光學系統的光束指向穩定性光電測試法研究

楊斌

【摘 要】本文以振動的基本理論為基礎，利用矩陣光學理論，總結了光學圖像法測試光束指向穩定性的定理。通過進行實驗光路的測試以及光電法測試光束指向穩定性的模型設計，實驗表明：光束指向穩定性誤差的大小，誤差的出現的振動概率及其影響大小可以通過光學圖像法來分析，加以加速度計的電學法運用的結合，可以推測出光束指向誤差是由于光路影響以及來源。光電測試法的設計穩定，便捷實用，具有十分高的使用價值與應用存在，可以廣泛應用于規模大的光束系統的光束指向穩定性測試。

【關鍵詞】光學系統；光束指向穩定性；電學法

光束特性的轉變通過激光光路系統，種子光源產生激光光束后，加以后續的各種光學元件而成的，其價值在于符合“打靶”的各種需求。光束會因受到許多方面的影響而干擾在傳輸過程中的效果，其中不可控的振動引起的動態干擾程度最為突出，光束會因此在“打靶”過程在最佳位置來回晃動，使打中的機率浮動不定，這就說明了研究光束指向穩定性是有一定的價值存在的。

1 光束指向穩定性的方法

測量光束的方法不一，如電學法、機械法、光學法等，其中以光學法和電學法為核心。電學法的概念主要是通過轉換被測對象的振動量為電量，并使用電量測試儀為測試工具，它的優勢在于敏捷感高、頻率幅度以及動態線性的范圍大、分析遙測簡單，其缺點是對電磁場的干擾大、無法解析光學元件上光束振動的現象，沒有振動對光束指向穩定性產生的誤差。光學法主要通過干擾手段進行測試，其優勢是受磁場影響小、測試結果精準度高、通用于體積小難以安裝的非接觸測量，其缺點是測試結構繁雜，成本高。

隨著技術發展，普通的機械振動的測試方法廣泛適用于光路的振動測試中，也有少部分的文獻資料參考了光學法的測量研究。因此本文繼續探討光束指向穩定性的測試方法類型，總結光學系統的光束因時間而形成的變化量的原因以及造成光束指向偏移的振動信號頻譜的特點與影響程度的分析。據此，這種光學方法測試領域大、精準度高、直接得出答案、迅速定位造成光束指向穩定性的誤差根源以數據，從而提高“打靶”的成功率。

2 光電法測量光束指向的應用

將振動的頻率特征傳輸到承載光學元件的機械結構，統稱為環境微振動（也稱為鏡架）。在前文有所闡釋中，光束的頻率信息會受到由于光學系統的終端光束的指向穩定性誤差數據對鏡架的干擾而存在不同程度的影響，結果一般為鏡架的穩定頻率。根據有關實驗表明，取樣鏡添加在光學系統的傳輸終端的光路輸出位置中，并通過利用高速圖像對其采樣光進行采集，在規定時間內得出不同的光斑圖像，對得出的圖像質心與重心進行計算機處理后，隨著時間變化，圖像的質心與重心會產生變化數據，就是光束指向穩定性位移誤差圖。

光束指向穩定性誤差的頻譜圖可以通過博里葉原理處理圖像的質心與重心位移數據，改變光束指向而成，并能總結出因頻率差異而造成光束指向穩定性的誤差幅度結果。電傳感器是承載光學元件的鏡架1到鏡架n上一次性或分次安裝測試振動的工具，如加速度計，各鏡架的振動頻譜圖是通過采集儀與計算機的配合共同分析測量后的振動數據而出的。各鏡架的頻率由電傳感器分析，光束指向穩定性誤差的頻譜圖的幅度峰值的頻率由圖像分析，兩者相對比分析，診斷對光學系統光束指向穩定性造成誤差的鏡架編號與其對光束指向穩定性的影響程度。

3 光束指向穩定性光電測試法分析

根據有關實驗分析表明，氦氖激光器可發出波長為632.8納米的可見紅光，利用高速攝像機采集經平面鏡透析的圖像。高速攝像機的參數為像素21μm，拍攝頻率500frame/秒，3秒可以采集實驗中的1500張圖片。振動傳感器的最大頻率高于1000赫茲，是以加速計為工具。本文通過光學圖像法和加速度計電學法中的豎直方向測試分析來降低操作難度，增加實驗的可操控性。將可選頻率的振動儀安置在平面鏡鏡架的下面，增強實驗效果的直觀性。為了減少地面與建筑的隨機干擾，可以將設備統一歸到在隔振平臺上。

對氦氖激光器的平臺穩定性測試是實驗前的一道工序，采集激光是通過高速攝像機進行的，根據有關實驗證明：氦氖激光器不易受光學平臺的影響，無突出的頻率特征，說明了光源由激光器發出的指向穩定性高。

振動信號可通過加速度計的電學法測量，而加速度信號與頻率譜圖是在實驗中采用東方振動和噪聲技術研究所的DASP系統，根據有關實驗表明，特征頻率值自身以及影響程度與光學法的原理基本一致的，從而論證了光束指向穩定性通過光學法分析是準確的，也得出一個新結論是平面鏡23赫茲的振動是光束指向穩定性的誤差來源。通過測試再發現，17赫茲的頻率是振動儀的穩定頻率，并不是無意義的頻率數據。與振動臺固有頻率接近的23赫茲的激振頻率下，兩者作用下產生了17赫茲的共振，并且通過光學法和電學法的測試下，認為17赫茲會對光束指向穩定性產生影響。

另外，實驗中可以隨意調控對準光束的角度、高速攝像機的位置、攝像機鏡頭的焦距與采集光斑的明晰程度等，提高光學圖像法對光束指向穩定性的測試的科學性，并獲得與23赫茲這個在光源靜止與平面鏡鏡架共同作用下的頻率結果。根據有關數據表明，光源平臺的振動頻率特征幅度在光源靜止下是完全一致的；頻率的特征值在平面鏡的23赫茲振動頻率作用下是相同的，但幅度有所偏差，其原因是振動儀具有不穩定的振動幅度，缺乏17赫茲頻率的共振出現。兩者的實驗結果表明：測量光束指向穩定性的光學法更為便捷可信。

4 結束語

本文通過已有的光學測量法的理論為前提，以實驗操作驗證其準確性。得出了光束指向穩定性產生誤差的振動信號頻譜特征及頻率影響程度這一結論，是通過利用高速圖像采集器對傳輸的光信號的分析而得出的。實驗操作過程簡單、干擾因素少，其中基于振動測量的電學法是通過研究光學元件鏡架的頻率特征情況，迅速定位對光束指向穩定性產生誤差的來源的一種快速的方法，因此得出要改良光學元件以及降低防振的措施這個結論。因此，對光束指向穩定性進行診斷方法的研究表明，通過兩種不同的振動測量方法的優劣對比分析，得出可適用于規模較大的激光裝置光束指向穩定性的應用中。

【參考文獻】

[1]劉芳，徐嘉，張燕，等.光學器件微振動引起的光束指向穩定性分析[J].光學學報，2011，31（11）：1120001-1-1120001-7.

[2]江征風.測試技術基礎[M].北京：北京大學出版社，2010：51-53.

[責任編輯：朱麗娜]