張 勃，宋麗培，趙 星，張 旭，張 茹，安曉英

(南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津 300350)

環(huán)境污染問題是近年來社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，各種環(huán)境污染中大氣污染尤為嚴(yán)重 ，對(duì)大氣中有害氣體的檢測(cè)主要是利用待測(cè)氣體的物理或化學(xué)性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的[1]，其中利用可調(diào)諧二極管光譜檢測(cè)法[2]，可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)氣體濃度的檢測(cè)，同時(shí)此種檢測(cè)方法具有選擇性好、響應(yīng)速度快、檢測(cè)靈敏度高、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)氣體濃度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)[3-6]，但是此檢測(cè)過程中對(duì)光源有一定要求，需要對(duì)光源工作狀態(tài)進(jìn)行精確控制.

半導(dǎo)體激光器又稱為二極管激光器(LD)，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光波長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其波長(zhǎng)可調(diào)諧,通常又是電流泵浦,隨著生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步、器件量產(chǎn)化能力的提高、性能的改善及成本的下降,近年來被廣泛應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域、高分辨率激光光譜和激光冷卻與捕獲等領(lǐng)域[7-9],應(yīng)用方面正在向更多領(lǐng)域滲透，目前固定波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首. 在對(duì)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)中，半導(dǎo)體激光器也成為首選光源.

半導(dǎo)體激光器做為工作光源，對(duì)其工作點(diǎn)位置要求精準(zhǔn)測(cè)量，目前常采用焦距測(cè)量法，但相關(guān)測(cè)量?jī)x器價(jià)格昂貴. 實(shí)驗(yàn)中測(cè)量應(yīng)用追蹤最小光斑，需大量程序計(jì)算，測(cè)量過程比較復(fù)雜.

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光源聚焦點(diǎn)進(jìn)行快速準(zhǔn)確測(cè)量，本文以常用的半導(dǎo)體激光器(LD)為研究對(duì)象，搭建了基于光斑調(diào)制的匯聚光源短焦距測(cè)量系統(tǒng)，此系統(tǒng)僅需將待測(cè)光源在系統(tǒng)中的光斑調(diào)制到參考尺寸，將測(cè)量值輸入數(shù)據(jù)處理界面，直接得到光源焦距準(zhǔn)確值，此系統(tǒng)應(yīng)用在對(duì)LD是否合格進(jìn)行快速篩選，同時(shí)應(yīng)用于LD光源焦距準(zhǔn)確測(cè)量. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，僅需觀察光斑變化，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差小，能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確測(cè)量.

1 基于光斑調(diào)制的匯聚光源焦距測(cè)量系統(tǒng)理論原理

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

如圖1所示,將聚焦光源視為理想點(diǎn)光源，當(dāng)聚焦點(diǎn)處于理想透鏡前焦平面處，通過透鏡后的出射光為平行光[10-11]，由于光源出光口直徑已知為d，透鏡焦距f已知 ，給出光源的理想聚焦位置即光源本身的焦距s(即出光口到光束匯聚點(diǎn)的距離)，則經(jīng)透鏡后，用光屏接收到直徑為D的光斑. 滿足如下關(guān)系：

(1)

由于實(shí)驗(yàn)中無法搭建無窮遠(yuǎn)系統(tǒng)，在遠(yuǎn)距離處放置接收屏，標(biāo)定焦距s對(duì)應(yīng)的光斑大小D，當(dāng)待測(cè)光源的焦距小于標(biāo)準(zhǔn)焦距s時(shí)，通過透鏡的光線將匯聚于一點(diǎn). 當(dāng)待測(cè)光源的焦距大于標(biāo)準(zhǔn)焦距s時(shí)，通過透鏡的光斑將發(fā)散.

將待測(cè)光源放置在標(biāo)定位置，接收屏光斑大于D時(shí)，需調(diào)整待測(cè)光源遠(yuǎn)離透鏡移動(dòng)，使無窮遠(yuǎn)光斑直徑為D，此時(shí)待測(cè)焦距為s+Δs. 相反當(dāng)無窮遠(yuǎn)光斑小于D時(shí)，需微調(diào)待測(cè)光源靠近透鏡移動(dòng)，使無窮遠(yuǎn)光斑直徑為D，此時(shí)待測(cè)焦距為s-Δs. 測(cè)量焦距數(shù)值關(guān)系式為

F=s±Δs.

