1 min为一组）拍摄测量。分别测量各组的两光束的光斑质心平均位置及垂直方向距离分量Δdy,可得垂直分量δy=Δdy/f,同理可得水平分量δx,将两者合成即可得每组合束精度,再对各组数据进行分析和处理。数据采集和处理由计算机软件完成,在显视器上显示光斑质心、光斑形状、光强分布曲线等测量数据。

测量时应注意选择合适的衰减系数和增益,保持CCD与基准的一致,以减少光晕影响。同时加装结构性遮拦［6］,消除鬼像,以免选错测量目标。测试时,平面镜内应力的影响甚至可达到数十秒,因此合理的轻量化和结构设计,是保证精度的前提。根据文献［7］的优化设计,显著减小了内应力,且面型精度优于λ/30。

经检验满足精度后,再对光束进行扩束、净化、整形等后续处理,即可得到较高功率和光束质量的合束光。本文重点对后续处理前的步骤,即合束和检验进行讨论。

3 合束误差分析

3.1 精度检测的误差引入

影响合束精度检测的因素很多,按时间顺序分为3个过程,测量前合束装置引入的误差（合束误差）,CCD测量时的误差及数据处理的误差。

3.2 合束误差

影响合束误差的因素有光学系统误差,机械调节误差和温度环境等的变化。

光学系统误差包括光源即激光器误差、像差和光学元件加工及位置误差。在合束系统中没有透镜,而平面镜加工误差可视为零,故近轴光束像差也可视为零。合束光通过理想透镜后,使得光学元件平移误差没有引入测量系统。平面镜由二维摆镜调节,其角度误差计入机械调节误差中。

激光器误差包括功率、光强分布变化造成的误差和指向稳定性误差。前两者最终影响到CCD测量精度,故归结到光斑质心定位误差。激光器的不稳定会造成光束抖动和漂移,引起光束指向角的变化。抖动和漂移的合成效果是使光斑围绕一个统计中心作随机运动［8］。光斑的这种变化可以分解成水平和垂直两个方向分别测量,再进行合成。实验采用激光二极管泵浦全固态连续激光器,532 nm激光束腰ω1=26 mm,发散角0.8 mrad,515 nm激光束腰ω2=6 mm,发散角0.1 mrad。指向稳定性为一定时间内的统计方差,RMS＜50μrad,即σ1z=σ2z=50μrad。故两光束的x和y方向指向稳定性σ1zx=σ2zx=σ1zy= σ2zy=0.707σ1,由合成公式：

可得合束光在y方向的指向稳定性误差σzy=50μrad。x方向类似。

滤光片和反射镜由二维摆镜控制,可在x和y方向于一定范围进行高精度角度调节,从而控制两光束合束。二维快反镜在两个方向的调节范围均为±1 mrad,单点重复控制精度优于3μrad。高斯光束经平面镜反射及滤光片后,其特性和参数不发生变化,故合束时两光束遵循折射和反射定律,仅发生平移和偏转。如图2,y方向调节示意图。532 nm激光只受M1控制,515 nm激光受M1、M2控制,逆时针为正,实验时M1调到45°,M2调到135°。M1,M2调节误差α,β＜3μrad,故532 nm光束偏离为σ1ty=2α,515 nm光束偏离为σ2ty=2（α-β）。由公式：

可得两光束由机械调节造成的相互偏离为σty=6μrad。x方向类似。

温度环境及光路中气流的变化会使光强分布发生变化,造成光束方向的改变。由于合束装置内温度环境等受到严格控制,故其对合束误差影响极小。

3.3 CCD测量及数据处理误差

3.3.1 CCD测量误差

由图1可知,系统为近场小功率检测,因此背景噪声及空气折射率变化的影响可以忽略不计,故影响CCD测量的因素主要有：光学系统像差、CCD光敏面与理想成像面的角度偏离、CCD测量噪声和A/D转换产生的误差。

光学系统像差对CCD测量系统,特别是角秒级测量系统,有较大影响［9］。实验所用平行光管采用长焦距复消色差系统,设计要求达到衍射极限,因此光学系统像差对CCD测量造成影响极小。由于光束的漂移,CCD光敏面与光束光轴不垂直,即与理想成像面存在一定的角度偏离,使得光斑在CCD光敏面x方向y方向被拉长,成椭圆状。对CCD给予一定标定系数,可以消除这种误差。理论表明,在保证测量与标定的基准面一致时,标定系数与CCD阵列面和理想成像面的偏角无关［10］,即这种误差可以剔除。

