定位指示激光的线宽研究

2014-03-22贾亚青谢云龙

计量技术 2014年1期

贾亚青　谢云龙

(北京市计量检测科学研究院，北京 100029)

0　引言

激光定位仪由于方便、准确及高效的优点，成为核磁共振仪、放射治疗机、X光模拟机及X光刀等医学设备的重要辅助部件[1-2]。而随着放射治疗机等医疗器械对病灶定位精度的提高，用来指示手术位置的激光定位仪的精度要求也不断提高。而标致定位精度的激光线宽成为激光定位仪的重要技术参数，是定位仪生产者和使用者共同关心的问题，也是近两年在仪器设备验收过程中引发纠纷最多的参数。目前放射治疗中激光定位仪的线宽(定位精度)一般标称在1mm左右，但有过实验经验的人会感觉到光照环境在一定情况下能影响到激光线宽，而且激光线宽的变化量明显影响到定位精度。究其原因就是对激光线宽问题认识不够，对其影响因素不了解。下面我们从理论和实验两方面研究激光束宽与光照环境之间的关系问题。

1　理论分析

从激光光束质量技术角度讲的光束宽度，是指激光入射接收面上功率下降到中心最大峰值1/e2处(e为自然常数,其值约为2.71828，1/e2值约为0.135)所对应的宽度。但在实际工作中调整激光定位仪时，一般都是目测或辅助目测激光在白纸或观测靶上的定位情况。

(虚线为背景噪声，实线为激光线宽)

假设激光束为沿Z轴方向传播的单模高斯光束，在其垂直横截面上的分布为高斯分布，面上经过中心的某一直线上功率密度归一化分布如图1所示。当以零点为背景基线时，最大峰值功率的1/e2处(即y=0.135)所对应的激光线宽为40mm。当背景基线提高后，也就是在实际观测时，背景光强度增加。由于背景光和指示激光为非相干光，所以背景光的增强并不能增加激光的强度，而只是背景基线的提升。从图1可以很直观的看出，当背景基线提升时，光束的宽度会降低。如果背景基线提升到归一化强度峰值功率的1/2处时，激光束宽会减小原来束宽的近1/2，此变化量足以用肉眼观测到，其定位精度也明显不同。那么什么样的光照环境会影响到激光线宽呢，只有通过实验准确测量才能得出结论。

2　实验研究

在研究光束特性时，通常是让光束入射到探测器的接受面上直接测量[3-4]，但实际在激光定位仪的安装调试和使用过程中，通常是观察激光束打在某靶面上的漫反射图像，为了使实验结果更具有实用参考价值，我们设计的实验也是测量漫反射光点(或光带)。实验装置如图2所示：激光定位指示光入射到白色漫反射板，其反射率大于85%。在光束下方距离反射板15cm处放置CCD摄像头，代替人眼观测，在反射板平面内紧挨反射板放置照度计，用来测量反射板位置的环境照度。

图2　激光定位仪束宽研究实验装置

以He-Ne激光点光源指示光为例，其输出功率为0.3mW，在如图2所示的情况下，改变漫反射板处的光照环境，用CCD记录不同条件下指示光点的大小图像，该图像在很大程度上反映了人眼在不同光照环境条件下看到的指示光的宽度。实验结果如图3所示。

图3　不同光照环境下指示光打在漫反射板上的图像

可以看出，当光照环境小于50lx时，光照环境的变化对激光束宽的影响很小。这是由于激光束中心强度与周围环境的亮暗对比太大，导致CCD探测器饱和，而实验过程中，实验人员的人眼感受也和CCD探侧器很相似，当环境照度低于50lx时，激光亮斑与暗环境的对比，使人眼感觉不舒服，无法判断激光边界。所以建议在调节激光定位仪时，应选择光照环境大于50lx条件下工作。

当环境照度大于50lx时，激光束宽受环境影响较大，根据实验发现在240lx条件下，激光边缘清晰，中心没有饱和现象，容易判断中心位置，同时对人眼没有造成刺激感。而随着周围环境照度的增加，例如在500lx照度下，激光边缘逐渐淹没在噪声中，虽然激光清晰可见，但边缘与中心点不易判断。