雙狹縫掃描法測量激光光束質量

李 蕾，臧景峰

(長春理工大學電子信息工程學院，長春130022)

引 言

激光廣泛應用于科研、工業等領域，選用的激光的光束光強分布大多為近似高斯分布，所以對近似高斯分布的激光光束的質量分析至關重要。激光光束質量檢測的主要方法有電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)法、刀口法、小孔法、狹縫法等［1-4］。

CCD法可以測量光強分布較復雜的激光光束［5］，但是其光束強度橫向分布常存在飽和失真問題，需加衰減片，易引起其圖像的邊緣失真，這樣就增加了數據分析的復雜度，降低了數據處理速度［6-8］。刀口法與小孔法一樣，在刀口或小孔尺寸一定的情況下，無法測量尺寸小于或與之處于同一量級的光斑。且小孔法測量時間長，無法直接獲得光斑能量邊緣分布。由于實際需要，因此對狹縫法進行了改進提出了雙狹縫掃描法。傳統狹縫法雖然可以直接得到激光光斑的能量邊緣分布，但是不能直接測得激光光斑光強的面分布，無法正確還原一些復雜的光斑能量分布［1-3］。

作者對傳統狹縫法進行了一些改進，采用雙狹縫掃描法，克服了這些缺點。雙狹縫掃描法是動態掃描的方式，只要掃描速度達到一定的頻率，傳感器的分辨率足夠高，機械移動步距范圍足夠大，就可以還原復雜的近高斯激光光強分布，測量速度快、測量精度高。

1 測量原理

作者提出了一種基于狹縫法測量原理［2-4］的雙狹縫掃描法。狹縫掃描儀結構原理圖如圖1所示。狹縫掃描儀包含有一個轉動輪，轉動輪上有兩對不同寬度(5μm與25μm)的互相垂直的狹縫。轉動輪里安裝有一個無刷旋轉電機，可控制轉動輪轉動，改變轉動速率，掃描頻率可實現2Hz～18Hz。激光從狹縫掃描儀入射口射入，轉動輪轉動的同時，垂直狹縫實現對激光的掃描。掃描的同時，轉動輪里面的光電探測器記錄功率大小與位置信息，即可得到不同時刻 x軸與y軸不同位置不同時刻的功率大小。對數據進行處理，可得到x軸與y軸的功率分布曲線，通過分析可得出總功率分布。由x軸和y軸上的功率分布曲線可以對光束特性進行分析，得出光束直徑、橢圓率、中心位置等一些描述光束質量的參量［4-5］。

Fig.1 Structure diagram

連續激光的光波是連續射出的，無論掃描頻率設為多少，每次掃描都可以得到切面上完整的功率分布，故測量精度與狹縫掃描頻率的關系較為簡單。雙狹縫掃描法也可以測量脈沖激光功率分布，但是由于脈沖激光的光波并不是連續射出，如果頻率設置不合理，就無法保證每一次都能得到切面完整的功率分布，故狹縫掃描頻率的改變對脈沖激光的功率測量精度影響較大。

如果脈沖激光具有高頻率短脈沖的特點，測量方式就與連續激光一樣。例如典型的飛秒激光器，擁有超過100MHz以上的頻率，脈沖持續時間低于100fs。這種情況下，光敏二極管的電流放大器由于它的有限的帶寬，它測到的不是一個脈沖信號，而是一個連續信號，故可按照連續激光的方式進行數據處理。如果脈沖激光的頻率在18Hz以內，則可以手動調節狹縫掃描頻率接近激光中心頻率進行測量。如果脈沖激光的頻率以kHz為單位，掃描頻率只能達到2Hz～18Hz，實現不了狹縫掃描頻率與激光中心頻率接近，此時需設置掃描頻率能整除激光頻率。比如，激光頻率為100Hz，設置掃描頻率為10Hz，那每一個10的整數倍的脈沖將會被完整掃描到。隨著掃描次數的累積，得到的數據疊加平均過程如圖2a～圖2c所示，最后處理得到x軸與y軸的功率輪廓分布(見圖2d)。

Fig.2 Change process of pulse laser scanning

2 控制系統設計

嵌入式系統有著低功耗、低成本、高可靠性、對數據可實時處理［9-11］的優點，所以采用嵌入式技術完成對整個系統的控制。控制電機轉動可帶動轉動輪轉動從而實現狹縫轉動，對激光光束進行掃描。掃描后得到的x軸與y軸功率值傳遞給嵌入式系統，經過嵌入式系統的處理計算，最后將分析的結果在顯示屏上顯示。系統方案如圖3所示。

Fig.3 Scheme of system structure

為了實現對數據的精準快速處理，系統選用了Cortex-A9處理器，在Cortex-A9處理器上運行嵌入式Linux系統，從而實現了系統的小型化，方便攜帶，可實現隨時隨地測量激光光束質量［12］。

