激光环境散射率测量装置的设计

高爱华， 彭东东， 闫丽荣

(西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,光电工程学院，西安 710021)

激光环境散射率测量装置的设计

高爱华， 彭东东， 闫丽荣

(西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,光电工程学院，西安 710021)

设计了一种大气环境散射率测量装置，用于测量普通大气环境中粒子对激光散射率，用以反映测量环境对光束的散射程度，进而评估测量环境能否满足散射测量。该装置以稳功率激光器为光源，让光束穿过积分球空腔，使空腔内的粒子在空腔内发生散射，从而散射光都被积分球所收集，再使用光电倍增管测量积分球收集的散射光强，并采用相关检查方法进行信号处理，有效去除背景噪声。在实验室环境进行了测量，结果表明，测量精度最高可达0.1×10-6，装置误差达到±2%，实现了散射率的高精度测量。

散射率； 粒子； 积分球； 相关检测

0 引 言

近年来,随着制造工艺的进步，光学产品的质量越来越高，对产品的检测技术提出了越来越高的要求，普通检测环境中存在大量灰尘颗粒物，对光学器件的光学特性检测造成巨大干扰。

激光在大气介质中传播时，大气中的粒子会对激光光束造成一定的散射，在粒子浓度较低时只考虑单次散射现象[1]，且在一般环境下不考虑其粒子自身的吸收作用[2-3]，散射光强辐射到各个方向。想要测量粒子的散射率就必须尽可能多地收集这些散射能量，这对收集和测量装置提出了比较高的要求。因此，目前还少有主要针对粒子散射率的测量装置。

目前散射测量主要包括粒子粒径和浓度的测量。一般粒子可看作发生Mie散射的球形粒子，根据经典的Mie散射理论，粒子半径与其散射光光强及其分布有着密切的关系[4-5]。应用这一理论，发明了众多测量方法，例如依照测定不同方向上的光强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]。这些方法主要用于测量粒径的分布情况，且测量时对样品的粒径分布要求比较严格，测量条件苛刻、计算复杂。

粒子浓度的测量主要依靠粒子遮挡探测区域内的光场，使光强发生变化，经探测器测量后记录粒子数。测量时必须使粒子均匀地穿过探测区，否则将导致浓度测量不准确，所以该类探测装置都要配备气流装置[7]。粒子浓度高时，颗粒会因为多重散射、聚集效应等原因造成检测不准确[8]；粒子浓度过低时，将无法检测。

针对粒子散射对微弱光信号测量的干扰过程分析，粒径、颗粒浓度的测量都不能直接评估粒子对测量的影响程度，并且相关的测量较为复杂。为了更好地评估测量环境，设计了一种激光环境散射率测量装置，通过利用积分球收集、测量粒子散射光强，同时采用相关检测技术，降低探测器、检测电路、背景光等噪声干扰，较为准确地测量出环境散射率，能很好地对所测量环境进行散射评估。

1 激光环境散射率测量

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，使部分光束发生散射，散射率P为：

(1)

式中：Ι为散射光强；Ι0为入射光强。在测量中，只要测得初始光强I0及经粒子散射的散射光强I，两者之比就是所要求得的环境散射率。

1.2 测量方法

经粒子散射后的散射光辐射到空间中各个方向上，由于积分球的特殊结构，其为开有小孔的空心球体，内壁涂有氧化镁、硫酸钡等漫反射系数接近1的漫反射材料[9]。光射入积分球后，在积分球内壁发射多次漫反射，最终在球内形成均匀照度[10]，只要测量特定大小开口处辐照强度，就可以计算出总的光强。因此，将散射区域放在积分球内部，可以近乎完整地收集散射光辐射，并且避免杂散光造成的干扰，从而保证散射光功率的准确测量，其散射过程如图1所示。

图1 散射测量积分球内光路图

激光光束经粒子散射后的光强非常微弱，并且经过积分球内漫反射后形成的均匀照度场的能量将会比之散射光强更加微弱。因为需要对测量信号进行放大处理，所测量的散射信号非常微弱，所以使用灵敏度较高的光电倍增管作为探测器[11]。由于探测器、检测电路、背景光等噪声干扰，如果不进行去噪处理或应用传统的滤波将无法得到较高的信噪比，故测量这一信号难度非常之大。本装置设计中采用锁相放大器的相关检测技术，利用了参考信号与被测信号具有相同频率，相同相位的关系，能够只对被测信号中的某一部分有响应，大大提高了信噪比[12-13]，从而能在比有用信号强千倍的噪声中将有用信号提取出来，因此有较大噪声干扰时仍能测量准确。

对于初始光功率测量，本装置采用与散射功率测量不同步进行。在测量初始光强即入射光功率时先对其进行衰减，依靠漫反射材料封堵出射小孔，将总的入射光束完全散射在积分球内部，从而测得入射光功率，测量如图2所示。这样测量的主要优点在于减少了探测器件的使用，使用相同的探测器件来进行测量，避免因为需要对初始光功率的测量而进行额外的探测器件及电路设计。积分球内部由于漫反射材料的漫反射系数不完全等于1，而积分球由于长期使用而表面积累积灰尘也会造成表面散射系数的下降，这些都会导致测量的功率小于实际值；而如果单独测量入射光功率，从而造成散射光功率测量相较于入射光功率测量偏小，相应的散射率将偏小。如果初始光功率测量时也采用该探测系统进行测量，将无形中对结果进行了补偿，从而减小这一误差。