实验采用单色帧转移面阵CCD,像元尺寸为8.6（h）×8.3（υ）μm,有效像元为752（h）×582（υ）,信噪比优于60 dB,故一个像素对应角度

式中：a=8.6μm,f=1 000 mm,故单个像元对应角度为γ=8.6μrad。如果CCD放置在焦面,则光束经理想透镜将在一个像元内形成接近衍射极限的光斑,得到的质心定位精度为一个像元。将CCD略微离焦,则光斑会覆盖几个像元,根据采样原理,质心位置精度优于一个像元,达到亚像素或更高精度［11］。按照ISO提供的测量标准,积分区间取光束直径的1.5～3倍。一般m×m的窗口满足：

式中,σPSF为光束半径,a为像元尺寸。当m为3～7,得到的噪声误差较小［12］。根据CCD在y方向的RMS噪声误差模型［13］：

式中,σn为总噪声,L为真实信号,σn/L≈N/S近似为信噪比倒数,取m=7,由此可得CCD测量噪声为σ1ny=0.014 2 pixel。

CCD完成信号采集后,图像采集卡将模拟信号转换为数字信号,以便计算机处理。A/D转换会将光强信号分级,小于半个单位的采样值会被舍弃,从而引入测量误差。理论表明,A/D转换精度越高,影响越小,当A/D转换精度达28时,误差影响已经很小［14］。实验采用A/D转换器为12位,即A/D转换造成的误差不需考虑。

3.3.2 数据处理误差

数据处理误差包括像元量化误差、CTE误差和算法误差。像元量化时,CCD填充因子kf小于1,会造成空间响应的非均匀性,引起点扩散函数畸变（PSF Distortion）,使得质心计算发生偏离。CTE小于1会使信号在向下传递时衰减,从而使信号发生变化。随着CCD技术发展,像元填充因子kf和CTE已接近1,像元量化和CTE造成的误差可以忽略不计。

如前所述,CCD略微离焦后,光斑质心定位采用质心法公式：

不考虑噪声的情况下,质心法精度受信号形状和窗口大小影响。当光束能量分布满足高斯点扩散函数且光能不溢出窗口时（σPSF为0.8 pixel）,随开窗m增加,RMS误差减小,故7× 7的窗口误差σ1sy优于0.001 pixel［15］。

以上为单个因素的情况,而实际质心法定位误差通常将噪声和光源功率、光强分布的变化也考虑进来。噪声和质心法灰度量化效应是其主要影响因素［16-17］,合成可得：

式中,σ1cy=0.014 2 pixel。数据显示,质心法定位精度为1/10［13］、1/20［14］pixel不等,说明以上推导较为合理,将σ1cy放大到1/10 pixel,则单个光束质心法定位误差为σ1cy=σ2cy=γ/10=0.86 μrad。由合成公式：

可得质心法定位造成的两光束的偏离σcy= 1.216μrad。x方向类似。

3.4 合束的总精度及分析

由前面的分析可知,合束精度测量受到激光器指向稳定性、机械调节精度和质心定位误差的影响,由合成公式：

可得y方向合束精度理论值σy=50.373 μrad。x方向和y方向的误差情况一致。

故x方向合束精度理论值σx=50.373μrad。总精度为两个方向合成：

由式（14）可得系统的合束精度理论值σ= 71.239μrad=14.694″。由式（3）、（4）两光束指向稳定性误差σz=70.711μrad,则指向稳定性在合束精度中所占比例：

kz=σz/σ=99.258％,说明激光指向稳定性较差时,测量和调节装置对合束精度的影响较小,合束的主要影响因素是光束的指向稳定性。

分析各因素在合束精度及检测中的影响大小（比例因子）,可以对系统进行综合评定。以本系统为例,保证各元件控制精度及各因素的误差情况不变,用比例因子方法对系统进行分析。

由式（14）可得各因素的比例因子满足：

将所有因素按性质分为固定因素kg和易受干扰的非稳定性因素ku。当ku恶化时,其误差RMS增至s倍,则合束误差增大率为：

如图3,根据“3σ准则”,可知当某一因素增加到原来的3倍时,合束误差会出现急剧增大,精度下降。通过等高线可以看出,即使比例因子较高（大于0.9）,误差仍有约60％增加。为保证系统稳定性,需要更高比例因子。由式（17）可得当s=3时,k1＞99.358％时精度变化＜5％,k1＞99.875％时,精度变化＜1％。当精度要求更高时,进一步提高比例因子可对系统中的恶劣因素进行控制。

