测量激光光束抖动的图像技术4

测量激光光束抖动的图像技术

中国科学院安徽光机所大气光学中心 谭锟 合肥市1125信箱，230031

tan@aiofm.ac.cn

摘要：激光器的一个重要特点是定向性好。在各种激光经过大气的应用中一般都假定发射激光束的方向是稳定的，如果产生了光束抖动或漂移则认为是大气湍流造成的。实际上激光器也会产生抖动和漂移（指向稳定性）。采用高速CCD器件和图像处理技术在普通实验室内就可以进行这种精密测量。我们测量了连续HeNe激光器和YAG脉冲激光器本身的光束抖动，前者的光束指向方差为6微弧度，后者达到22微弧度。激光器指向稳定性是一个重要指标，一些多模激光器不适合用于精密测量中。

关键词：光束抖动，指向稳定性，图像处理，光束质量分析

一 引言

激光器的一个重要特点是输出光束方向性好，经常用作指向仪器。在各种激光经过大气的应用中，例如激光测距、激光扫描雷达、大气探测雷达等，一般都假定发射激光束的方向是稳定不变的。由于存在大气湍流和折射率不均匀，光束方向会发生改变，例如产生了光束抖动(beam wander)、光束漂移(beam drift) 和光束扩展(beam spreading)等。在星载激光雷达设计中，因为不存在大气问题不必考虑光束方向的这类变化。为了提高信噪比可以尽量减小视场以减小背景噪音。例如美国CALIOP卫星中安装的CALIPSO激光雷达的激光器发散角是100微弧度，接收视场是130微弧度，分配给准直系统的误差是±10微弧度【1】，虽然没有讲激光器指向稳定性指标，但是肯定是严格的。

不同型号、不同制式、不同波长的激光器，光束指向误差是否都可以忽略或满足使用需要？这需要用精确的测量做出验证。文献检索指出，有一些激光器生产厂提供了指向稳定性指标。例如德国ELS薄片式单模激光器指向稳定度：连续型为5微弧度／℃，脉冲型为20微弧度／℃【2】，美国Continuum公司Powerlite型激光器给出的指向稳定性为30微弧度【3】，Photonics公司脉冲单模激光器的指向稳定性是＜50微弧度（典型5微弧度）【4】。从这些指标看，各公司对指向稳定性的定义并不一致。

激光光束分析仪可以测量指向稳定性，但其价格不菲，是普通实验室很难承受的。文献【5】使用动态光束分析仪测量了COIL连续激光器自身的抖动（vibration）和漂移，对激光器的改进有重要作用。当前由于计算机、CCD图像采集和处理技术的迅速发展，在一般光学实验室内已经有可能组装自己的便宜的图像处理系统，进行这种精密检验。我们采用国产的图像采集卡、CCD相机，编制自己的图像处理软件，对一种指向用的连续HeNe激光器和国内大量使用的法国Brilliant脉冲激光器的指向偏差进行了检测。本文主要介绍我们的测量方法，验证结果仅供同行参考。

二 激光光束抖动或光束指向稳定性及其测量方法

激光器光束指向稳定性包括俗称的光束抖动和漂移，其产生原因主要是谐振腔振动和温度变化。激光器自身产生光束抖动和漂移也是随机性的，从效果上看很难和来自大气湍流的光束抖动（beam wander）和光束漂移（beam drift）效应区别开，因此研究激光器指向稳定性是有重要意义的。在大气光学测量研究中需要限定使用的激光器的指向稳定性指标。在一些精密准直系统设计中，也必须规定指向稳定性指标。

抖动和漂移这个词在科技界使用的很广，习惯上根据目视频率高低加以区分。漂移一般指光斑中心位置较慢的变化，目视很容易看出的变化；而抖动则指较快的来回变动，光斑在围绕一个统计中心随机的运动，不借助仪器和统计算法就无法定量的描述。根据这种理解，厂家给出的激光器指向稳定性指标是20微弧度／℃，是指的光束指向角漂移，每1度的温度变化可以引起光束指向角改变20微弧度。有的厂家给出的是每分钟或每小时的指向角漂移量。也有厂家给出指向稳定性为20微弧度（标准偏差），这符合指向角抖动的定义，它是在一定时间内的统计方差。

从测量技术上说不必去管光束指向角抖动或漂移产生的原因。定性的说，我们可以把光束指向角的变化按照变化频率高低区分为抖动和漂移。漂移是较低频的，可以用单位温度或单位时间漂移量来描述。抖动是较高频的，应该采用统计算法，在一段时间内求取光斑平均中心的位置及其标准偏差；此标准偏差（即抖动角）就是衡量光斑抖动严重程度的指标。

要定量描述光束的抖动和漂移就必须规定一个分界频率，根据传统的目测标准，这个频率应该在0.1－1赫兹之间。各种测量方法要符合（包括）这个分界频率。因此要想正确的测量出光束抖动，测量方法必须采集到0.1赫兹以上的快变化分量。要能正确的测量出光束漂移，测量方法必须采集到1赫兹以下的慢变化分量。

