专利名称：激光束参数和全息光栅条纹检测装置及方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域。
本发明作出以前，国内外普遍采用四象限光电探测器寻找光束中心以测量激光方向漂移。
图1中，四象限光电探测器D固定，当激光束照射在四块光电池上时，产生电压V1，V2，V3，V4，利用两对角象限(一和三)与(二和四)输出电压的差值，就能决定光束中心的位置。(激光在精密计量中的应用，叶声华主编，202页和208页)。因为激光光斑中心光强很强，偏离中心处光强很快衰减(图2所示)，所以沿径向移动距离与四象限的电压输出量并不严格成比例。又因为激光器功率有30%左右的起伏，当光斑移动单位距离时，四象限的电压输出将随功率而起伏，因而造成误差。
光束能量的横向分布和光斑尺寸由光电扫描法测量。利用小面积的光电探测器，依靠机械位移装置，在激光束光斑横截面上进行扫描，在xy记录仪上得到光电信号的分布，也即光束能量的横向分布，再由曲线作图计算出光斑尺寸。此外，利用照相底片的黑度和曝光量对数值之间的线性关系，用自动测微密度计，可测出黑度随位置的分布，求出曝光量，从而求得激光束能量的分布。
发散角的测量是在三米导轨上不同位置处，用小面积光探测器和机械位移装置进行光电扫描，由不同位置处的光强分布曲线，计算出发散角。或者采用焦面光斑法，也就是测量经过象差校正的物镜焦平面上的光斑直径do，do与物镜焦距f的比值，即激光束的发散角。(以上参考激光技术手册〔苏〕巴伊鲍罗金，克里克松诺夫，李特文年科主编，1986年10月机械工业出版社出版，316页上激光束参数的测量)。以上测量各自进行，传感元件和方法较落后，故精度受到限制。
本发明的目的是克服上述缺点和不足，设计出全自动高精度测量激光束多个参数的测量技术，此装置还可以作为一维光信息自动记录处理装置，可以在制作全息光栅前，实时测量空间的光强分布曲线，打印出条纹间距参数和光栅常数。
本发明的要点是采用分束器将一束激光分为两束光，在等光程处分别放置两片CCD电荷耦合器件(阵列光电器件ChargeCoapledDevice)，CCD输出两列幅度受光信号调制的脉冲，由计算机控制采集和处理数据，实现激光束方向漂移，激光束能量分布，激光光斑尺寸，激光功率起伏的全自动测量，将探测器沿导轨移动两个位置，可自动测量激光束在此位置的发散角及远场发散角，并同时测得激光束的共焦参数b和束腰光斑尺寸ω。
此法测量光斑漂移径向精度高于1um(经计算机曲线拟合，由计算机应用最小二乘法原理算得为0.5um)，目前国内外先进为5um-10um以上，可定时(定时可调)打印出光强分布曲线，打印出全部数据和误差，并可随时打印出激光光斑中心漂移路径。
此系统可以作为一维光信息自动记录装置。例如可以处理全息光栅干涉条纹信息，可以打印出光强分布曲线及条纹间距，从而测得待制作光栅的光栅常数。
图1是四象限探测器测激光方向漂移图2是单模激光束光斑光强分布图。
图3(a)、(b)、(c)是CCD器件水平放置，竖直放置和水平竖直同时放置三种情况下激光光斑说明4是激光方向漂移说明5是高斯光束按双曲线函数发散6是CCD驱动脉冲的时序关系7是光路与计算机系统总框8是测量系统总电路9是全息光栅光路10是示波器输出的全息光栅干涉条纹的光强分布图本发明的原理方法和技术路线是这样的(一)原理方法1激光束能量分布，光斑尺寸与激光方向漂移的测量。
图2是单模激光束圆对称的激光光斑，光强分布为I=I0e-2r1ω52]]>是高斯函数，式中Io为光斑中心极大值处的光强，I为距中心r处的光强，ω3为光斑尺寸。
CCD是一种新型的半导体器件，256线阵CCD具有256个光敏单元，相邻光敏元之间距为15um(或更小)，光入射到光敏元件之上，输出一列幅度受光信号强度调制的脉冲，脉冲幅度与相应光敏元处的光强成正比(图2所示)。
