多波段激光檢測(cè)光源模塊設(shè)計(jì)

沈曉彥，王凱，易翔翔

(1.中國兵器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100089；2.32382部隊(duì)，北京 100072；3.中國電子科技集團(tuán)公司第十五研究所，北京 100083)

激光因其波束小、指向性強(qiáng)、精度高，廣泛應(yīng)用于激光制導(dǎo)和激光測(cè)距等領(lǐng)域。在激光裝備的維修和保障過程中，利用特定波長的激光信號(hào)模擬器模擬激光脈沖信息是評(píng)價(jià)激光裝備接收性能的一種主要手段[1]。由于激光裝備形式多樣，發(fā)射脈沖覆蓋波段眾多，導(dǎo)致配備檢測(cè)維修設(shè)備種類繁多，不利于軍事隨行保障。因此需要研制集成化、模塊化的檢測(cè)設(shè)備，以滿足激光裝備基層級(jí)和基地級(jí)的檢測(cè)維修需求。

為滿足多種波長激光裝備的模塊化檢測(cè)需求，筆者研制了一種能夠輸出多波長激光光束的光源模塊，使得激光檢測(cè)光源具有結(jié)構(gòu)簡單、體積質(zhì)量小和易于調(diào)制的特點(diǎn)，能夠避免作戰(zhàn)維修場(chǎng)地有限的制約，提高檢測(cè)精度和效率，為激光裝備日常維護(hù)及隨行保障提供支撐。

目前在光通信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)多波長集成和切換一般有兩種方案，一是采用波長可調(diào)諧激光器作為光源[2-3]，但其波長可調(diào)范圍有限；二是利用MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems，微光機(jī)電)集成波長選擇開關(guān)技術(shù)進(jìn)行波長切換[4]。雖然上述多波長集成方案在光通信領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用，但其存在制作工藝復(fù)雜、成本高昂的缺點(diǎn)，難以應(yīng)用于激光裝備維修的多波長光源模塊。文獻(xiàn)[1]較早地提出了利用可轉(zhuǎn)動(dòng)的全反射鏡將分布在不同位置的4種波長的光源引入至準(zhǔn)直鏡頭，實(shí)現(xiàn)了不同波長的切換，但因?yàn)榇嬖谵D(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，長期使用可靠性差，易造成光軸失調(diào)。文獻(xiàn)[5-6]提出了將多種波段激光發(fā)光器件進(jìn)行底層集成，形成準(zhǔn)共軸光源，實(shí)際上無法形成精確的共軸光路。因此，筆者設(shè)計(jì)了一種無轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的光路切換方案，結(jié)合不同波長的激光二極管發(fā)射光源，可實(shí)現(xiàn)共軸輸出的多波長集成化光源。相比于其他方案，具有體積小、質(zhì)量小、低成本、無需機(jī)械式切換、易于測(cè)試儀器集成的優(yōu)點(diǎn)。

1 多波段激光光源的設(shè)計(jì)

1.1 多波段激光器選型

半導(dǎo)體激光二極管是一種體積小、易于驅(qū)動(dòng)的激光器，適合在激光裝備檢測(cè)中使用。筆者選用了某研究所生產(chǎn)的3種波長的脈沖激光二極管，其主要參數(shù)如表1所示。激光二極管結(jié)構(gòu)形式為TO56形式，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)初步準(zhǔn)直，并生成圓形光斑，其實(shí)物如圖1所示。通過光線追蹤仿真，如圖2所示，可以看出該激光二極管封裝能夠?qū)崿F(xiàn)良好的準(zhǔn)直效果。

表1 半導(dǎo)體脈沖激光二極管參數(shù)表

1.2 多波段共軸光路設(shè)計(jì)

多波段共軸光路設(shè)計(jì)用于滿足多波段光源在同一光軸輸出[7]。筆者采用主光路為1 064 nm準(zhǔn)直激光為標(biāo)準(zhǔn)光束，上、下分別是905 nm和1 550 nm兩路附加光束，附加光束通過半透半反45°鏡耦合到主光路，實(shí)現(xiàn)多波段激光的共光軸準(zhǔn)直輸出。如圖3所示。

圖3中，透反鏡1全透1 064 nm波段，全反905 nm波段。透反鏡2全反1 550 nm波段，全透905、1 064 mm兩個(gè)波段。發(fā)射物鏡是三光耦合擴(kuò)束鏡，采用三片式彎月透鏡和膠合透鏡相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以起到有效消除像差的作用，光路如圖4所示。

導(dǎo)光介質(zhì)是200 μm芯徑光纖，采用光纖可以達(dá)到對(duì)出光功率進(jìn)行勻化的目的。其中光纖NA數(shù)值采用0.21設(shè)計(jì)，最終擴(kuò)束準(zhǔn)直徑達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)全角為4 mrad，遠(yuǎn)場(chǎng)RMS半徑1.1 mrad，GEN半徑達(dá)到2.1 mrad；FFT MTF參數(shù)達(dá)到0.1～0.5之間；FFT PSF函數(shù)指標(biāo)良好。

通過發(fā)射電路分別控制3路激光二極管的發(fā)射與關(guān)閉，即可模擬不同波長的激光發(fā)射光源，從而實(shí)現(xiàn)3種波長的自由切換。