(2)

當(dāng)透鏡與接收屏間距離足夠遠(yuǎn)，測(cè)量的焦距數(shù)值與真實(shí)值誤差會(huì)非常小，系統(tǒng)測(cè)量中待測(cè)光源焦距有微小差別，反應(yīng)到無窮遠(yuǎn)光斑將有很大差異.

1.2 理論誤差

由于系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)無窮遠(yuǎn)，則待測(cè)數(shù)值存在微小的理論誤差，即當(dāng)待測(cè)光源大于或者小于標(biāo)定焦距s時(shí)，光斑調(diào)節(jié)到待測(cè)光圈D時(shí)，光源光斑并沒有嚴(yán)格在焦點(diǎn)位置，存在差值Δx,如圖2所示.

圖2 不同待測(cè)光源測(cè)量時(shí)的光路圖

為得到準(zhǔn)確的焦距值，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行分析. 當(dāng)待測(cè)光源焦距范圍不大時(shí)，如圖2所示,待測(cè)焦距為

(3)

根據(jù)物像關(guān)系公式，可以得到待測(cè)焦距分別大于或小于標(biāo)定焦距s時(shí)，變化量Δs和Δx的關(guān)系式為

(4)

其中s為初始位置或標(biāo)定位置光源焦距，f為系統(tǒng)透鏡焦距，L為接收屏到透鏡的距離.

根據(jù)以上公式可以彌補(bǔ)測(cè)量系統(tǒng)引起的誤差，得到待測(cè)光源焦距的真實(shí)值.

2 短焦距簡(jiǎn)易測(cè)量系統(tǒng)裝置

基于以上原理，搭建基于光斑調(diào)制的LD短焦距測(cè)量系統(tǒng)，如圖3所示.

圖3 LD測(cè)量系統(tǒng)

系統(tǒng)將二維平移臺(tái)固定在光學(xué)平臺(tái)上，二維平移臺(tái)上安裝可以調(diào)節(jié)高度的支桿，V型槽固定在支桿上，由V型槽及安裝在V型槽前邊的擋板固定待測(cè)LD的位置，二維平移臺(tái)用于微調(diào)LD前后左右的位置，并能讀取具體數(shù)值，精確到0.01 mm. LD前方安裝雙膠和消像差透鏡，使光束變?yōu)槠叫泄馐? 由于實(shí)驗(yàn)上無法實(shí)現(xiàn)無窮遠(yuǎn)，增加多面反射鏡，對(duì)光路進(jìn)行延伸，最后光斑打在接收屏上. 根據(jù)理論LD焦距值， 得到理論光斑大小直徑D，在接收屏上圓圈進(jìn)行標(biāo)注如圖4(a)所示. 圖4(b)為待測(cè)光源光斑小于標(biāo)定圓圈.

實(shí)驗(yàn)選取的理論值焦距為12 mm的LD進(jìn)行測(cè)量，焦距測(cè)量范圍在10～14 mm. LD的出光口徑為2 mm，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選取的透鏡焦距為50 mm. 接收屏上標(biāo)定光斑尺寸的圓圈直徑參考初始位置進(jìn)行標(biāo)定0.881 mm. 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路總長(zhǎng)約2 300 mm.

(a) (b)圖4 接收屏及接收屏上的光斑

2.1 焦距測(cè)量系統(tǒng)的初始位置標(biāo)定

系統(tǒng)測(cè)量過程需對(duì)二維平移臺(tái)初始位置進(jìn)行標(biāo)定，即支桿上3D打印的位置擋板到透鏡中心位置的距離調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)及支桿，可以通過2種方法實(shí)現(xiàn):一種是精密卡尺測(cè)量，確定好相對(duì)位置，但是由于手動(dòng)操作很難實(shí)現(xiàn);另一種是利用已知焦距LD在系統(tǒng)中準(zhǔn)直，確定二維平移臺(tái)的初始位置. 本系統(tǒng)利用焦距為11.35 mm的LD對(duì)系統(tǒng)初始位置進(jìn)行標(biāo)定. 此時(shí)二維平移臺(tái)水平方向卡尺讀數(shù)為M對(duì)應(yīng)的焦距值為s=11.35 mm，得到焦距變量為

Δm=M-s=M-11.35.