图3(a)(b)中，光敏阵列CCD沿光斑X轴(或沿Y轴)放置，则传感器接收到沿X轴和Y轴的光强分布分别为IX=IOexp(-2(a1-x)2+d21ω2s) IY=Ioexp( -2(a2-Y)2+d22ω2s)]]>式中，d1d2分别为光斑中心到X轴或Y轴的垂直距离，a1a2分别为X轴原点O1或Y轴原点O2到垂足的距离，图中，O1与O2相当于沿X轴或沿Y轴放置的CCD起始光敏元位置。
图4中，激光的方向漂移，定义为光斑中心漂移量△r与激光器到光斑的距离L的比值θ＝ (△r)/(L) ，△r的测量是测量的关键。
为了测量不同功率激光器的能量分布，激光束通过衰减片，则有关系I′x=I′0exp(-2(a1-x)2+d12ω52)]]>I′′y=I′′exp(-2(a2-Y)2+d22ω52)]]>由计算机控制，分别采集X方向CCD与Y方向CCD输出的256个脉冲的电压值，并进行曲线拟合，分别测得初始时刻(t＝0时)高斯函数中的参数a10，a20，ωso，I′oo，I″oo;t时刻后参数为a1t，a2t，ωst，I′ot，I″ot，则径向漂移△r的X方向分量为△X＝a1t-a10△r的Y方向分量为△Y＝a2t-a20方向漂移为θ =△rL=△X2+△Y2L]]>以上计算，图3(C)可以说明。
光斑尺寸为ωst功率起伏为ΔII=Iot-IoIo=I′ot-I′ooI′oo]]>(2)发散角，束腰光斑尺寸与共焦参数的测量由激光物理可知，在图5中，高斯光束呈双曲线函数发散，光束最细处半径称束腰光斑尺寸ωo，有公式ω2(z)ω20-(2Zb)2= 1]]>式中ω(Z)为Z位置处的光斑尺寸，b为共焦参数。由激光物理可知
Z1处光斑尺寸ω21=ω2(Z1)=λ2 πb2+4Z21b]]>Z2处光斑尺寸ω22=ω2(Z2)=λ2 πb2+4Z22b]]>Z3处光斑尺寸ω23=ω2(Z3)=λ2 πb2+4Z23b]]>式中λ为激光已知波长，令△Z1＝Z2-Z1，△Z2＝Z3-Z2，则Z1距离为Z1=△Z21(ω23-ω21)- △Z22(ω22-ω21)2 △Z2(ω22-ω21)-2 △Z1( ω23-ω21)]]>共焦参数b=2λ(2Z1△Z1+ △Z21)π (ω22-ω21)]]>束腰光斑尺寸ωO=λb2 π]]>Z1处发散角θ=dωdz/z →∞=λπ ωO]]>只要测得相距为△Z1与△Z2三处的光斑尺寸ω1，ω2，ω3(由微机自动进行)，而λ为激光已知波长，所有这5个参数，全部可由计算机快速算得，并自动打印出来。
(二)技术路线技术路线的要点是(1)光路特点利用分束器将光束分为两路，在等光程处分别放置水平方向CCD与竖直方向CCD两块。解决了保持静态情况下，由一维线阵接收器，测量圆对称情况下面上(二维)的光强分布随时间变化的问题。高精度测量出难以测量的光团中心移动距离的问题(到0.5μm数量级)。
(2)采用CCD256线阵作为探测器，由光强随位置的变化，转化为电压随脉冲次序的变化，利用计算机及同步控制电路，对CCD脉冲电压幅度实现同步高精度采集。
(3)利由计算机曲线拟合技术，由脉冲电压随时间的分布，直接算出激光束光强随位置的高斯分布函数中的各参数，从而使激光方向漂移的精度提高了一个数量级，使激光束参数的测量在静态下进行，多个参数的测量同时完成，无需机械扫描装置。
下面结合附图对本技术特点进行详细描述1.光路及计算机控制系统总图介绍在图7中，激光器11的激光束，经12傻魉ゼ跗鳎倬 3(分束器)，分为反射与透射两束光，在等光程处，分别沿水平方向放置一片CCD14，及沿竖直方向放置一片CCD15，两路CCD受激光束照射后，各输出一列幅度受光强分布调制的脉冲信号。
此两路信号，分别经X路与Y路放大电路8，9，进入1(八选一模拟开关CO4051BE)。放大电路8，9输出的两列脉冲信号，也同时输入用于观察信号的双线示波器16，调节水平CCD的上下位置和竖直CCD的左右位置，使示波器中信号幅度最大，此时CCD大致在光斑直径位置。
