學(xué)士學(xué)位論文激光光斑尺寸的測量和研究

1、<p>　　激光光斑尺寸的測量和研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　激光光斑尺寸是標(biāo)志激光器性能的重要參數(shù)，也是激光器在應(yīng)用中的重要參量。</p><p>　　本文主要介紹了兩種測量激光光斑尺寸的方法：刀口掃描法，CCD法。分析了利用刀口法測量高斯光束腰斑大小的測量實(shí)驗(yàn)裝置，并闡述了具體的測量過程。此方

2、法對激光光斑大小測量是可行的。實(shí)驗(yàn)裝置簡單實(shí)用。CCD法是利用CCD作為探測傳感器，可以更精確地測出激光器的光斑尺寸和束腰光斑尺寸，克服了傳統(tǒng)測量的繁雜過程，并用計算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理，測量精度得到提高，為激光器性能研究和光信息處理提供了一種新的方法。本文給出了這兩種方法測得的數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。</p><p>　　結(jié)果表明，刀口掃描法對高能量光束半徑的測量特別實(shí)用，裝置簡單，可在普通實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測量。CCD法檢測的直

3、觀性好，不需要輔助的逐行掃描機(jī)械移動，成像精度和檢測精度高。</p><p>　　關(guān)鍵詞　激光光斑尺寸；Matlab；CCD 傳感器；刀口法</p><p>　　The Measurement and Research of Laser Spot Size </p><p><b>　　Abstract</b></p><p

4、>　　The size of Laser spot is not only one important parameter of laser performance, but also in laser application.</p><p>　　This paper introduces two methods of measuring laser spot diameter: scanning met

5、hod, CCD: knife method. We analyze of measurement is cut the size of the gaussian beam waist measurement device spot, and elaborates on process of the measurement. Using this method of laser spot size measurement is feas

6、ible. The experiment device is simple and practical. CCD method uses the CCD sensor as a detection can be more accurate to measure the size of the laser spot and waist size spot, overcoming traditiona</p><p>

7、;　　The results show that the method of blade scanning is practical for high-energy beams radius’s measurement. Simple device can be operated in ordinary laboratory. CCD detection method is visually good, and do not need

8、to manufacture progress ive-scan auxiliary of the machine movement, the imaging accuracy and precision is the higher</p><p>　　Keywords　Laser spot size; Matlab; CCD sensor; knife-edge method.</p><p

9、>　　不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　

10、　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 論文研究的內(nèi)容4</p><p>　　第2章 激光光斑測量方法探究5</p><p>　　2.1 刀口掃描法測激光光斑直徑研究5</p><p>　　2.2 CCD測激光光斑直徑方法9</p>&l

11、t;p>　　2.3 本章小結(jié)17</p><p>　　第3章 激光光斑尺寸的測量與數(shù)據(jù)分析18</p><p>　　3.1 刀口法測光斑直徑18</p><p>　　3.1.1 90/10刀口法理論及方法18</p><p>　　3.1.2 計算理論20</p><p>　　3.1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理2

12、0</p><p>　　3.1.4 實(shí)驗(yàn)分析22</p><p>　　3.2 CCD法測激光光斑方法22</p><p>　　3.2.1 用CCD拍攝光斑圖像22</p><p>　　3.2.2 Matlab的圖片處理23</p><p>　　3.2.3 圖像處理結(jié)果23</p><p&g

13、t;　　3.2.4 實(shí)驗(yàn)分析26</p><p>　　3.3 本章小結(jié)27</p><p><b>　　結(jié)論28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p>　　附錄A

14、 英文原文31</p><p>　　附錄B 中文譯文35</p><p>　　附錄C Matlab程序39</p><p>　　千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b>

15、;</p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　激光技術(shù)對國民經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展有著重要作用，激光技術(shù)是二十世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體及計算機(jī)齊名的四項(xiàng)重大發(fā)明之一。三十多年來，以激光器為基礎(chǔ)的激光技術(shù)在我國得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、通訊、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、文化教育以及科學(xué)研究等各個領(lǐng)域，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對國民經(jīng)濟(jì)及社

