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光束性能檢測(cè)

激光雷達(dá)發(fā)散角檢測(cè)

激光雷達(dá)（LiDAR）的發(fā)散角（通常指發(fā)射光束的發(fā)散角）是衡量其光束質(zhì)量、測(cè)距能力和空間分辨率的關(guān)鍵參數(shù)之一。較小的發(fā)散角意味著光束更集中，能量密度更高，有助于實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測(cè)距離和更高的角度分辨率。檢測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)散角通常涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)，以下是常見(jiàn)的檢測(cè)方法和流程：

一、主要檢測(cè)方法

刀口法（Knife-Edge Method）

原理：利用一個(gè)鋒利的邊緣（如刀片）逐步遮擋激光束，同時(shí)測(cè)量透射功率的變化。通過(guò)分析功率隨刀口位移的變化曲線（刀口曲線），可以積分得到光束的強(qiáng)度分布，進(jìn)而計(jì)算光束寬度和發(fā)散角。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，適用于高功率激光。

缺點(diǎn)：測(cè)量速度慢，對(duì)刀口邊緣要求高，易受機(jī)械振動(dòng)影響。

狹縫掃描法（Slit Scan Method）

原理：使用一個(gè)窄縫代替刀口，讓激光束通過(guò)狹縫后被探測(cè)器接收。狹縫在光束橫截面上進(jìn)行二維掃描，記錄不同位置的透射光強(qiáng)，重構(gòu)光束輪廓。

優(yōu)點(diǎn)：比刀口法精度更高，能獲得更完整的二維光強(qiáng)分布。

缺點(diǎn)：掃描時(shí)間較長(zhǎng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

CCD/CMOS相機(jī)法（Camera-Based Profiling）

原理：使用高動(dòng)態(tài)范圍的CCD或CMOS相機(jī)直接拍攝激光束的橫截面光強(qiáng)分布。通過(guò)軟件分析圖像，計(jì)算光束寬度（如1/e2寬度、D4σ寬度等），并根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量距離計(jì)算發(fā)散角。

優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)時(shí)、快速獲取二維光強(qiáng)分布，直觀，支持連續(xù)監(jiān)測(cè)。

缺點(diǎn)：需注意激光功率密度，避免損壞相機(jī)傳感器（常需使用衰減片或漫散射屏）；對(duì)弱光或特定波長(zhǎng)（如近紅外）可能需要專用相機(jī)。

光束質(zhì)量分析儀（Beam Profiler）

原理：集成化的商用設(shè)備，通?；谙鄼C(jī)法或掃描法，配備專業(yè)軟件，可自動(dòng)計(jì)算光束參數(shù)（包括發(fā)散角、M2因子、橢圓度等）。

優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，精度高，功能全面。

缺點(diǎn)：成本較高。

二、典型檢測(cè)流程（以CCD相機(jī)法為例）

1.0準(zhǔn)備工作

環(huán)境：在暗室或遮光環(huán)境下進(jìn)行，避免環(huán)境光干擾。

設(shè)備：激光雷達(dá)、CCD/CMOS相機(jī)（帶合適濾光片和衰減片）、光學(xué)平臺(tái)、精密位移臺(tái)（可選）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

安全：佩戴對(duì)應(yīng)激光波長(zhǎng)的防護(hù)眼鏡，確保激光束路封閉，遵守激光安全操作規(guī)程。

1.1系統(tǒng)搭建

將激光雷達(dá)固定在光學(xué)平臺(tái)上，確保穩(wěn)定。

將CCD相機(jī)放置在距離激光雷達(dá)出射口足夠遠(yuǎn)的位置（通常在遠(yuǎn)場(chǎng)，如數(shù)米至數(shù)十米），以確保測(cè)量的是發(fā)散后的光束。

