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机载民用激光器性能综合测试设备研制
作者:梁雪驰 徐丹旸 李辛
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激光器展厅
半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ...
摘要:介绍了激光器的主要性能指标,根据实际需要进行了激光性能测试设备的研究,提出了一种周全的激光性能测试设备研制方案,对该设备的结构设计、光路设计、以及测试方法作了详尽论述。设备中利用两对相互垂直的P分光镜和S分光镜以补偿偏振光在45°面上透反射率不同而造成的测量误差,进一步保证了激光能量测试的准确性。误差分析结果表明该设备满足实际应用中对激光器性能的测试要求。
关键词:激光器;激光性能测试;光束质量;分光镜

1 引言

激光器在国防、军事以及民用领域有着广泛的应用,如激光测距、照射,激光制导,激光雷达等等。衡量激光器优劣的主要性能指标,比如能量、功率、光束发散角和脉宽等,对其应用是至关重要的。因此,在实际的激光器应用中,非常需要对激光辐射器的主要性能指标作出快速准确的测量[1~6],以检测激光器件实际上是否达到设计要求和应用要求。而现有的激光性能检测仪是针对各参数独立测量,没有一个综合的激光参数、功能测试平台,这样不仅测量的精度和效率低,而且测量参数不齐全,因此需研制高精度技术指标及要求的综合测试设备。

2 激光器性能综合测试设备设计

2.1 结构设计

激光器测试设备主要由光学系统、能量测试单元、波形分析仪、光束分析仪和光轴测量单元和控制系统等组成。测试系统示意图如图1所示。

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图1 测试系统原理框图

光轴测量仪由CCD 摄像机、显示器和图像采集卡等组成,完成激光光轴与安装基准偏角测量。光分仪由探测器、图像采集和显示、分析和计算软件等组成,完成激光光束性能分析,如光斑形状、光斑尺寸和远场发散角等。波分仪由快速响应探测器、示波器和频率计等组成,用于完成激光波形和脉冲宽度测量,脉冲频率精度分析。能量测量单元由电控小孔光阑、能量探测器和显示器等组成,用于完成激光单脉冲能量测量和光束发散角套孔法测量。电控小孔光阑由CCD 摄像机、小孔光阑阵列及驱动装置组成,采用自动变换的闭环控制,用CCD采集图像对准位置,信息送入计算机,由计算机给出位置误差,然后反馈控制小孔的位置移动。

2.2 光路设计

系统光路设计如图2所示。在光路中设置多个P 分光镜和S 分光镜,将激光脉冲分配到各个测量单元的探测器中,实现发射一个脉冲就可以同时检测多个数据。

2.3 测试设备总体布局

该设备布局合理、紧凑,机械接口对接方便、快捷,提高了设备的通用性。详细设计见图3。

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图3 测试设备布局图

在激光器正常工作下利用分光系统及测量仪器测量激光性能。在图3中光束分析仪探测器位于物镜组的焦点F 的共轭焦点F′处,带可变光阑的能量计位于F 的共轭焦点F″处,光轴测量组件位于F的共轭焦点F′′′处,分光系统采用了P 分光镜和S 分光镜。当激光器开始工作,发出的激光脉冲通过长焦物镜组进入分光系统。经各分光镜激光脉冲被送到位于共轭焦点处的各个测试单元(波分仪除外),即可测量激光脉冲的能量、波形、光斑和发散角等参数。这种设计的优势在于:

a)由于光靶在物镜组的焦点F′′′上,激光光束通过物镜组在光靶上聚焦形成光斑,可以使激光光轴和基准轴偏角的测量更为准确;

b)带电控光阑能量计放置在物镜组的焦点F″处,不仅可以精确地测出激光能量,而且由于得到是光斑的“远场图样”,还可以利用“套孔法”准确地测出激光发散角;

c)激光光束分析仪位于F 的另一个共轭焦点F′处,可以使激光光束远场的分析更为准确;

d)利用两对相互垂直P分光镜和S 分光镜以弥补偏光在45°面上透反射率不同而造成的测量误差。可以进一步保证激光能量测试的准确性。

3 激光性能指标测试

3.1 激光脉冲输出能量的测量

利用带电控光阑能量计测量激光能量,衰减器选取合适的衰减比,使最大能量密度及最大功率密度在探头允许范围。调整合适的量程正确测出激光能量。

3.2 激光发散角的测量

一个长焦距透镜在其焦平面上得到的光斑称为“远场图样”,因为远场图样代表了激光束在无穷远处的形状,因此它能确切地表达激光束的形状和结构。

通常以激光强度降到中心处的1/e2计激光束的全发散角。用长焦距透镜测激光发散角如图4,使激光束通过长焦距透镜,在透镜的焦平上将得到激光光斑的远场图样、激光束的发散角为θ,则