16、會發(fā)展將發(fā)揮愈來愈重要的作用。 </p><p>　　由于激光具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度，它已滲透到各個學(xué)科領(lǐng)域，形成了新的學(xué)科。例如：激光信息存儲與處理、激光材料加工、激光醫(yī)學(xué)及生物學(xué)、激光通訊、激光印刷、激光光譜學(xué)、激光化學(xué)、激光分離同位素、激光核聚變、激光檢測與計量及軍用激光技術(shù)等，極大地促進(jìn)了這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和前所未有的發(fā)展。在國民經(jīng)濟(jì)中形成新的產(chǎn)業(yè)部門。</p><

17、;p>　　激光產(chǎn)業(yè)正在我國逐步形成，其中包括激光音像、激光通訊、激光加工、激光醫(yī)療、激光檢測、激光印刷設(shè)備及激光全息等，這些產(chǎn)業(yè)正在作為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)而引起高度重視。</p><p>　　對傳統(tǒng)工業(yè)的改造將發(fā)揮愈來愈顯著的作用，激光加工作為先進(jìn)制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造等國民經(jīng)濟(jì)重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。<

18、/p><p>　　促進(jìn)醫(yī)療技術(shù)進(jìn)步，提高人民健康水平，激光醫(yī)療技術(shù)目前已在眼科、外科、內(nèi)科、婦科、耳鼻喉科、心血管科、皮膚科等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，激光醫(yī)療設(shè)備已進(jìn)入縣以上的醫(yī)院，這對醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步和提高人民健康水平起著重要作用。</p><p>　　加速我國國防技術(shù)的現(xiàn)代化，激光技術(shù)在軍事上已應(yīng)用于測距、指向、制導(dǎo)、通訊及戰(zhàn)術(shù)武器等，為改善武器裝備的性能，提高命中率和可靠性，起到重要的作用，并有

19、一定數(shù)量的產(chǎn)品出口。</p><p>　　激光光斑尺寸是標(biāo)志激光器性能的重要參數(shù)，也是激光器在應(yīng)用中的重要參量。在工業(yè)上的金屬精加工，在醫(yī)療上的激光縫合技術(shù)，在軍事上的激光定位等等，這些激光的應(yīng)用都要依靠調(diào)節(jié)激光光斑尺寸和能量參數(shù)。因此，對激光尺寸的精確測定是有意義的。</p><p><b>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　激

20、光以全新的姿態(tài)問世已二十余年。然而，發(fā)明激光器的歷程卻鮮為人知，至于發(fā)明者如何從事艱難曲折的探索，就更少人問津了。其實(shí)，每一項(xiàng)重大發(fā)明，都是科學(xué)家們智慧的結(jié)晶，里面包涵著他們的汗水和心血。自然，激光器的發(fā)明也不例外。</p><p>　　說得準(zhǔn)確些，對激光的研究，只是到了20世紀(jì)50年代末才出現(xiàn)一個嶄新階段[1]。在此之前，人們只對無線電波和微波有較深研究?？茖W(xué)家們把無線電波波長縮短到十米以內(nèi)，使得世界性的通訊成

21、為可能，那是30年代的事情。后來，隨著速調(diào)管和空穴磁控管的發(fā)明，科學(xué)家便對厘米波的性質(zhì)進(jìn)行研究。二次世界大戰(zhàn)中，由于射頻和光譜學(xué)的發(fā)展，輻射波和原子只間的聯(lián)系又重新被強(qiáng)調(diào)。大戰(zhàn)期間，科學(xué)家們發(fā)明并研制了雷達(dá)（戰(zhàn)爭對雷達(dá)的制造起了推動的作用）。從技術(shù)本身來說，雷達(dá)是電磁波向超短波、微波發(fā)展的產(chǎn)物。大戰(zhàn)以后，科學(xué)家又開創(chuàng)了微波波譜學(xué)，目的是探索光譜的微波范圍并把其推廣到更短的波長。當(dāng)時，哥侖比亞大學(xué)有一個由湯斯領(lǐng)導(dǎo)的輻射實(shí)驗(yàn)小組，他們一直從