图2 入射光强测量积分球内光路图

2 测量装置结构图

环境散射率测量装置如图3所示，图中，激光器发出激光光束，由于采用相关检测技术，因此使用斩波器对光源进行调制，斩波片以恒定速度转动，激光光束透过斩波片槽口形成光脉冲[14]。光脉冲经衰减片衰减，在对初始光功率测量时，如果不对光束进行衰减处理，进入积分球的光功率将超过光电倍增管的测量上限从而会损坏器件，所以在初始光强测量时使用衰减片对光强进行衰减。本装置可使用2片衰减片进行衰减，使光功率衰减为原来的0.01%～1.00%。光束经开孔进入积分球内，此时积分球由于开孔的存在，使得大气能够流通，从而使积分球内外环境相同，随着光束的射入，积分球内的空腔与光束形成一个散射场，粒子的散射光射向积分球内壁，形成均匀的照度场，未发生散射的光线将直接经由开孔射出积分球。射出积分球的光束要进行吸收处理以免反射回积分球内对测量造成干扰，用反射镜将出射光束反射后进入光陷阱，这样当光陷阱不能完全吸收光束时就不会进入积分球内。

图3 装置结构图

散射光强在积分球内形成均匀的照度场，经开口进入光电倍增管的光敏面，光强经光电倍增管线性放大后输出电压信号[15]。将电压信号输入锁相放大器，锁相放大器同时接受来自斩波器输出的与光脉冲同频同相位的TTL脉冲信号。2个信号在锁相放大器电路中进行相关检测运算，最终输出去除噪声后的直流电压信号[16]，经数据采集单元进行数据采集，将模拟信号转换为数字量送入计算机中进行显示。

3 实验结果

搭建实验装置，由于2次光功率测量不是同步进行，所以选用高稳定功率的氦氖激光器作为激光光源，其功率波动在±0.2%以内。计算显示界面由LabVIEW进行编写。

图4是基于LabVIEW环境的实时测量界面，其中两波形图分别显示了信号电压波形图和放大后的波形图。纵坐标为电压值；横坐标为采样时间点。

图4 LabVIEW实时测量界面

本实验采用He-Ne激光器，波长为632.8 nm，功率为1 mW，功率波动在±0.2%以内。调节机械斩波器将激光器光束调制为频率300 Hz，占空比为50%的光脉冲。测量选择在普通实验室下进行测量。

3.1 入射光功率测量

入射光功率测量时，选用0.01%的衰减片进行衰减，将衰减后的光束完全射入积分球，并将光束完全散射在积分球内，实时测量结果如图5所示。

图5 入射光功率测量实时波形图

在同一时间内，当装置测量稳定后读取测量数据，并进行适当的软件滤波处理，测量数据如表1所示。

表1 入射光功率测量

3.2 散射光功率测量

散射率测量时，不使用衰减片，光束进入积分球与粒子发生散射作用，散射光在积分球内发射漫反射，形成稳定辐射场。未发生散射的光束经反射镜反射后进入陷光器。实时测量结果如图6所示,测量数据如表2所示。

图6 散射光功率测量实时波形图

3.3 散射率计算

由实验数据可知，其测量主要为电压值，为了得到散射率， 假设测量时光电倍增管(PMT)的灵敏度为S，增益为G，入射光线总光强为I0，衰减片透过率为T，空间微粒散射率为SC，对应的PMT的输出电压为U。设U1为总入射光功率对应的电压值；U2为散射功率对应的电压值[17]，可得：

(2)

(3)

由式(2)、(3)可得散射率SC=U2/U1×T。对测量据进行计算得到散射率。

在对表1、表2计算后可得表3,表示在最大最入射小功率值下的散射率。

表3 散射率计算

3.4 误差分析

本装置主要误差来源为激光器。由于使用了功率稳定度较高的氦氖激光光源，测量初始光强及散射光强时虽然2个物理量不是同时测量，但是,由于激光器功率波动非常小(±0.2%以内)，所以2次数据测量时功率波动影响可以忽略不计。

4 结 语

本实验装置能够很好地对普通环境下大气散射率进行测量，测量精度较高、结果可靠。利用相关检测技术很好的将信号从强背景噪声中提取出来，实现了散射率的较精确测量。通过搭建实验装置测量表明：该测量装置在同一环境下多次测量，其散射率为：(7.73～7.89)×10-6，表明装置具有较高测量精度。

本实验装置可以广泛应用于实验室环境中的环境散射率测量，并通过散射率的大小对相关光学检测试验进行测量环境可靠性评估。

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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

陕西省工业科技攻关项目(2015GY048)；总装基金项目(9140A18020214BQ52001)

高爱华(1967-)，女，湖北孝感人，教授，硕士生导师，主要研究方向为光电测试技术、信号处理研究。

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

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A

1006-7167(2017)06-0058-04