基于LabVIEW的激光晶体消光比测试系统设计

己口Ｉ口年５月　第己９卷第５期　嚣－一　

基于ＬａｂＶＩＥＷ的激光晶体　

消光比测试系统设计　

刘宝元　郭小云　张玉虹　郭荣礼　胡加兴　（１．西安工业大学光电工程学院　西安　７１００３２；２．西光集团技术中心　西安　７１００３２）　

摘要：采用正交平行偏光消光比测量方法，设计一套基于ＬａｂＶＩＥＷ软件开发平台的激光晶体消光比测试系统。系统利用　

计算机串口和多功能数据采集卡实现对被测晶体、检偏器的旋转控制和测试数据的采集、存储及处理。该测试系统灵敏度为　１ⅡＶ，测试精度可达２　，系统消光比优于４５　ｄＢ；被测晶体和检偏器的旋转角度可精确控制，实现测试系统智能化。　

关键词：激光晶体；消光比；ＬａｂＶＩＥＷ；锁相放大器　

中图分类号：ＴＮ２４２　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　

ｌａｓｅｒ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　

Ｌｉｕ　Ｂａｏｙｕａｎ　Ｇｕｏ　Ｘｉａｏｙｕｎ　Ｚｈａｎｇ　Ｙｕｈｏｎｇ　Ｇｕｏ　Ｒｏｎｇｌｉ　Ｈｕ　Ｊｉａｘｉｎｇ　（１．Ｘｉ’ａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００３２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳＩＣＯＮＧ　ＧＲＯＵＰ，Ｘｉ’ａｎ　７１００３２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｂｅａｍ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　

ｌａｓｅｒ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍａｋｅｓ　ｕｓｅ　ｏｆ　ＰＣ　

ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉ—ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｃａｒｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｒｏｔａｒｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｃｒｙｓｔａｌｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ａｎｄ　ｔＯ　

ｒｅａｌｉｚｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｓｔｏｒａｇｅ　ａｎｄ　ｈａｎｄｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ．Ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　１｜￡Ｖ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｐｒｅｃｉ—　

ｓｉｏｎ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　２　，ｔｈｅ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｕｐｅｒｉｏｒ　ｔｏ　４５ｄＢ．Ｒｏｔａｔｉｎｇ　ａｎｇｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｃｒｙｓｔａｌｓ　ａｎｄ　

ａｎａｌｙｚｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ　ｃｒｙｓｔａｌ；ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｌｏｃｋ—ｉｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　

