基于COMS相机的激光光束质量自动测量系统设计

2016-12-02汤亿则徐志强黄红兵谷丰强曾次玲

光通信技术 2016年3期

汤亿则，徐志强，黄红兵，谷丰强，曾次玲

（1.国网浙江省电力公司信息通信分公司，杭州310008；2.国网浙江省电力公司，杭州310008；3.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京100192；4.国网湖南省电力公司，长沙 410007）

汤亿则1，徐志强2，黄红兵1，谷丰强3，曾次玲4

针对目前光束质量测量系统在手动光路准直方面的耗时和对准精度不高等问题，提出了一种基于CO M S相机自动采集的实时测量和分析的激光光束质量测量系统。通过对激光光斑进行实时显示和快速分析，表明系统在光束对准基础上可以自动获得激光光束质量参数M2因子。

激光技术；光束质量；M2因子；光路半自动准直；自动测量

0 引言

随着激光技术的不断发展及其在各个领域内应用不断拓展，人们对激光光束质量的要求也越来越高。在激光光束质量的测量评价标准中，M2因子能较科学合理地描述出激光光束质量[1]，被国际标准化组织1991年的ISO/TC172/SC9/WG1标准草案采纳后就一直成为人们研究的热点[2～4]，而针对M2因子的测量方法目前已成为一种非常有用和常见的光束质量测量方法。由于当前的M2因子测量法都是基于傍轴光束[5，6]的，故而在测量之前，需要对激光光路进行调整，以使激光束垂直入射探测器。目前商用测量系统基本上都是采用手动准直光路，这样不仅精度难以得到保证，并且还需要花费大量的调整时间。针对以上问题，本文提出一种基于CMOS相机的激光光束质量自动测量系统，在搭设好光路使得相机能够接受到激光光斑后，便可以通过软件直接自动准直光路，获得近似的傍轴光束，从而快速获得激光光束质量。

1 激光光束质量测量系统构成

图1为激光光束质量测量系统原理框图。激光器发出的光束经衰减后，由反射镜反射，再经透镜入射至CMOS相机，光斑图像数据经数据线传输到计算机进行光斑大小的识别。CMOS相机固定在二维手动调整台上，可手动控制相机的左右和上下移动；二维手动调整台固定在电动平移台上，从而控制相机的前后位置移动；反射镜放置在一个由电动倾斜台和电动旋转台组成的二维电动台上面，实现了对反射镜上的激光光束方位角和水平角的控制。计算机采用串口通信，通过对应的驱动电路来控制三个电动台的运动，从而达到控制光束传输距离和光束传输角度的目的。

图1 系统原理图

2 激光光束质量M2因子测量原理

目前我们测量激光光束质量多是使用M2因子，即衍射极限因子法：

式（1）中，λ为激光波长，ω为实际激光光束束腰半径，θ为实际激光光束远场发散角。

一般的实际激光光束，其光斑尺寸随着光束传输距离呈双曲线分布[1]：

测量在不同光束传输距离z下的光斑半径ω(z)后，即可通过最小二乘法拟合出对应的A、B、C系数，而其光束的质量参数也可以通过这些系数求得[1]：

束腰半径为：

远场发散角为：

将式（3）、式（4）代入式（1）中即可获得激光光束质量。

以上M2因子计算公式均是基于傍轴激光光束而言，但在实际应用中，手动光路准直并不能保证获得很好的准直效果，并且还需要花费大量的时间。本系统通过控制三个电动台的运动，调整激光器光束出射方向，使光束能够始终保持垂直CMOS相机感光面入射，从而保证了测量的准确性。

3 实验数据

实验中所测激光为波长为632.8nm的氦氖激光器，CMOS相机透镜焦距为125mm。通过matlab处理数据，按式（2）绘出氦氖激光器激光光束传输拟合曲线，如图2所示。为验证可行性，同时将所测结果与采用刀口法原理的M2因子商用系统所测激光光束参数进行了对比。

图2 He-Ne激光器激光光束传输拟合曲线

通过数据对比可以看出，本实验系统和商用系统结果基本一致，从而验证了本实验系统的可行性。造成误差的主要原因可能是激光光斑尺寸的计算误差，该误差在采用二阶矩法计算激光光斑尺寸由CMOS相机对激光的饱和误差引入。

为验证系统的稳定性和重复精度，我们分别对两套系统进行了多次测量，比较了重复稳定性，结果如表1所示。

表1 He-Ne激光光束质量测试数据

从表1可以看出，本实验系统测量结果与商业系统测量结果基本一致，并且在重复精度上还略有提高。本实验系统所测激光光束的M2因子反复测量结果稳定，均方根偏差σ低于0.84%，椭圆度偏差低于0.43%；商用系统则因为需要手动准直导致结果的重复性较差，所测激光光束的M2因子的均方根偏差σ为2.45%，椭圆度偏差达到2.9%，均高于本系统测量结果。

4 结束语

本文提出了一种基于COMS相机激光光束质量自动测量系统，通过自主开发的软、硬件系统，能够对激光光斑进行实时显示和快速分析，实现测量过程中的光路半自动准直。在光束对准基础上，系统可以快速获取激光光束质量参数。通过实验结果可以得出，该系统能够很好地克服商用系统手动准直的耗时与准直不确定的缺点，大大减小了测量耗时与测量误差，具有稳定性好、测量简单和速度快等特点。

[1]FIEISCHER J M.Laser Beam Width，Divergence，and Propagation Factor;Status and Experience with the Draft Standard[J].SPIE,1991,1441:2-11.

[2]黄林昊，廖学兵，赵海燕，等.利用光束质量分析仪测量M2因子[J].红外与激光工程，2012，41(8):2197-2200.

[3]SHELDAKOVA J V，KUDRYASHOV A V，ZAVALOVA V Y,et al. Beam Quality Measurements with Shack-Hartmann Wavefront Sensor and M2-sensor:Comparison of Two Methods[J].SPIE,2007，6452：7-13.

[4]杨焕雄，赵道木，陆璇辉.关于光束质量因子M2的几点看法[J].中国激光.1997，24(8):708-714.

[5]刘彩霞，胡继刚，邓小玖，等.非傍轴双曲正弦高斯光束质量因子M2的研究[J].激光技术，2005，29(4):443-446.

[6]吕百达，康小平.对激光光束质量一些问题的认识[J].红外与激光工程，2007，36(1):47-51.

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

1002-5561（2016）03-0056-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.017

2015-11-18。

汤亿则（1976-），男，高级工程师，主要从事电力系统通信建设、调度、运维工作。