(5)

2.2 焦距測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)易測(cè)量方法

將待測(cè)光源放置在V型槽上，即LD的出射光端面與位置擋板貼緊，微調(diào)二維平移臺(tái)左右及支桿上下位置，使LD經(jīng)透鏡打在接收屏上的光斑在標(biāo)定刻度圈的中心. 觀察光斑，若光斑最大方向直徑大于接收屏上標(biāo)定刻度圈，說明待測(cè)LD焦距大于11.35 mm，則調(diào)節(jié)安裝有LD的二維平移臺(tái)水平方向刻度標(biāo)尺，使LD遠(yuǎn)離透鏡方向移動(dòng)，直至光斑最大直徑充滿接收屏上的標(biāo)定圓圈，讀取水平方向刻度值N,此時(shí)有

F1=s±Δs=N-Δm.

(6)

如果接收屏上的光斑比較模糊. 說明光斑已經(jīng)在光路中聚焦，此時(shí)調(diào)節(jié)二維平移臺(tái)水平方向刻度標(biāo)尺，使讀數(shù)減小，光斑將先變小再變大，同時(shí)光斑由模糊變清晰，直到充滿整個(gè)標(biāo)定圓圈，讀出刻度值.

根據(jù)LD基本參量的不同，在測(cè)量過程中，只需根據(jù)待測(cè)LD基本參量對(duì)標(biāo)定圓圈直徑進(jìn)行計(jì)算，對(duì)接收屏的標(biāo)定圓圈進(jìn)行修訂即可進(jìn)行測(cè)量.

2.3 真實(shí)焦距值

為獲得待測(cè)光源的真實(shí)焦距，需對(duì)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 真實(shí)焦距與測(cè)量值之間的關(guān)系為

(7)

根據(jù)式(4)和式(7)可以得到

(8)

搭建的LD焦距測(cè)量系統(tǒng)中部分參量為已知量：s=11.35 mm,f=50 mm,L=2 300 mm；對(duì)應(yīng)系統(tǒng)M=11.4 mm，則Δm=0.05 mm.

為便于操作，根據(jù)待測(cè)LD的已知數(shù)據(jù)情況，編程生成數(shù)據(jù)處理界面，消除系統(tǒng)測(cè)量誤差，界面中標(biāo)定焦距位置s、透鏡焦距f、接收屏與透鏡間距離L為已知量，二維平移臺(tái)位置數(shù)值Δs為輸入值，待測(cè)焦距值F做為輸出值直接顯示在界面(如圖5所示)，當(dāng)系統(tǒng)讀出測(cè)量數(shù)值為11.4 mm，則真實(shí)值為11.35 mm.

圖5 數(shù)據(jù)處理界面

3 結(jié)束語

基于光斑調(diào)制的匯聚光源焦距測(cè)量系統(tǒng)，標(biāo)定的光斑在cm量級(jí)，當(dāng)待測(cè)光源焦距存在0.05 mm變化時(shí)能被人眼分辨出，當(dāng)焦距在0.1 mm變化時(shí)，光斑變化已經(jīng)非常明顯. 如想提高系統(tǒng)測(cè)量精度僅需增大透鏡與接收屏的距離，可通過增加反射鏡來實(shí)現(xiàn). 整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，對(duì)工作人員要求不高，尤其對(duì)非本專業(yè)人員大大降低了工作難度. 數(shù)據(jù)處理界面簡(jiǎn)潔，僅需輸入二維平移臺(tái)讀數(shù)，焦距直接輸出. 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需通過調(diào)制光斑大小，便能得到對(duì)焦距的快速準(zhǔn)確測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小焦距差別LD進(jìn)行檢測(cè)、精確測(cè)量. 操作方便，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差小，系統(tǒng)成本低，能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確測(cè)量.