激光光束质量测量系统技术的研究

赵儒桐，刘鹏，王晓曼

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；2.长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022）

激光光束质量测量系统技术的研究

赵儒桐1，刘鹏2，王晓曼1

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；2.长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022）

为适应社会对高质量激光器的需求，提高光束质量的前提是能获得其准确的性能参数。设计了一款基于机械系统、光学系统、电子学系统组成的M2因子光束质量测量系统。其创新点在于系统的智能化。系统通过步进电机自动控制整个平台使得CCD相机采集到多点的激光切片图像，完成图像的采集后传输给计算机，由软件进行数据处理与算法分析，最终会在上位机中看到激光的光强分布图及处理结果。实验结果表明，系统可以对200～1300nm范围内的激光光束质量进行测量鉴定，进而对提高光束质量提供可靠依据。

激光器；M2；步进电机；CCD

伴随技术领域的不断前进，特别是激光在通信、加工、测试等领域的迅速发展，社会对激光测试的市场需求提出其定量、快速、综合评价的性能参数的要求。因此，要研究和应用激光就必须能够对激光的特性参数进行准确测量［1］。

鉴于目前在各领域中对激光器的光束质量要求越来越高，因此迫切生产能输出高质量激光的激光器。但若要提高激光光束质量，首先必须能准确测量光束性能参数，其次对测量结果给予综合性的分析和评价，所以对激光检测仪器提出了更高的要求。而激光的光束质量是最能全面反映激光系统整体使用效果的重要技术指标，它的好坏直接影响着光束传输能力，同时代表着在同样激光功率或能量情况下激光作用效果的好坏，并在激光装备、激光加工、激光检测等众多领域中起着决定性的作用［2］。本系统采用M2因子法对激光光束质量进行评价与分析。

1 系统组成

1.1 系统结构组成

激光光束质量测量系统框图如图1所示。其主要由衰减片组、连续衰减片轮盘、两对成45度夹角的反射镜、无像差透镜、CCD相机和步进电机等组成。

图1 系统框图

由激光器产生激光进入衰减组，衰减组是外置的，可以通过更换不同参数的衰减组片或者增加减少衰减片组的数量使得激光光束的能量衰减到要求的范围内。经过衰减后的激光光束通过一对45度全反射镜进入到无相差透镜中。

1.2 机械系统设计

机械系统如图2所示，主要由丝杠和步进电机组成。

步进电机1控制衰减轮组A，B轮正转和反转，通过不同的衰减组合，对光强进行调整，从而使光斑达到可测的光强范围内。步进电机2控制丝杠前进或者后退，以便于在光程的近场和远场之间采集光斑图像。

图2 机械系统框架

1.3 光学系统设计

光束质量测量的光学系统组成如图3所示。主要包括固定倍率衰减光学系统、自动变倍率滤光衰减光学系统、聚焦光学系统和反射光学系统等。

图3 光学系统

被测激光束经过衰减系统多次衰减后被聚焦光学系统聚焦，从而产生新的光束束腰，反射光学系统将入射光束反射给CCD相机接收，鉴于不同位置光斑大小不同，为了使CCD相机探测面检测的光的强度合适且不饱和，采用自动变倍率滤光衰减系统对光束进行衰减，并实现对外界杂散光进行消除。

1.4 电子学系统设计

电子学系统主要包括CCD相机和采集卡。其中CCD相机负责探测激光光斑；数据采集卡负责采集图像数据并传输给上位机进行显示处理［3］。由于激光光束质量测量系统对激光的光谱响应范围要求比较大，光谱响应范围为266～1300nm，可以同时对可见光波段和红外波段的激光器进行激光光束质量的测量，这就对相机提出了更高的要求；此外，当入射光场的光斑太大或太小时，需选用合适的光学变换系统对入射光场进行光束变换，使变换后的光斑半径与面阵CCD探测器的接收面较为匹配。