实际系统可将较稳定和可控因素设为kg,在本实验中将指向稳定性和机械调节作为固定因素。类似式（15）,可得固定因素比例因子：

如图4,指向稳定性变化时的合束精度及比例因子。实验中σ1=σ2=50μrad,根据式（15）、（16）、（17）、（18）可得固定因素比例因子kg= 99.97％,指向稳定性比例因子kz=99.26％,其他因素比例不到2.5％,说明影响合束精度的主要因素为激光器指向稳定性,其他元件的性能裕度没有充分利用,即使其他因数出现数倍（≤3）变化,也不可能对合束精度造成较大影响（＜2.4‰）,系统的稳定性和抗干扰能力极好。提高激光器指向稳定性,合束精度将极大提高。根据前面的推导,取σ1=σ2=23.51μrad时,固定因素比例因子kg=99.875％,指向稳定性比例因子kz=96.773％,可获得7.09″的合束精度,精度变化小于1％。进一步减小σ1、σ2,合束精度可靠性、系统抗干扰能力将得不到保证。

4 结论

综上可得系统的合束精度受多个因素的影响,因此合理的选择原件、严格保持工作环境稳定是合束的前提。分析各因素所占比例可得,合束精度的主要影响因素是激光器指向稳定性,调节各因素的比例,可对合束的抗干扰能力进行控制。两光束指向稳定性均为50μrad时,合束精度理论值为14.69″,指向稳定性所占比例为99.26％,系统对质心定位等不稳定因素（误差变化＜3倍）抗性极好,精度变化＜2.4‰；指向稳定性提高到23.51μrad时,合束精度理论值为7.09″,指向稳定性所占比例为96.77％,系统仍有较高抗干扰能力,精度变化＜1％。

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夏 蕾（1987-）,男,湖北武汉人,硕士研究生,2010年于武汉理工大学获得学士学位,主要从事光电对抗方面的研究。E-mail：xialei432@163.com

邵俊峰（1984-）,男,安徽宿州人,博士研究生,助理研究员,2006年、2009年于复旦大学分别获得学士、硕士学位,主要从事激光辐照效应、光电对抗技术方面的研究。E-mail：shaojunfeng1984@163.com

韩旭东（1975-）,男,山东博兴人,副研究员,1998年于长春理工大学获得学士学位,2001年、2007年于中国科学院研究生院分别获得硕士、博士学位,主要从事光电对抗技术方面的研究。E-mail：hanxd@ciomp.ac.cn

Laser beam combination accuracy of wavelength multiplexing

XIA Lei1,2,HAN Xu-dong1*,SHAO Jun-feng1
（1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China；2.Uniυersity of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）
*Corresponding author,E-mail：hanxd@ciomp.ac.cn

Double laser beam combination accuracy ofwavelength multiplexing is carried in this article.Two beamswith wavelengths of532 nm and 515 nm are combined into one in the combination and detection system using light filter with special optical thin films,and the combination accuracy is detected.Based on this system,the corresponding theoreticalmodel is established,and the comprehensive analysis on the error source and the value in combination and detection are given in this paper.When the pointing stability of both beams is 50μrad,the theoretical value of combination accuracy is14.69″,and the proportion of pointing stability is 99.26％.The system gets an excellent anti interference ability against the unstable factor such as the error of centroid location（error rate＜3 times）,and the variation in accuracy rate is less than 2.4‰.When the laser pointing stability is increased to 23.51μrad,the highest theoretical value of combination accuracy is 7.09″and the proportion of pointing stability is 96.77％.The system still has a high ability of anti-interference and the variation in the accuracy rate is less than 1％.Factors that affect the beam combination accuracy of near field and small power are laser beam pointing stability,mechanical adjustment and centroid location error are all the factors to affect the combination accuracy of the near field beam with low power,amongwhich the laser pointing stability is themain factor.Adjusting the proportion of each factor,we can control the ability of anti interference of beam combination.

double beam combination；wavelength multiplexing；accuracy testing；error analysis

TN247

A

10.3788/CO.20140705.0801

2095-1531（2014）05-0801-07

2014-04-11；

2014-06-13

吉林省自然科学基金资助项目（No.201115123）；应用基础研究基金资助项目（No.201205094）