由4(6522并行接口芯片)输出信号至1(八选一模拟开关)，分别控制X路或Y路信号进入2(采样保持LF398)。
2(采样保持器)的开门信号由10(CCD驱动器)的φR信号(1002)经两次与非门(20)提供。2(采样保持)的输出信号进入3(ADC0809芯片)进行模数转换。3(ADC0809)的启动信号，由10(CCD驱动器)的φR信号(1002)和4(6522并行接口)输出的信号，通过两级与非门19，再经7(14538单稳)，延时后产生。
3(ADC0809芯片)的八条数据输出线与4(6522并行接口)的A口相连。模数转换结束后，3(ADC0809)的EOC端输出一负脉冲，经单稳6延时，进入4(6522并行接口)，作为联络信号，通知5(APPLE微机6502)进行读数。经过数据处理，由打印机17输出结果。
图7中，3(ADC0809)的时钟信号，由5(APPLE微机6502)的时钟信号φo端和4(6522并行接口)的PB1端经过两次与非门18提供。程序由PB1端是0和1控制A/D芯片是否获得时钟信号，以控制模数转换进行。
(2)CCD输出脉冲电压连续同步采集技术为准确测量CCD输出的每一脉冲值采取①采用采样保持电路2，使待测电压保持在电容上，使保持时间大于A/D变换时间。
②利用CCD驱动器输出的脉冲信号进行时序控制。在图6中，CCD逻辑定时电路输出5路可调幅脉冲φ1φ2φ3φRφX，φ1φ2φ3作为三相驱动时钟，φR是CCD器件的复位时钟，φX是加于转移栅的转移脉冲。
图8是图7的具体化。
在图6中，因为φX在低电平期间输出信号，所以，软件上按排在φX负跳沿时去触发中断，开始进入256个脉冲的采样过程。
为此，在图8中，将10(CCD驱动器)的φX信号(1001)接4(6522平行接口)的418(CB1端);同时将10(CCD驱动器)的1002(φR信号)用作同步信号，1002(φR)输出成两路，一路经两次倒相(20)作为采样保持2的开门信号(208)，另一路与411(6522的PB1端)相与后再倒相两次(19)，再输入单稳7(MC14538)的712端，作适当延时后，由709(Q端)输出信号至3(ADC0809)的306(START端)和332(ALE端)，作为模数转换的启动信号和地址使能信号。调节电容718的数值，可使采样保持开门信号与被测脉冲信号同步，而A/D启动信号略微延迟，使输入端的模拟信号稳定后才开始模数转换。
6522平行接口4的411端PB1的电平1或0由程序控制，一方面决定被测信号是否通过采样保持，另一方面又与5(计算机6502)的540(φ0时钟信号)相与并两次倒相后输入3(ADC0809)的310端，以控制A/D芯片有无时钟信号。
图8中，A/D转换结束信号(307端EOC信号)为一负脉冲，经6(MC14538单稳)延时后，由609端输出一脉冲至4(6522并行接口)的421(CA1端)，通知微机进行读数。
图8中，5(APPLE微机6502)的538φ1时钟，输出经三个倒相器组成的延时线后接4(6522并行接口)的436，作为6522正常工作所需的时钟信号。图8中，801，802，901，902分别为水平CCD与竖直CCD的信号输出端，8，9为运算放大电路，1是八选一模拟开关，6，7是MC14538单稳，717与617接+5V。其它线连接如图，不连的管腿空在那里，电阻电容值可查找相应集成电路手册，或由实验决定。
(3)利用曲线拟合技术来减少CCD器件的误差，利用计算机曲线拟合技术，直接由采样的各脉冲幅值算得高斯函数中的各个参数，从而求得激光束各参数，使测量精度提高了一个数量级。