０　９１　言　存储及处理’最后自动显示测量结果。　

所谓虚拟仪器［】］，即是将现有的计算机主流技术与革　

新性的灵活软件和高性能模块化硬件技术结合在一起，建　

立起功能强大、基于计算机的仪器解决方案。ＬａｂＶＩＥｗ　虚拟仪器图形编程语言具有数据采集与处理功能　］，利用　

“软件就是仪器”的技术方法，减少硬件设备，达到用户所　需功能的目的　］。　消光比是表征晶体性能的主要物理参数之一［４］，若光　

学晶体内部残留有应力，或热不均匀引起的应力，会使本　来属于各向同性物质出现双折射，表现出各向异性　］。通　

过测试晶体消光比，可以衡量整个晶体由于残留应力双折　射造成的退偏作用的大小，消光比越大说明晶体的光学质　

量越好，加工精度越高。因此，对消光比测试方法研究是　

必要的。为提高测量精度，实现智能化，采用虚拟仪器　

ＬａｂＶＩＥＷ软件开发平台，通过计算机和多功能数据采集　

卡完成对被测晶体、检偏器的旋转控制和实验数据的采集　ｌ　系统组成　

根据中华人民共和国标准ＧＢ　１１２９７．３—８９消光比测　

试要求，消光比检测系统主要由半导体激光器（　一　６３０　ｎｍ）、扩束平行光管、起偏器、可变光阑、检偏器、聚光　

镜、光电接收器件、锁相放大器、步进电机、多功能采集卡　

和计算机等组成，消光比检测系统如图１所示。　

图１消光比检测系统　

图１中，应用ＬａｂＶＩＥＷ语言编写驱动程序，实现对　

作者简介：刘宝元，助教，硕士，主要研究方向光信息处理与光学测试。　

，　中国科技核心期刊　一４５

—　成模块产　

两路模拟　

使其输出　

供同一频　

晶体和检　偏器的旋转控制。起偏器与检偏器组成正交平行偏光系　

统，对激光晶体进行测试。　

２测试原理　

消光比测试系统原理是信号生成模块输出频率为　

２　ｋＨｚ的模拟信号，经控制信号处理电路将信号放大，为　半导体激光器（ＬＤ）提供频率为２　ｋＨｚ的稳流驱动，ＬＤ输　

出相应频率的调制光；经光束调节结构、起偏器和检偏器　

组成的正交平行偏光系统后，频率为２　ｋＨｚ的线偏振光入　

射至光电探测器，转换成频率为２　ｋＨｚ的调制电信号；该　

信号通过锁相放大器后，可以精确测量噪声、干扰背景中　

的微弱信号。　

２．１系统消光比测试　固定起偏器，调整检偏器，分别使检测系统成正交偏　

光系统和平行偏光系统，测量并记录最小透射光强Ｊ　和　

最大透射光强　；　

将测量值代人式（１）计算系统消光比Ｅ　：　ｒ　Ｅ　一１０ｌｏｇ　（ｒｉＢ）　（１）　Ｊ上　２．２消光比测试　调整测量系统成正交偏光系统，记录无被测晶体时透　

射光强Ｉ　．；将被测晶体放人测试光路中，调整载物台，使　

棒与光束同轴。旋转检偏器，分别使检测系统成正交偏光　

系统和平行偏光系统，测量记录最小透射光强值，．和最　大透射光强值Ｊ，ｌ。同时还可以旋转晶体，测得不同角度　

时的消光比值。　

将测量值代入公式（２）可得被测晶体的消光比值。　

ｒ　．．　Ｅ・Ｒ　一１０ｌｏｇ　二　ｒ（ｒｉＢ）　（２）　』上　上　

３基于虚拟仪器技术的系统设计　

一台虚拟仪器的组成主要包括两部分，硬件部分和软　

件部分。本检测系统采用的外围硬件是利用ＰＣＩ总线技　术实现的多功能数据采集卡ＰＣＩ－６２２１Ｍ。它支持双极性　

的１６路模拟信号输入，分辨率为１６　ｂ，采样率为　

２５０　ｋＳ／ｓ；２路模拟输出通道，分辨率是１６　ｂ，转换速率为　

８３３　ｋＳ／ｓ，双极性输出电压范围是士ｌＯ　Ｖ；２４路数字输入　

输出通道，２个３２　ｂ、８０　ＭＨｚ的定时计数器等多种功能。　

因此，使用该采集卡不仅可以输出测试系统光源的电脉冲　

驱动信号，还可以进行数据采集、信号调理等多种功能，做　到一卡多用。　

３．１软件设计实现的功能　

本检测系统的应用软件，不仅满足数据采集、处理和　

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控制的多项要求，还同时设计了一个简单易懂的用户操作　

界面。通过对软件ＶＩ库中功能组件的调用，应用软件主　要实现以下功能：　

１）针对用户输入信息，进行信号采集与处理；　

２）产生光源调制信号和步进电机控制信号，在指定　

工作状态下稳定工作；　