面阵CCD相机是测量激光光束质量的核心部件，其性能决定着整个系统的测量精度，基于以上的需求，应该合理地选择相机，综合考虑，相机的选择应考虑以下几方面：1）高分辨率；2）低噪声；3）光谱响应范围。对相机而言，相机分辨率越高，所选择的面阵CCD相机的像元数足够多；其次系统中主要考虑相机的热噪声、暗电流噪声，要求选择低噪声、暗电流小的CCD相机；最后本系统设计要求光谱范围在200～1300nm，选择CCD时要考虑相机在此波段要有响应且响应度尽可能高。

2 实现原理及测量方法

2.1 对光路原理

在对激光光束质量测量之前，首先应该做的是搭建好外部光路，如图4所示应该保证以下几点：

A）保证激光器入射点、反光镜和测量系统中的透镜中心应大致保持在同一水平高度。

B）从近场到远场，保证激光光斑的束腰能出现在CCD视场中。

C）保证激光传播路径上不同位置处的光斑图像在CCD视场中的位置保持不变。

对光路的方法：

（近场-----＞远场）

上下偏：近端的反光镜往上（下）调，远端的反光镜往下（上）补，并补回到原来位置，根据偏移幅度，调节反光镜的偏移幅度大小；

左右偏：如果光斑往左（右）偏移过大，直接调节远端的反光镜往左（右）偏移；当光斑小范围左右偏移时，光斑往左（右）偏，则调节近端的反光镜往左（右）调，然后调节远端的反光镜往右（左）补回到原先位置处。

图4 调校光路

2.2 透镜变换原理

2.2.1 光束质量测量参数M2

M2既能反映激光的近场特性（光束束腰），还代表激光的远场特性（发散角），可以综合描述光束的质量，并且有通过理想介质传输变换时不变的重要性质[4]。它克服了常用的激光光束质量评价的局限。实际光束的X方向束腰位置和Y方向束腰位置大多在不同位置，X方向上的发散角和Y方向上的发散角也大小不同，所以光束质量因子M2分为和：

M2因子的测量实质上时通过测量束宽拟合对激光光束质量因子M2的测量，可以归结为束腰宽度和光束远场发散角的测量［5］。M2因子可以很好地代表光束质量的优劣，比值为1只存在于理论上的理想高斯光束，结果越接近1，说明质量越好，实际中测量值一般大于1。

2.2.2 束宽积BPP

由于不同的激光器，束腰位置可能在激光器的腔内、输出镜处或腔外，因此，为方便测量，根据拉赫不变量，高斯光束经过理想光学系统后束宽积是常数，所以，可以采用透镜变换法进行测量，变换原理如图5所示。

其中，D0表示实际束腰宽度，θ为实际发散角，为人造束腰，θ'为人造发散角。

图5 透镜变换原理

2.3 核心算法-切片法

利用CCD相机对激光传播路径上不同位置横截面的光束进行采样，采集不同位置的光斑图像，利用这些光斑图像计算出不同位置的光斑直径，将光斑直径数据进行双曲线拟合得到激光光束的传播曲线，这样便可以计算出激光光束的束腰半径和发散角，进而计算出光束质量M2因子［6］。

由于激光在传播方向光束束宽以双曲线形式变化，因此可在传播方向的Z轴上测量不同位置的束宽D(z)，然后通过测量的数据拟合双曲线模型求解光束束腰位置z0和D(z)，ISO推荐的双曲线模型拟合公式为D(z)=Az2+Bz+C