(4)全息光栅条纹间距自动检测图9为全息光栅光路，He-Ne激光器21输出的激光束，经扩束镜22扩束，再经过透镜23，24组成的倒置望远镜系统，成为一束平行光，此平行光经分束镜25分成反射光Ⅰ与透射光Ⅱ，此两束光分别经反射镜26，27反射，再经镀膜分束器28透射(Ⅰ束光)与反射(Ⅱ束光)，在两束平行光交迭处产生明暗干涉条纹，改变两束平行光的夹角α可以改变干涉条纹间距，如果在此位置放上全息干版，经曝光，显影，定影可制作成全息光栅，但全息光栅的条纹间距(称光栅常数)一般只有在制作完成后用其它光学方法去测量。如果在全息光栅制作前，先在此位置放上CCD器件，利用本测量装置，可立即测量并打印出条纹间距，打印出空间光强分布曲线，图10即示波器中观察到的制作全息光栅前CCD器件输出的一列调幅脉冲，与全息条纹的空间光强分布曲线一致。本计算机检测装置测到256个脉冲的幅值，再用一正弦函数对测量数据进行曲线拟合，算得此正弦函数的空间周期，此空间周期乘以相邻光敏元间距(一般为15um和8um)，得到所要制作的全息光栅的光栅常数，由计算机直接计算打印出来。
(5)光路需放置防震平台上，并去除杂散光对CCD的照射，CCD要经过严格挑选。
本技术及装置可应用于1.用于对激光器进行研究，因为这些参数的测试一次性快速完成，由计算机立即显示打印结果，故可以改变激光器的结构参数，同时观察激光束参数的变化规律，以找到最佳条件，有助于从事激光研究的单位及技术人员更方便，更深入地进行理论研究。
2.用于各地激光测试中心，或有关激光精密计量的单位，提高了这些参数的测试精度和自动化程度。
3.此系统配以适当软件，可用于采集其它一维光信息分布，又例测量微小平移，测量细丝直径，测量振动状态，用于全息光栅的干涉条纹信息实时处理及用于其它光信息处理。
光栅常数d是制作全息光栅时关心的问题，一般要多次改变两束平行光的夹角，经多次拍摄、显影、定影、检测、调整夹角，再拍摄，才能得到光栅常数合适的全息光栅。采用CCD电荷耦合器件，由微机自动控制，可以在制作全息光栅前实时测量两束平行光的干涉条纹间距，打印出条纹间距参数和光栅常数，可以很快调整夹角，得到满意的全息光栅。
4.可做成教学仪器，南开大学和理工学院激光教研室的同志看过本装置后，很感兴趣，建议做成教学仪器，因为此装置可以检测干涉条纹，可以检测七种激光束参数，还可以用于其它一维光信息自动检测，如散斑等光信息，加上可计算机处理数据，示波器显示波形等，学生可用于观察激光器结构参数变化引起的激光束参数的变化规律，估计在国内外大学中会有较好的销路，他们建议做成二种精度，一种精度低些成本低些，用于教学演示;一种精度高成本高，用于激光计量和科研。
5.改用十字形CCD作探测器，可用于高精度的激光准直仪上。目前，国内生产激光准直仪的单位有数十家之多，绝大部分都采用四象限硅光电池作探测器，十字形CCD探测器与计算机相结合的方法，可用于高精度带反馈控制的激光准直仪上。激光准直仪在建筑，造船，飞机制造，大型精密机床(平直度，平面度，垂直度，同心度等)及隧道工程等方面有广泛的应用。例30万KW汽轮机组24米长轴系的同心度需要准直、10米长距离内要求激光束漂移量不超过零点几个毫米。
权利要求
1.一种激光束参数和全息光栅条纹检测装置，其特征是由衰减器，分束器，两片CCD电荷耦合器件及驱动电路，放大电路，模拟开关，采样保持器，ADC0809芯片，CCD输出脉冲同步采集电路，6522输出并行接口，以及APPLE微机组成。