文献上有一些测量光束指向稳定性的光电方法，但是光斑位置的最直接的方法是采用CCD相机得到二维图像。为了减小设备体积，可以把光束减弱、聚焦到CCD元件上（例如光束质量分析仪）。而实验室内比较方便的办法是把激光光束投射到远处屏幕上（或经长焦距透镜），然后利用CCD相机对屏幕光斑连续拍摄。图像数据被实时采集存入计算机，处理软件对每一幅图像求出光斑的几何中心（或能量中心）坐标，然后计算相邻的若干幅图像光斑中心坐标平均值和它的标准偏差。最后将此位置偏差，转换为激光器发射光束的指向角偏差。只要控制采集频率和连续采集时间（决定了数据的频谱），就可以分别计算出光束抖动或光束漂移。我们采用的实验室测量装置如图1所示。

系统中采用的CCD相机型号是AM1100，分辨率768×576，像元尺寸8.3μ×8.3μ。相机参数可程控，具有外触发、逐行扫描功能，帧频可以到70赫兹。采用国产定焦镜头：口径50mm，F1.8，视场角14.8度。图像采集卡是M20A，可自动识别视频信号，最高采集频率60MHz。图1中使用了一个棱镜把1.06微米和0.53微米激光分开，以便分别测量和比较。示波器用于监测同步脉冲。为了防止外界震动的干扰，激光器和反射镜安装在防震平台上。测量时注意保持实验室环境安静，保持空气稳定避免产生湍流影响。

图1

激光器指向角稳定性测量装置示意图

测量方法：对模拟光斑和连续激光器，使用一个20Hz信号发生器去触发CCD相机，连续采集图像130帧，存入计算机。对脉冲激光器（工作频率是20赫兹），应该使CCD相机与激光器闪光灯同步拍摄。同样连续采集图像130帧，存入计算机文件。以每秒20帧的速度连续采集130幅图像需时6.5秒，这是为了测量抖动频谱至少需要的。每组测量占用系统内存和数据文件长度大约50MB。如果脉冲激光器频率更高，可以测量到的频谱也更宽，需要的系统资源也更多。如果是测量光束漂移，必须延长测量时间，但是可以降低采集速度。

数据处理方法：软件首先读取数据文件，逐帧地处理每个光斑。对选定的图像区计算出一个平均光强，确定最佳光斑强度阈值。然后求出所有光强大于阈值的像元坐标，计算光斑几何中心的平均坐标。像元坐标系是CCD元件上以感光像元为单位的相对坐标，左上角为（0，0），右下角为（768，576）。从像元坐标可以转换成屏幕相对坐标。然后计算每组130帧光斑中心坐标的平均值和标准偏差。最后从标准偏差计算激光器输出光束的抖动或漂移角偏差。 三 测量设备的基本测量精度

为了确定测试系统的基本误差设计了以下2种试验。

1 以连续HeNe激光照射靶面，以20赫兹频率触发相机和采集图像数据。测量得到的光斑几何中心坐标的标准偏差，是He-Ne激光器自身的光束抖动偏差与测量系统误差之和。 2 测量绝对静止的模拟光斑（在黑纸上贴上白纸剪成的圆形斑），同样以20赫兹频率触发相机、拍摄图像和采集数据（见表1）。可以看到，测量得到的光斑几何中心坐标的标准偏差不是零，而是一个很稳定的值（0.02像元，对应于屏幕上3.6微米）。由于排除了光束抖动，这种误差来自测量系统本身（主要来自CCD相机），是这种测量方法固有的误差。

表1 系统的基本误差 时间 X向方差 0601201123 0.02 0602161055 0.02 0602161056 0.02 0602161057 0.02 平均误差 0.02 3.6 Y向方差 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 3.6 光斑像元数 2897.1 4612 4620 4614 备注 180微米/像元 （像元） （微米） 备注中给出的像元到微米的转换常数，是由拍摄的屏幕标尺的图像读出的，它与相机到屏幕的实际距离有关。

表2表3是当采用连续氦氖激光照明时，在不同距离上测量到的光斑几何中心的位置误差（表中误差包括系统的基本误差）。在靶面上测量到光斑中心坐标误差来自激光器输出的不稳定，主要是光斑能量分布的变化。根据激光器离靶面的距离，可以计算出激光器在水平方向和垂直方向的指向角抖动误差。比较表2、表3最后给出的激光器光束指向误差，发现它们很接近；这印证了这种误差来自激光器不稳定的推论。连续HeNe激光的这种指向不稳定是不大的，它与光束的发散角相比很小，与光斑直径相比在1‰以下，是目视很难发现的。 表2 He-Ne激光器指向角抖动误差（较近距离） 时间 0602171141 0602171142 0602171143 平均误差 指向误差

表3 He-Ne激光器指向角抖动误差（较远距离） 时间 0602171205 0602171206 0602171207 位置误差 指向误差 X向方差 0.50 0.42 0.64 0.52 94.0 6.56 Y向方差 0.40 0.43 0.30 0.38 68.7 4.80 光斑像元数 10121 10822 11231 10725 备注 靶距14.32米 180.7微米/像元 （像元） （微米） （微弧度） X向方差 0.05 0.05 0.08 0.057 10.3 4.7 Y向方差 0.06 0.07 0.08 0.07 12.6 5.8 光斑像元数 1697 1748 1709 1718 备注 靶距2.18米 180.7微米/像元 （像元） （微米） （微弧度） 四 脉冲激光器光束抖动测量

脉冲激光器产生的光束指向具有较大的随机性，依赖于每次放电的条件以及产生的振动。测量脉冲激光器光束特性要充分衰减激光能量，防止CCD元件发生饱和或者损坏。激光器能量只在短暂的时间出现，因此采集图像时一定要使CCD相机快门与激光器发射严格同步。可以利用激光器闪光灯触发信号去触发CCD