如图6所示，不同位置采到的光斑计算出不同位置的光斑直径即得到一组（z，D(z)）的数据。这样利用下面的曲线拟合公式就可以得到人工光束的相关参数［7］。

图6 激光光斑分布图

确定系数A，B，C后，经过透镜后的人造光束的光束质量测量参数可由下面公式确定：

束腰位置：

束腰宽度：

远场发散角：

瑞利长度：

因子：

经过透视变换后，可以根据透镜后的测量参数反推出透镜前的真实激光光束的光束质量参数，从而获得激光光束质量的参数。

3 软件设计

激光测量系统的软件整体组成如图7所示。

图7 激光测量系统构架

主要包含系统参数设置，USB通信模块，文件管理模块，数据采集模块，图像显示模块，图像预处理模块，算法分析模块，结果输出模块。系统设置模块实现对图像采集卡参数设置、相机参数设置和测量参数的设置；利用USB通信实现对下位机的控制；文件管理模块功能包括对配置文件的读写操作，管理测量过程中的临时文件；图像显示模块采用OpenGL算法将二维图像通过象素处理扩展到三维图像从而实现三维显示，并可通过鼠标拖动从不同视角观察，使光强分布结果更直观形象，并采用伪彩色来增强观察效果；算法分析通过对光斑质心计算、光斑束宽计算和光斑轮廓投影，实现光束传播过程双曲线拟合、计算出透镜后激光光束的M2参数，然后根据透镜变换原理，从而计算出实际激光光束的M2参数。如图8所示是系统运行时的流程图，包含系统初始化，步进电机的控制，图像采集处理，衰减轮的组合以及结果的显示等等。

图8 系统运行时的流程图

4 测试分析

在实验室搭建试验环境对系统进行测试，如图9所示。其工作原理为：由激光器产生激光，进入衰减组，衰减组是外置的，可以通过更换不同参数的衰减组片或者增加减少衰减片组的数量使得激光光束的能量衰减到要求的范围内。经过衰减后的激光光束通过一对45度全反射镜进入到无相差透镜中。

图9 系统实物图

通过无相差透镜转换后的激光光束确保了束腰处于可测量的范围内，之后通过一组反射镜，反射镜安装在一个可以沿丝杠滑动的平台上，通过步进电机控制整个平台的前进和后退，从而能确保CCD相机可以采集到多点的切片图像，最后激光传入到CCD相机中，由相机完成图像的采集。

计算机获得图像数据后，由软件进行数据处理与算法分析，最终得到光束质量M2因子，如图10所示，为处理后的显示界面。

图10 处理显示界面

5 结论

本系统针对基于M2因子的激光光束质量测量研究设计，根据国际通用的M2因子测量原理，设计的一套光学机械系统。根据机械结构进行采集传输系统的硬件设计以及对采集到的数据采用有效的计算方法对数据处理并显示，进而得到激光光束质量M2因子。M2既能体现激光器的近场特性，又能表现其远场特性，对可见光和红外激光光束质量能够进行综合评价，同时为激光光束质量的提高给出了依据方向。

［1］ 贺元兴.激光光束质量评价及测量方法研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2012.

［2］ 黄继鹏，王延杰.激光光斑位置精确测量系统［J］.光学精密工程，2013，21（4）：40-44.

［3］ 贾少春.激光光束质量评价参数测量技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2011.

［4］ 汤亿则，徐志强.基于CMOS相机的激光光束质量自动测量系统设计［J］.光通信技术，2016，12（3）：65-68.

［5］ 王彩霞.嵌入式激光光束质量分析系统的研究［D］.长春：长春理工大学，2009.

［6］ 李伟.激光光束质量评价方法与光束特性参数测量系统［D］.长春：长春理工大学，2009.

［7］ 李俊.基于数字图像处理技术的激光光束质量评价系统设计［D］.西安：西安理工大学，2009.

Research on Laser Beam Quality Measurement System

ZHAO Rutong1，LIU Peng2，WANG Xiaoman1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to meet the needs of the society for high quality laser，the standard of improving beam quality is to obtain the accurate performance parameters.Therefore，a M2 factor beam quality measurement system based on mechanical system，opti⁃cal system and electronic system is designed.Its innovation lies in the intelligent system.The stepping motor system through the automatic control of the whole platform makes the CCD camera to collect the laser multi point slice image，image acquisition transmission computer，data processing and analysis algorithm by software，will finally see the light intensity distribution map and the results of laser in the computer.The experimental results show that the system can be used to measure the laser beam qual⁃ity in the range of 200～1300nm，and provide a reliable basis for improving the beam quality.

laser；stepping motor；CCD

TN247

A

1672-9870（2017）03-0089-05

2017-03-24

赵儒桐（1991-），男，硕士研究生，E-mail：1028609761@qq.com

王晓曼（1956-），女，教授，博士生导师，E-mail：wmftys@126.com