調(diào)整相機(jī)位置，使激光束垂直入射到相機(jī)靶面中心。

根據(jù)激光功率，安裝適當(dāng)?shù)闹行悦芏龋∟D）濾光片或使用漫散射屏（如磨砂玻璃）間接成像，防止相機(jī)飽和或損壞。

1.2光束圖像采集

啟動(dòng)激光雷達(dá)，發(fā)射激光。

通過(guò)采集軟件獲取激光束在相機(jī)上的光強(qiáng)分布圖像。

確保圖像不飽和，信噪比足夠高。

1.3圖像處理與分析

使用專業(yè)軟件（如MATLAB、Python + OpenCV、或?qū)Ｓ霉馐治鲕浖┨幚韴D像。

提取光束的橫截面強(qiáng)度分布。

計(jì)算光束寬度（如沿X、Y方向的1/e2直徑或D4σ直徑）。

記錄相機(jī)到激光出射口的距離（L）。

1.4發(fā)散角計(jì)算

發(fā)散角（θ，通常以毫弧度mrad為單位）可通過(guò)以下公式估算： θ ≈ d / L 其中：

d 是遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)得的光束直徑（如1/e2直徑）。

L 是測(cè)量距離（從激光出射口到相機(jī)的距離）。

對(duì)于更精確的測(cè)量，需考慮光束的傳播特性（如高斯光束），并可能需要在多個(gè)距離測(cè)量以擬合發(fā)散趨勢(shì)。

1.5重復(fù)與驗(yàn)證

在不同距離重復(fù)測(cè)量，驗(yàn)證發(fā)散角的一致性。

對(duì)激光雷達(dá)的不同掃描角度或通道進(jìn)行測(cè)量，評(píng)估其均勻性。

1.6報(bào)告生成

記錄測(cè)量條件（波長(zhǎng)、功率、距離、環(huán)境等）。

輸出發(fā)散角結(jié)果（通常給出X、Y方向的發(fā)散角）。

附上光束輪廓圖和分析數(shù)據(jù)。

三、注意事項(xiàng)

遠(yuǎn)場(chǎng)條件：確保測(cè)量距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件（Fraunhofer衍射區(qū)），否則測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

波長(zhǎng)匹配：相機(jī)和光學(xué)元件需對(duì)激光波長(zhǎng)敏感且兼容。

功率控制：嚴(yán)格控制入射到相機(jī)的功率，防止損傷。

校準(zhǔn)：定期對(duì)測(cè)量系統(tǒng)（如相機(jī)像素尺寸）進(jìn)行校準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)遵循：參考相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 11146）進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，確保結(jié)果的可比性和權(quán)威性。

通過(guò)上述方法和流程，可以準(zhǔn)確評(píng)估激光雷達(dá)的光束發(fā)散角，為其性能優(yōu)化和應(yīng)用提供重要依據(jù)。

激光雷達(dá)光束性能檢測(cè)項(xiàng)目

激光雷達(dá)光束性能檢測(cè)是確保激光雷達(dá)系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

探測(cè)距離與范圍：檢測(cè)激光雷達(dá)的最大探測(cè)距離以及在不同距離下的探測(cè)準(zhǔn)確性，確保其能夠在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)有效工作。

角分辨率：評(píng)估激光雷達(dá)在水平和垂直方向上的最小分辨角度，這對(duì)于構(gòu)建高精度的三維點(diǎn)云圖至關(guān)重要。

測(cè)距精度與穩(wěn)定性：通過(guò)測(cè)量激光往返時(shí)間（ToF）計(jì)算目標(biāo)距離的準(zhǔn)確性，以及多次測(cè)量結(jié)果的一致性，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

回波強(qiáng)度與信噪比：分析接收到的回波信號(hào)強(qiáng)度，以及信號(hào)與噪聲的比例，評(píng)估激光雷達(dá)在不同環(huán)境條件下的目標(biāo)識(shí)別能力。

波束指向性與擴(kuò)散角：檢查激光束的聚焦程度和發(fā)散情況，確保光束能夠精確指向目標(biāo)并減少不必要的環(huán)境干擾。

掃描模式與頻率：對(duì)于機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，檢測(cè)掃描機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和頻率；對(duì)于固態(tài)激光雷達(dá)，則需評(píng)估電子掃描的靈活性和速度。

環(huán)境光抗干擾能力：在不同光照條件下測(cè)試激光雷達(dá)的表現(xiàn)，確保其能在強(qiáng)光或變化光照環(huán)境中正常工作。

深色物體檢出率：評(píng)估激光雷達(dá)對(duì)低反射率（如黑色衣服或路面）物體的探測(cè)能力，這是城市和夜間駕駛場(chǎng)景中的重要考量。

溫度與濕度影響：在標(biāo)準(zhǔn)或極端的溫度和濕度條件下測(cè)試激光雷達(dá)性能，確保其在各種氣候條件下的穩(wěn)定性。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性與壽命測(cè)試：長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行激光雷達(dá)，監(jiān)測(cè)性能衰減情況，評(píng)估其工作壽命和可靠性。

激光性能參數(shù)定義

M2因子  

在激光科學(xué)中，參數(shù)M2也稱為光束質(zhì)量因子，表示光束到理想高斯光束的變化程度。它由光束的光束參數(shù)乘積(BPP)與相同波長(zhǎng)的理想  

高斯光束的光束參數(shù)乘積(BPP)之比計(jì)算而得。它將激光束的發(fā)散度與能夠達(dá)到的最小聚焦光斑大小聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于單模TEM00(高斯)  

激光束，M2為1。  

光束質(zhì)量在很多應(yīng)用中是重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在光纖通信中，為了與單模光纖耦合，需要M2因子接近1的光束。M2決定了已知直徑的準(zhǔn)  

直光束聚焦的緊密程度，焦點(diǎn)的直徑跟隨M2和輻照度的變化而變化，這在激光加工和激光焊接中是非常重要的，因?yàn)樗鼪Q定了焊接位  

置的高能量密度。  

ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種計(jì)算M2的方法，測(cè)量一組光束的直徑，最大限度地減少誤差來(lái)源。以下是主要步驟:  

