基于光斑调制的汇聚光源焦距测量系统

张 勃，宋丽培，赵 星，张 旭，张 茹，安晓英

(南开大学 电子信息与光学工程学院，天津 300350)

环境污染问题是近年来社会关注的焦点，各种环境污染中大气污染尤为严重 ，对大气中有害气体的检测主要是利用待测气体的物理或化学性质来实现测量的[1]，其中利用可调谐二极管光谱检测法[2]，可实现大多数气体浓度的检测，同时此种检测方法具有选择性好、响应速度快、检测灵敏度高、可远距离传输等优点，实现气体浓度的实时在线检测[3-6]，但是此检测过程中对光源有一定要求，需要对光源工作状态进行精确控制.

半导体激光器又称为二极管激光器(LD)，具有体积小、重量轻、结构简单、光波长等优点，其波长可调谐,通常又是电流泵浦,随着生长技术的进步、器件量产化能力的提高、性能的改善及成本的下降,近年来被广泛应用于光纤通信领域、高分辨率激光光谱和激光冷却与捕获等领域[7-9],应用方面正在向更多领域渗透，目前固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首. 在对有害气体进行检测中，半导体激光器也成为首选光源.

半导体激光器做为工作光源，对其工作点位置要求精准测量，目前常采用焦距测量法，但相关测量仪器价格昂贵. 实验中测量应用追踪最小光斑，需大量程序计算，测量过程比较复杂.

为了实现对聚焦光源聚焦点进行快速准确测量，本文以常用的半导体激光器(LD)为研究对象，搭建了基于光斑调制的汇聚光源短焦距测量系统，此系统仅需将待测光源在系统中的光斑调制到参考尺寸，将测量值输入数据处理界面，直接得到光源焦距准确值，此系统应用在对LD是否合格进行快速筛选，同时应用于LD光源焦距准确测量. 系统结构简单、成本低，仅需观察光斑变化，测量数据误差小，能实现快速准确测量.

1 基于光斑调制的汇聚光源焦距测量系统理论原理

1.1 实验原理

图1 实验原理图

如图1所示,将聚焦光源视为理想点光源，当聚焦点处于理想透镜前焦平面处，通过透镜后的出射光为平行光[10-11]，由于光源出光口直径已知为d，透镜焦距f已知 ，给出光源的理想聚焦位置即光源本身的焦距s(即出光口到光束汇聚点的距离)，则经透镜后，用光屏接收到直径为D的光斑. 满足如下关系：

(1)

由于实验中无法搭建无穷远系统，在远距离处放置接收屏，标定焦距s对应的光斑大小D，当待测光源的焦距小于标准焦距s时，通过透镜的光线将汇聚于一点. 当待测光源的焦距大于标准焦距s时，通过透镜的光斑将发散.

将待测光源放置在标定位置，接收屏光斑大于D时，需调整待测光源远离透镜移动，使无穷远光斑直径为D，此时待测焦距为s+Δs. 相反当无穷远光斑小于D时，需微调待测光源靠近透镜移动，使无穷远光斑直径为D，此时待测焦距为s-Δs. 测量焦距数值关系式为

F=s±Δs.

(2)

当透镜与接收屏间距离足够远，测量的焦距数值与真实值误差会非常小，系统测量中待测光源焦距有微小差别，反应到无穷远光斑将有很大差异.

1.2 理论误差

由于系统无法实现无穷远，则待测数值存在微小的理论误差，即当待测光源大于或者小于标定焦距s时，光斑调节到待测光圈D时，光源光斑并没有严格在焦点位置，存在差值Δx,如图2所示.

图2 不同待测光源测量时的光路图

为得到准确的焦距值，对测量误差进行分析. 当待测光源焦距范围不大时，如图2所示,待测焦距为

(3)

根据物像关系公式，可以得到待测焦距分别大于或小于标定焦距s时，变化量Δs和Δx的关系式为

(4)

其中s为初始位置或标定位置光源焦距，f为系统透镜焦距，L为接收屏到透镜的距离.

根据以上公式可以弥补测量系统引起的误差，得到待测光源焦距的真实值.

2 短焦距简易测量系统装置

基于以上原理，搭建基于光斑调制的LD短焦距测量系统，如图3所示.