1.3 激光發(fā)射電路設(shè)計(jì)

多波段激光光源的發(fā)射電路應(yīng)滿足發(fā)射脈沖寬度窄、頻率可調(diào)、功率可調(diào)的要求，特別是脈沖寬度決定著模擬精度[8-9]。筆者設(shè)計(jì)的窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路由窄脈沖發(fā)射電路和窄脈沖發(fā)生電路兩部分組成，其中窄脈沖發(fā)射電路如圖5所示。

通過反復(fù)控制MOS管Q1的開關(guān)狀態(tài)就能不斷的產(chǎn)生脈沖。在放電回路中，由儲(chǔ)能電容產(chǎn)生的脈沖是按指數(shù)衰減的。假設(shè)充電電壓為U0(圖5為15 V)，當(dāng)電容充電完成后其電壓也等于U0；此時(shí)使得Q1導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容開始通過回路放電，忽略電路中的寄生電感的影響，該電路的電流解I為

(1)

式中，R和C分別為RC電路的阻值和容值?？梢钥闯觯瑫r(shí)間常數(shù)RC和U0/R分別決定著衰減程度和峰值電流的大小。因此采用這種方法負(fù)載上最終得到的脈沖在很大程度上受RC回路因素的影響。Q1開關(guān)時(shí)間則對(duì)脈沖的上升和下降沿起著決定作用。因此可以解得電流i隨時(shí)間t的變化滿足如下關(guān)系：

(2)

式中，L為RC回路的寄生電感。

在激光二極管達(dá)到額定功率時(shí)管壓降為2 V，激光二極管的等效電阻為0.4 Ω，電路寄生電感越大，其發(fā)射脈沖上升時(shí)間越長。電路寄生電阻越大，其所需供電電壓越高。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，盡量減小電路的寄生電阻和寄生電感，在選取電容時(shí)，要考慮其額定電壓、等效串聯(lián)電阻(ESR)以及電容溫度穩(wěn)定性對(duì)發(fā)射電路性能的影響，應(yīng)選取額定電壓高，ESR小的陶瓷電容。

由于3種不同波長的激光二極管阻抗特性存在差異，因此需要制作3種不同RC參數(shù)的驅(qū)動(dòng)電路。分別對(duì)加工制作完成的窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行測(cè)試，利用示波器觀察激光二極管兩端電壓。如圖7所示為1 064 nm激光二極管窄脈沖波形，可以看出筆者設(shè)計(jì)的窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路能夠產(chǎn)生4 ns脈寬的發(fā)射脈沖，上升和下降時(shí)間很陡，能夠滿足激光光源窄脈沖發(fā)射的需求。其他兩種波長的激光二極管窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)RC電路參數(shù)的調(diào)整，也能達(dá)到該效果。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)完成的多波段激光光源如圖8所示，3種波長的激光二極管通過內(nèi)部光路進(jìn)行共軸并耦合至光纖，最后通過光纖準(zhǔn)直鏡頭輸出。為了驗(yàn)證其性能，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別采集激光光斑和發(fā)射功率。

2.1 激光光斑質(zhì)量檢測(cè)

如圖9(a)所示，利用CCD相機(jī)拍攝上轉(zhuǎn)換板可以得到光斑圖像。對(duì)3種不同波長的激光光斑圖像分別進(jìn)行處理，可以得到光斑直徑、質(zhì)心和均勻性等。編寫圖像處理程序?qū)嚯x出光口3 m處的光斑進(jìn)行處理，通過提取光斑輪廓可以將其擬合成圓，得到光斑直徑和質(zhì)心[10]；將光斑像素值的分布繪成三維圖，可以分析出其均勻度，如圖9(b)所示。

控制3種波長的激光二極管分別發(fā)射激光，得到其光斑圖像分析結(jié)果如表2所示，可知，經(jīng)過共軸設(shè)計(jì)的不同波長激光光斑直徑、質(zhì)心和均勻性指標(biāo)一致性好，證明了光路設(shè)計(jì)的良好性能。

表2 激光光斑質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

2.2 激光波長、發(fā)射功率和效率檢測(cè)

利用光譜儀、光功率計(jì)等測(cè)試儀器分別對(duì)3種波長激光的波長、發(fā)射功率分別進(jìn)行采集，其中發(fā)射理論值設(shè)定為相同值，發(fā)射電路參數(shù)根據(jù)此發(fā)射功率進(jìn)行設(shè)定。檢測(cè)結(jié)果如表3所示，可知，通過共光軸設(shè)計(jì)，出光口峰值功率具有較好的一致性，但后期使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定。

表3 激光波長、發(fā)射功率和效率檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

為滿足多波段激光裝備的檢測(cè)，筆者設(shè)計(jì)了一種集成化的多波段激光光源模塊，在光路上采用透反鏡和光纖準(zhǔn)直鏡頭，實(shí)現(xiàn)了905、1 064、1 550 nm 3種波長激光的共光軸輸出，并可通過電路選擇輸入其中任意一種激光。為滿足高速窄脈沖驅(qū)動(dòng)的需求，采用了超高速器件開關(guān)充放電電路，實(shí)現(xiàn)了激光光源的窄脈沖發(fā)射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和有效性，為下一步應(yīng)用于激光裝備檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。