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式中,f 为透镜的焦距,D 为光斑的直径。由于θ值很小,可以近似地将上式改写为

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图4 激光光束发散角测量原理图

在长焦距透镜的焦平面上,放置一组直径递增的光阑,分别在不同直径的光阑后面用能量计测出各自的能量,那么可以得到光束发散角的数据,且可以大致得到能量在不同角度上的分布,这种方法称为“套孔法”。

3.3 激光脉冲宽度和精度分辨率的测量

通过波形探测器对激光进行光电转换,然后使用波形显示器进行测量。通过波形显示器观察并测量脉冲波形和脉冲宽度,并根据显示器的读数计算出脉冲宽度误差。

3.4 激光光斑的显示

激光光斑分析仪位于F 的另一个共轭焦点F′处,在激光辐射器的调试过程中,可以随时监视激光光束远场光斑,方便调试。

3.5 激光光轴稳定性和光束质量测量测试光轴稳定性时,利用激光光束分析系统自动测试系统完成光轴稳定性测试,并测出三维光强图像。

3.6 激光光轴与安装基准偏角测量

首先在安装调试设备时,用基准直角反射镜调自准直平行光管的光轴,使CCD 中心与自准直平行光管分划中心重合,其次,按基准安装激光器产品。启动激光光源使激光器正常工作,激光器输出的动态激光通过双不胶物镜聚焦在其焦平面上,聚焦光斑打在CCD 上。通过CCD 成像,利用软件中的激光光轴与安装基准面偏角测量子模块进行图像处理,测量并计算出聚焦光斑中心与CCD 中心偏差,从而完成激光光轴对安装基准面偏角的测量。

4 精度分析

4.1 激光光轴和安装基准轴夹角测量误差分析

激光光轴和安装基准轴夹角测量误差设为σ,则

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式中α1——光斑基准定位误差;

设靶十字线中心与光斑中心的测量误差δ=0.02mm,物镜焦距f′=1500mm,则

α1=arctan(0.02/1500)=2.8″;
α2——基准夹具加工装夹误差,要求<5″;
α3——基准直角反射镜加工误差,要求<5″;
α4——自准仪自准直测量误差,仪器误差为3″,代入以上数据,计算得,newmaker.com

计算结果小于技术指标要求,所以满足测试精度要求。

4.2 套孔法发散角测量允许误差分析

发散角测量误差设为ε,则

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式中ε1――基准夹具加工装夹误差,要求<5″;
ε2――基准直角反射镜加工误差,要求<5″;
ε3,――光轴稳定度,≤3″
ε4――小孔对中误差,设小孔重复定位精度为0.01mm;物镜焦距f′=1500mm,

则ε4=arctan(0.01/1500)= 1.4″

代入以上数据进行计算得ε=4.5″

计算结果表明测量误差很小,可以满足使用要求。

5 结论

随着激光及光电子技术的发展,激光器的应用也越来越广泛,其性能特性被越来越多地人们所关注,因此研制优良、准确度高的激光性能测试设备是必要的。本项激光性能测试设备的研制和设计,对开发实用的和商品化的激光性能综合测试设备有实际的指导意义。测试设备采用成熟的商用设备,以提高系统的稳定性和测试成功率。在满足功能要求的前提下,优化测试光路,降低测试设备的数量和成本,提高性价比。目前该设备已投入使用,工作状态良好。

参 考 文 献
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2 Zhang Zaixuan,Chen Qing gen.The ability of measurement distance of lowe cost mini-LD laser rangfinderand the signa lnoise SNR of system [J].Aeta Photoniea Siniea,1998,27(10):944~947
3 Fang Qiwan,Rao Jionghui,Ying Zhi xiang.New determination equation for visibility[J]. SPIE,1996,2889:292~293
4 Chen Zhibin,Liang Yan,Long Shulin,et al.Computerized testing equipment to the resolution of night visionin strument with faintlight [J]. SPIE,2002,4927:438~445
5 Jin Guofan, Li Jingzhen. Laser Metrology[M]. Beijing: Science Press,1998,162~165
金国藩,李景镇.激光测量学[M]. 北京:科学出版社,1998.162~165
6 Wang J Q.Optical Instrument Colletivity Design [M].Teaching Material of Department of Gradeate of Changchun Institute of Optics.Fine Mechanics and Physics,1998:129~169
王家琪.光学仪器总体设计[M].长春光学精密机械与物理研究所研究生部教材,1998:129~169
7 Zhen Chibin,Zhang Yong,Long Shulin.The study of automatic testing method on the consistency of optical axis for the continuous vail-foeus laser communicating system[J]. SPIE,2002,4927:433~435
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杨鸿儒.新概念高能激光武器与强激光光学计量检测技术[J]应用光学,2005,26(2):l~6(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (8/9/2012)
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