3 擴展系統

如還需對光束質量因子M2進行測量，可以加擴展系統。光束質量因子測量裝置模擬圖如圖4所示，激光從擴展系統入射后(入射口安裝有抗反射涂層的透鏡)，打向反射鏡，經過反射鏡反射后進入雙狹縫掃描儀，繼續上述介紹的狹縫測量過程。反射鏡安裝在拖動臺上，伺服電機控制拖動臺移動，從而控制激光從入射口到狹縫掃描儀的行程長度。測量方法與傳統的M2測量方法一致，調整反射鏡的位置，使得光束束腰接近行程的中間位置。拖動臺沿著光束傳播方向移動，在不同的位置測量激光束寬，用雙曲線擬合確定光束束腰的位置和大小，實驗數據采用三點法進行處理，進行二項式擬合，即可得到光束質量因子的大小［13-14］。并且移動反射鏡改變光路行程的同時，狹縫掃描儀也記錄下激光的功率大小。

Fig.4 Simulation diagram of expansion platform

4 測量數據

為了與傳統狹縫掃描法進行對比分析，對同一激光器發出的高斯激光分別使用了傳統狹縫法與雙狹縫掃描法進行測量。

使用雙狹縫掃描法測量時，功率探測器測量得到的x軸與y軸功率分布曲線如圖5與圖6所示。知道了x軸與y軸的功率分布，可通過功率通量法［15-16］計算得出光束直徑、橢圓率，分析中心位置，并且可以通過中心位置的位置漂移，分析激光光束的好壞。通過x軸與y軸的功率分布，可以得到激光的2-D功率分布圖像，也可以模擬出3-D功率圖像。

Fig.5 x axial power distribution with double slit scanning method

Fig.6 y axial power distribution with double slit scanning method

Fig.7 2-D image with double slit scanning method

圖5 與圖6中曲線1是實際測得的激光功率曲線，曲線2是近似高斯適應函數，曲線3為近似貝塞爾曲線。如果對能量峰值進行自動定量，測量曲線顯示相對強度百分比從0%到100%，100%表示x軸與y軸強度的最大值。

經過計算處理后得到的2-D圖像如圖7所示，3-D圖像如圖8所示。

Fig.8 3-D image with double slit scanning method

使用傳統狹縫掃描法測量時，功率探測器測量得到的x軸與y軸功率分布曲線如圖9、圖10所示，3-D圖像如圖11所示。

Fig.9 x axial power distribution with traditional slit scanning method

Fig.10 y axial power distribution with traditional slit scanning method

可以明顯看到，使用傳統狹縫法測量得到的3-D圖像有失真，這是由于使用傳統狹縫法測量，狹縫可測量的位置與數據都有限，雖然可以很方便地得到激光光斑的能量邊緣分布，但是無法直接得到面分布，還原出的3-D圖像也出現了嚴重失真。

Fig.11 3-D image with traditional slit scanning method

5 測量精度

測量精度受數模(analog/digital，A/D)轉換器采樣率的限制，A/D轉換器采樣率越高，測得的數據精度越高。系統選用16位的A/D轉換器。測量連續激光時，當狹縫寬度為25μm時，數據精度只在掃描頻率大于15Hz時才有變化。當狹縫寬度為5μm時，測得的數據精度很大程度上受掃描頻率的影響，經過多次試驗測得掃描頻率與功率數據精度關系如圖12所示。可以看出，在狹縫寬度與A/D轉換器采樣率不變的同時，隨著掃描頻率的增加，精度越高，但掃描頻率達到12Hz以上時，精度幾乎不再變化。

Fig.12 Measurement precision of continuous wave laser

經過多次測量實驗，驗證了狹縫掃描頻率與激光中心頻率存在整數倍關系時，測得的數據精度較高。當兩者存在整數倍關系時，每一次掃描都能得到切面完整的功率分布。如果兩者不存在整數倍關系，不能保證每一次掃描得到的數據都是完整的，數據不完整的需要舍去。在使用相同的時間前提下，兩者不存在整數倍關系時得到的數據量更小，會影響最后的測量精度。如果在兩者不存在整數倍關系時還想得到更高的處理精度，就需要延長掃描時間，這樣就增加了掃描的次數，需要更長的時間。但是如果儀器運行時間過長，產生的一些熱量會對電路有一定的影響，難免會產生一些噪聲產生誤差。所以為了保證測得的數據精度，設置狹縫掃描頻率與激光中心頻率為整數倍關系。

選用精準的脈沖頻率為6Hz的激光進行測量，在使用相同時間的前提下，改變狹縫掃描頻率，通過多次試驗得得到的掃描頻率與功率數據精度關系如圖13a所示。當掃描頻率為6Hz，12Hz，18Hz時，測量精度很高，但當掃描頻率為其它不是激光中心頻率整數倍的情況時，測量精度并不高。選用精準的脈沖頻率為8Hz的激光進行測量，在使用相同時間的前提下，改變狹縫掃描頻率，通過多次試驗得得到的掃描頻率與功率數據精度關系如圖13b所示。當掃描頻率為8Hz和16Hz時，測量精度很高，但當掃描頻率為其它不是激光中心頻率整數倍的情況時，測量精度同樣也不高。

Fig.13 Measurement precision of pulse laser

6 結論

在傳統的單狹縫掃描法的基礎上，提出了可以快速精準測量近高斯激光束質量的雙狹縫掃描法，并用該測量系統對高斯激光進行了測量實驗。理論分析與結果表明，雙狹縫掃描測量激光能量分布的方法可以準確快速地測量近高斯激光的能量分布，并且可以加擴展系統完成光束質量因子M2的測量，對光束質量有一個完整的系統分析。

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