解決困難的軍事光束對準任務
解決困難的軍事光束對準任務
案例研究：解決困難的軍事光束對準任務
Dick Rieley，美國東海岸區域銷售經理，Ophir Photonics Group
美國軍方常常成為新興技術的試驗場。隨著雷射技術的進步，今天越來越多的軍事系統涉及雷射技術。例如，核動力潛艇的潛望鏡中使用了一種雷射。可以想像，這個雷射提供的數據直接依賴於雷射的質量及其在系統中的對準情況。那麼，該系統雷射的準確性如何得到保證呢？
在一艘6800噸的潛艇上提供能確保精確俯仰角（Pitch）、偏航角（Yaw）和滾轉角（Roll）數據的儀器是至關重要的。在僅限於GPS數據以及重力影響的輸入條件下，雷射系統必須達到這一精確性水準。由於這些信息的關鍵性，雷射光束的質量、大小、形狀和強度至關重要。
選擇測量方法
從這些雷射測量中收集的數據必須是業界能夠提供的最準確數據。為了提供這些數據，Ophir-Spiricon BeamGage® 光束診斷軟體和Spiricon SP300 高解析度 USB3 CCD 相機被用於此任務。該相機具有7.1 x 5.3毫米的高解析陣列，像素間距為3.69 x 3.69微米，並擁有1928 x 1448像素的活躍區域。
這次光束測量應用的挑戰在於辨識和定位直徑小於30毫米的大面積雷射對準光束的中心。由於光束的大小以及距目標平面超過30米的距離，此應用並不適合準確定位光束的位置和對準。多次嘗試使用紅外線感測器和材料進行對準均未能達到準確定位光束的要求。最終的解決方案是使用 Spiricon SP300 大型 USB CCD 相機，搭配 BeamGage Professional 軟體運行。
有三項關鍵測量被採用了，分別為：
1）使用1/e² 測量值對光源光束進行基線測量；
2）計算光束的橢圓率（圓度）；
3）計算雷射光源的高斯適合度（Goodness of Fit）值。
首先使用 SP300 相機在光源1米處進行光束分析，未使用任何光學元件、分光器或其他光學干擾，僅使用ND2減光片以避免相機飽和，因為飽和可能會損壞陣列並導致無意義的測量值。
對原始光束進行關鍵測量
首次光束分析對雷射光源的原始光束進行，以建立光束大小和形狀的基線，以及光束的方向（圓形或橢圓形）。如果光束為橢圓形，還需確定其長軸和短軸的方向。由於雷射光源質量的重要性，光束的橢圓率需達到92%以上（完美的圓形光束橢圓率為100%）。大多數高品質雷射光源的橢圓率達到90%以上。在大多數高可靠性應用中，橢圓率在絕對圓形光束的10%以內即可滿足規範。
光束大小是使用1/e²（峰值的13.5%）技術測量的，並根據光源製造商的規範通過BeamGage測量進行驗證，測量是在光源短距離處進行的。光束的整體形狀及其內部強度分佈則是另一個需要診斷的問題。
在光束大小經過驗證並符合規範後，下一步分析是測量光束的橢圓率（或圓度）。BeamGage Professional 軟體提供了這種條件的定量測量和圖形驗證。啟動橢圓率測量功能後，可得出主軸和副軸的比例。測得的橢圓率為97%。圖1顯示了主軸（由左下至右上）和副軸（由右下至左上）的交叉線。光束直徑測量在啟用橢圓率測量後的實際差異僅為197微米。
此外，獲取高斯適合度（Goodness of Fit）的定量值以及雷射光源實際測量值的圖形表示也是目的之一。在此案例中，適合性值計算為0.90，大多數應用會接受此值。然而，對於此類高可靠性應用，0.90可能不夠——但尚未確定。此測量的重要結果在於，它使工程師能基於定量結果而非圖像解讀或主觀意見進行光束調整。
在遠距離進行關鍵測量
雷射光源分析的最後程序是在光束剖面系統距光源更遠的距離處重複這些測量。此舉的目的是確定這些測量值的變化情況、變化幅度，以及是否在容許範圍內。
最初在距光源更遠的兩個位置分別進行測量，目的是了解光束直徑、橢圓率值和高斯適合度值的變化情況。
在中間位置，光束大小增加了5%，表示光束有一定的發散。同時，橢圓率下降了16%，而高斯適合度幾乎沒有變化。
學到的內容
對於此應用和參與雷射光源測試的技術團隊來說，這些測量的關鍵在於不僅能夠看到不同距離的光束剖面圖形差異，更重要的是捕獲定量差異。這些數值讓工程師可以對光源進行調整和改進，並量化其對整體專案的影響。只有透過光束剖面軟體，工程師才能獲得這些關鍵測量值和圖像，並據此識別雷射光源及其最終組裝中的變數，確保這個複雜系統能滿足嚴格應用的規範要求。
