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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。 （图片）
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。（图片）
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（图片） 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（图片） （图片）
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（图片） 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，（图片）
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（图片） 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。
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8/9/2012
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