-用無(wú)像差透鏡聚焦。  

-使用ISO標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)的回歸方程來(lái)擬合雙曲線到X軸和Y軸的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過(guò)最小化測(cè)量誤差來(lái)提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。  

-從擬合曲線中提取每個(gè)軸的θ、R、W0和M2的值。ISO標(biāo)準(zhǔn)還提出了一些關(guān)于直徑測(cè)量的額外規(guī)則(特別是當(dāng)使用ccd或cmos陣列傳感器時(shí)):  

-用直徑的三倍作為計(jì)算區(qū)域。  

-在進(jìn)行測(cè)量之前一定要去除背景噪聲。

激光性能檢測(cè)范圍

固體激光器（光纖激光器）

波長(zhǎng)

輸出功率

功率不穩(wěn)定度

束散角

出口光束直徑、束寬

光束質(zhì)量因子

束腰直徑、寬度

光束指向不穩(wěn)定度

偏振度

閾值

電光轉(zhuǎn)換效率

脈沖寬度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖重復(fù)頻率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

輸出能量（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

輸出能量不穩(wěn)定度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

平均功率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型） 

 半導(dǎo)體激光器

中心波長(zhǎng)

峰值波長(zhǎng)

譜寬度

輸出光功率

平均功率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

峰值功率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖能量（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

工作電壓

工作電流

閾值電流

斜率效率

脈沖寬度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖重復(fù)頻率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

電光轉(zhuǎn)換效率

溫度-波長(zhǎng)漂移系數(shù)

偏振度

光束寬度

光強(qiáng)分布

輸出功率不穩(wěn)定度

輸出能量不穩(wěn)定度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

占空比

邊模抑制比

截止頻率 

工業(yè)激光器

輸出功率

平均輸出功率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

輸出功率不穩(wěn)定度

光束質(zhì)量因子

波長(zhǎng)

半峰全寬

脈沖寬度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

電光轉(zhuǎn)換效率

光束直徑

脈沖重復(fù)頻率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

單脈沖能量（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖寬度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖重復(fù)頻率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

對(duì)光束束寬的定義方法

光斑尺寸：  

對(duì)光束束寬的定義有以下幾種方法：  

1、1/n定義法  

在光強(qiáng)分布曲線上，相對(duì)光強(qiáng)為峰值光強(qiáng)的1/n處的兩個(gè)點(diǎn)之間的距離定義為光束的束寬，一般n取值為e2或e，實(shí)際上是按照光強(qiáng)分布  

定義的。  

2、功率定義法  

在光強(qiáng)分布曲線上，占總功率能量的η處至峰值處距離定義為束寬w（z），常用的η有86.5%，63%。  

3、刀口法  

按能量來(lái)定義束寬，對(duì)應(yīng)10%和90%能量截?cái)帱c(diǎn)間的距離定義為束寬，可避免“1/n”方法用于計(jì)算無(wú)規(guī)則光束的困難，能用于計(jì)算  

無(wú)規(guī)則的和光束質(zhì)量極差的光束的束寬。  

4、二階矩定義法  

直角坐標(biāo)系中，在z處x、y方向的束寬wx，wy按二階矩方法定義為：束寬ω(z)隨坐標(biāo)z按雙曲線  

規(guī)律向外擴(kuò)展，z=0時(shí)，ω(0)為最小值，ω0稱為束腰。  

瑞利長(zhǎng)度：  

高斯光束的波陣面在束腰位置處為平面波，波陣面是由此開(kāi)始傳播的。波陣面從束腰位置向前傳播，逐漸變成曲面，直到等相面曲率半  

徑達(dá)到最小，此后變平。從束腰到達(dá)最小曲率半徑位置兩者之間的距離就稱為瑞利范圍，其大小由Z0來(lái)表示稱為瑞利尺寸。在Z0≤Z  

范圍內(nèi)高斯光束可以近似認(rèn)為是平行光束，光束的瑞利長(zhǎng)度越大則準(zhǔn)直性越好。  

發(fā)散角：  

一般用發(fā)散角描述激光的發(fā)散度，有多種方式去測(cè)量激光束的發(fā)散度，我們?cè)谶@里描述兩種激光束發(fā)散度的測(cè)量方法。  

方法1：  

使用一個(gè)已知焦距的透鏡測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)激光束發(fā)散度，顯然完全發(fā)散θ=D/f，D是焦點(diǎn)位置的束腰半徑，f是焦距。  

通過(guò)將CinCam分析儀放置在焦距處，并且直接在軟件RayCi上輸入焦距，就很容易實(shí)現(xiàn)光束發(fā)散度的測(cè)量。  

方法2：  

通過(guò)直接計(jì)算光束路徑中的幾個(gè)位置的光束尺寸進(jìn)行測(cè)量，發(fā)散度由公式θ=2arctan[（D1-D2）/2L]算出，D1、D2是不同位置的光斑  

直徑，L是兩個(gè)被測(cè)光斑之間的距離。