2.一种激光束参数和全息光栅条纹检测方法，其特征是a.光路特点图7中激光器11的激光束，经12(可调衰减器)，再经13(分束器)，分为反射与透射两束光。在等光程处，分别沿水平方向放置一片CCD14，及沿竖直方向放置一片CCD15，两路CCD受激光束照射后，各输出一列幅度受光强分布调制的脉冲信号，解决了保持静态情况下，由一维线阵接收器，测量面上(二维)的光强分布随时间变化的问题，高精度测量出难以测量的光团中心移动距离的问题。采用CCD256线阵作为探测器，由光强随位置的变化，转化为电压随脉冲次序的变化，利用CCD驱动器的输出脉冲进行时序控制，加上连续同步控制电路，由计算机控制，对CCD脉冲电压幅度实现同步高精度采集。具体电路是这样的图7中，14CCD与15CCD输出的两路信号，分别经X路与Y路放大电路8，9，进入模拟开关1，程序控制6522并行接口4输出信号至模拟开关1，分别控制X路或Y路信号进入采样保持器2。降低CCD驱动器时钟频率，采用采样保持电路2，使电压保持时间大于A/D变换的时间。在图6中，CCD逻辑定时电路10输出5路可调幅脉冲φ1φ2φ3φRφX。在图7中，将CCD驱动器10的φX信号(1001)接6522平行接口4;同时将CCD驱动器10的1002(φR信号)用作同步信号，1002φR输出成两路，一路经两次与非门20倒相，作为采样保持2的开门信号。另一路与4(6522并行接口)的PB1输出端相与后再倒相两次(19)，再输入单稳7(MC14538)，作适当延时后，输出信号至ADC 0809芯片3，作为模数转换的启动信号和地址使能信号。采样保持2的输出信号进入ADC 0809芯片3，进行模数转换。使采样保持开门信号与被测脉冲信号同步，而A/D启动信号略微延迟，使输入端的模拟信号稳定后才开始模数转换。图7中，ADC0809芯片3的时钟信号，由APPLE微机的时钟信号φ0端和6522并行接口4的PB1端经过两次与非门18提供，程序由PB1端是0或1控制A/D芯片是否获得时钟信号，以控制模数转换进行。模数转换结束后，ADC 0809芯片3的EOC端输出一负脉冲，经单稳6延时，进入6522并行接口4，作为联路信号，通知APPLE微机可以读数，并通过6522并行接口4的A口进行读数。利用以上CCD脉冲连续同步采集电路，由计算机高精度连续采集CCD输出的两列与光信号成正比的脉冲信号，利用计算机曲线拟合技术处理数据，可直接由采样的各脉冲幅值算得光强分布的高斯函数中的各个参数，使激光束参数的测量在静态下进行，多个参数的测量同时完成。b.图9中，He-Ne激光器21输出的激光束，经扩束镜22扩束，再经透镜23，24成一束平行光，此平行光经分束镜25分成反射光Ⅰ与透射光Ⅱ，此两束平行光分别经反射镜26，27反射，再经镀膜分束器28透射(Ⅰ束光)与反射(Ⅱ束光)，在两束平行光交迭处产生明暗干涉条纹，改变两束平行光的夹角θ可以改变干涉条纹间距，如果在此位置放上全息干版，经曝光，显影，定影可制作成全息光栅，如果在全息光栅制作前，先在此位置放上CCD器件，利用本测量装置，可立即测量并打印出条纹间距和空间光强分布，图10是示波器中观察到的制作全息光栅前CCD器件输出的一列调幅脉冲。本计算机检测装置测到256个脉冲的幅值，再用一正弦函数对测量数据进行曲线拟合，算得此正弦函数的空间周期并乘以相邻光敏元间距，由计算机直接打印出所要制作的全息光栅的光栅常数。如果光栅常数不合适，可以在拍摄前边调整两束平行光的夹角，边观察计算机打印的条纹间距参数，直至间距合适时，再进行拍摄。
全文摘要
本发明设计出全自动高精度测量激光束多个参数的测量技术，属于测试领域的激光束参数和全息光栅条纹检测装置及方法，采用分束器将一束激光分为两束，在等光程处分别放置两片CCD器件，CCD输出两列幅度受光信号调制的脉冲，由CCD脉冲连续同步采集电路，经采样保持器，A/D转换，由计算机控制采集，曲线拟合处理数据，实现激光束方向漂移等七种激光束参数的测量，并可作为一维光信息自动记录装置，处理全息光栅等干涉条纹信息。
文档编号G01J3/00GK1033416SQ8710145
公开日1989年6月14日 申请日期1987年11月28日 优先权日1987年11月28日
发明者秦绮雯, 道克刚, 钟纫珠, 李文成 申请人:天津大学