图3 LD测量系统

系统将二维平移台固定在光学平台上，二维平移台上安装可以调节高度的支杆，V型槽固定在支杆上，由V型槽及安装在V型槽前边的挡板固定待测LD的位置，二维平移台用于微调LD前后左右的位置，并能读取具体数值，精确到0.01 mm. LD前方安装双胶和消像差透镜，使光束变为平行光束. 由于实验上无法实现无穷远，增加多面反射镜，对光路进行延伸，最后光斑打在接收屏上. 根据理论LD焦距值， 得到理论光斑大小直径D，在接收屏上圆圈进行标注如图4(a)所示. 图4(b)为待测光源光斑小于标定圆圈.

实验选取的理论值焦距为12 mm的LD进行测量，焦距测量范围在10～14 mm. LD的出光口径为2 mm，实验系统选取的透镜焦距为50 mm. 接收屏上标定光斑尺寸的圆圈直径参考初始位置进行标定0.881 mm. 实验系统光路总长约2 300 mm.

(a) (b)图4 接收屏及接收屏上的光斑

2.1 焦距测量系统的初始位置标定

系统测量过程需对二维平移台初始位置进行标定，即支杆上3D打印的位置挡板到透镜中心位置的距离调节二维平移台及支杆，可以通过2种方法实现:一种是精密卡尺测量，确定好相对位置，但是由于手动操作很难实现;另一种是利用已知焦距LD在系统中准直，确定二维平移台的初始位置. 本系统利用焦距为11.35 mm的LD对系统初始位置进行标定. 此时二维平移台水平方向卡尺读数为M对应的焦距值为s=11.35 mm，得到焦距变量为

Δm=M-s=M-11.35.

(5)

2.2 焦距测量系统的简易测量方法

将待测光源放置在V型槽上，即LD的出射光端面与位置挡板贴紧，微调二维平移台左右及支杆上下位置，使LD经透镜打在接收屏上的光斑在标定刻度圈的中心. 观察光斑，若光斑最大方向直径大于接收屏上标定刻度圈，说明待测LD焦距大于11.35 mm，则调节安装有LD的二维平移台水平方向刻度标尺，使LD远离透镜方向移动，直至光斑最大直径充满接收屏上的标定圆圈，读取水平方向刻度值N,此时有

F1=s±Δs=N-Δm.

(6)

如果接收屏上的光斑比较模糊. 说明光斑已经在光路中聚焦，此时调节二维平移台水平方向刻度标尺，使读数减小，光斑将先变小再变大，同时光斑由模糊变清晰，直到充满整个标定圆圈，读出刻度值.

根据LD基本参量的不同，在测量过程中，只需根据待测LD基本参量对标定圆圈直径进行计算，对接收屏的标定圆圈进行修订即可进行测量.

2.3 真实焦距值

为获得待测光源的真实焦距，需对系统测量数据进行处理. 真实焦距与测量值之间的关系为

(7)

根据式(4)和式(7)可以得到

(8)

搭建的LD焦距测量系统中部分参量为已知量：s=11.35 mm,f=50 mm,L=2 300 mm；对应系统M=11.4 mm，则Δm=0.05 mm.

为便于操作，根据待测LD的已知数据情况，编程生成数据处理界面，消除系统测量误差，界面中标定焦距位置s、透镜焦距f、接收屏与透镜间距离L为已知量，二维平移台位置数值Δs为输入值，待测焦距值F做为输出值直接显示在界面(如图5所示)，当系统读出测量数值为11.4 mm，则真实值为11.35 mm.

图5 数据处理界面

3 结束语

基于光斑调制的汇聚光源焦距测量系统，标定的光斑在cm量级，当待测光源焦距存在0.05 mm变化时能被人眼分辨出，当焦距在0.1 mm变化时，光斑变化已经非常明显. 如想提高系统测量精度仅需增大透镜与接收屏的距离，可通过增加反射镜来实现. 整个系统操作简单，对工作人员要求不高，尤其对非本专业人员大大降低了工作难度. 数据处理界面简洁，仅需输入二维平移台读数，焦距直接输出. 整个系统结构简单，仅需通过调制光斑大小，便能得到对焦距的快速准确测量，可实现对微小焦距差别LD进行检测、精确测量. 操作方便，测量数据误差小，系统成本低，能实现快速准确测量.