３）显示数据信息，主要内容是数据处理结果和输出　

信号波形；　

４）提供了应用软件功能的使用帮助信息。　

３．２前面板设计　虚拟仪器的前面板就像是传统仪器的外观　］，是程序　与用户交流的窗口，要求产生一个友好的图形接口界面，　

用于显示、操作各种控件，进行参数设置，并以数字或图形　

等各种形式输出测试结果。用户可以通过控制虚拟仪器　

前面板上的开关和按钮，通过键盘和鼠标，实现对系统的　

控制。　

测试系统应用软件的前面板设计，包括采集参数设定　

界面、结果显示界面、步进电机操作界面以及帮助和停止　

操作按钮，如图２所示。用户根据需要在前面板上可以设　

定采集信号参数，如最大值、最小值、采样率、信号通道等　

参数；放大倍数要与锁相放大器所选档要统一；用户进行　通道设置就是确定输入信号的物理通道，输入信号的最大　

值和最小值，使信号输入计算机。　

图２测试系统前面板设计　

通过布尔显示模块观察输入信号的波形，并可判断信　

号的失真情况，同时读出信号的峰一峰值。用可以通过步　

进电机操作界面中的按钮来控制被测晶体和检偏器的旋　

转角度，并显示其值。　

前面板上还有停止程序按钮，用来终止程序。帮助按　

中国科技核心期刊　己口Ｉ口年５月　一　第己ｇ卷第５期　研究与　

钮可介绍用户如何使用该软件。　３．３程序设计　为了实现控制面板功能的软件程序，采用模块化设　

计，即将高层框图程序中的一部分放人一个图表中，并给　

予一个较小的图表数，从而可以在高层程序中调用，使高　

层程序简洁化。这样，程序容易调试、理解和维护。　

激光晶体消光比测试系统的程序框图与其前面板相　

对应，主要组成模块有包括信号生成模块、参数显示模块、　步进电机控制模块和数据处理模块。在程序框图中，包含　

虚拟仪器的图形化源代码，通过进行ＬａｂＶＩＥＷ编程，以　

控制和操作定义在前面板上的功能。　１）数据处理模块　

在该模块中，采用的外围硬件是利用ＰＣＩ总线技术实　

现的多功能数据采集卡。根据前面板设定的参数，将被测　

信号采集下来，并输入到计算机里进行信号处理　］。数据　

采集处理程序如图３所示。　

圈　Ｅ　１：！！＝　：：　霍　需…］　Ｉ匡耍　回　…～　茎　网　ｉ　Ｉ叵圈ｈ　

匿　…～…一　Ｉ　ｌ　

Ｕ　整噩　ｌ　ｌｌ　竺　…Ｉｆ＝－Ｉ　Ｉ　Ｉ　～　。　ＩＶｏｌｔｓ・　¨竹ｏｆｔ・・　・ｓ　ｐｉｔ　ｃｈ—ｄｌ　ｌ目　一　＋－ｑｒ　ｎｌ，　ｊ　｛　ｌ　

囤堕瑙　匿　…ｊ　ｌ苎　圆　强蓖ｌｒ　

田　ｐ衡　

图３数据采集处理程序模块　

２）信号发生模块　采用ＬａｂＶＩＥｗ开发软件　中的ｓｉｎｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ．ｖｉ，　

如图４所示，这是构成信号源的基本组成部分，根据测试　

要求，设定信号峰值、波形类型、输出刷新率、频率、持续时　

间等参数，输出与之相对应的波形。选择采集卡的模拟通　

道，一路作为光源的调制信号，加在驱动电路上；一路作为　

锁相放大器的调制频率参考信号。　

ｏｆｆｓｔｔ　ｒｅｓｅｔ　ｓｉ　ａ１　ｓｉ　ａｌ　ｔｙｐｅ　￣ｒｅｑｕｅａｃｙ　∞Ｐ１ｉｔ￣ｘｄｅ　ｐｈａｓｅ　￣ＴＦＯＦ　ｉａ　ｏ￣ｒｒｏｒ）　ｓ￣ｐｌｉａｇ　ｉｔｔ￣ｏ　ｓｑ￣ｌＬｒｅ　Ｗ￣ｔＶｔ　ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｅ　）　

图４基本信号发生模块　ｓｉ　ａｌ　ｏｕｔ　ｐｈａｓｅ　ｏａｘｔ　ｅｌ＂ｌ＂Ｏｒ　ＯＵｔ　

３）控制模块　

为了准确控制测试系统的检偏器旋转，将检偏器置于　

精密电控旋转台上，计算机通过ＲＳ２３２串口实现与步进　

电机控制通信　］，通过发送步进电机控制器的相应指令，　

控制精密电控旋转台带动检偏器转动。此装置中采用的　

步进电机控制器为北京光学仪器厂生产的ＳＣ１００型步进　

电机控制器，它具有一个ＲＳ２３２口和三个与电控旋转台　

的接口（Ｘ轴、ｙ轴、Ｚ轴三个方向），本测试系统用两个方　

向的控制即可，选择Ｘ轴、ｙ轴。　消光比测试系统的步进电机控制程序框图与其前面　

板相对应，步进电机控制流程图如图５所示，主要功能是　

用户通过操作步进电机前面板上的按钮，可实现对步进电