22、事電磁方面以及毫米輻射波的研究。1951年，湯斯提出了微波激射器的概念。經(jīng)過幾年的努力，1954年湯斯和他的助手高頓、蔡格發(fā)明了氨分子束微波激射器并使其正常運(yùn)行。這為以后激光器的誕生奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)時，湯斯希望微波激射器能產(chǎn)生波長為半毫米的微波，遺撼的是，激射器卻輸出波長為1.25cm的微波。微波激射器問世以后，科學(xué)家就希望能制造輸出更短波長的激射器。湯斯認(rèn)為可將微波推到紅外區(qū)附近</p><p>　　現(xiàn)在，人們都

23、知道，產(chǎn)生激光要具備兩個重要條件：一是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二是諧振腔。值得注意的是，自1916年愛因斯坦提出受激輻射的概念以后，1940年前后就有人在研究氣體放電實(shí)驗(yàn)中，觀察到粒子反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。按當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)，就具備建立某種類型的激光器的條件。但為什么沒能造出來呢?因?yàn)闆]有人，包括愛因斯坦本人沒把受激輻射，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，諧振腔聯(lián)系在一起加以考慮。因而也把激光器的發(fā)明推遲了若干年。在研究激光器的過程中，應(yīng)把引進(jìn)諧振腔的功勞歸于肖洛。肖洛長期從事光

24、譜學(xué)研究。諧振腔的結(jié)構(gòu)，就是從法——珀干涉儀那里得到啟示的。正如肖洛自己所說：“我開始考慮光諧振器時，從兩面彼此相向鏡面的法——珀干涉儀結(jié)構(gòu)著手研究，是很自然的。”實(shí)際上，干涉儀就是一種諧振器。肖洛在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的七年中，積累了大量數(shù)據(jù)，于1958年提出了有關(guān)激光的設(shè)想。幾乎同時，許多實(shí)驗(yàn)室開始研究激光器的可能材料和方法，用固體作為工作物質(zhì)的激光器的研究工作始于1958年。如肖洛所述：“我完全徹底地受到灌輸，使我相信，可以在氣體中做的

25、任何事情，在固體中同樣可以做，且在固體中做得更好些。因此，我開始探索、尋找固體激光器的材料?！钡拇_，不到一年</p><p>　　激光具有單色性，相干性等一系列極好的特性。從誕生那天開始，人們就預(yù)言了它的美好前景。20多年來，人們制造了輸出各種不同波長的激光器，甚至是可調(diào)激光器。大功率激光器的研制成功，又開拓了新的領(lǐng)域。1977年出現(xiàn)的自由電子激光器，機(jī)制則完全不同，它的工作物質(zhì)是具有極高能量的自由電子，人們可以

26、期望通過這種激光器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)大功率輸出，而且覆蓋頻率范圍可向長短兩個方向發(fā)展。</p><p>　　高斯光束光斑半徑的精確測量對光束質(zhì)量因子的判定及激光系統(tǒng)設(shè)計有非常重要的意義[4]。高斯光束光斑半徑的測量方法主要有套孔法、刀口法、CCD法、照相法、狹縫法、閾值時間法等。</p><p>　　照相法：照相干板經(jīng)激光照射曝光，再經(jīng)顯影、定影后利用測微光度計讀出黑度值下降到極大值（或）處的對應(yīng)

27、尺寸即為激光光斑尺寸。該方法的缺點(diǎn)是：1. 不易把握曝光時間從而容易造成曝光過度或不足，而影響準(zhǔn)確度；2. 數(shù)據(jù)處理麻煩。</p><p>　　閾值時間法：激光照射制片、木板、塑料板等材料后，在這些材料上得到燒蝕圖形。適當(dāng)?shù)目刂普丈鋾r間，測出燒蝕后的孔徑大小來確定激光光斑。此法也稱打靶法，該方法除了有與照相法類似的缺點(diǎn)外，還要求燒蝕的靶材均勻，各處的閾值能量相同，材料閾值能量恰當(dāng)，否則可能由于能量積累燒壞靶材或閾

28、值能量較高而影響測量的準(zhǔn)確度。它是一種比較粗略的估計方法。</p><p>　　掃描法：在激光截面上，利用小孔、狹縫或刀口掃描光斑，使激光光斑（或探測器）沿垂直于光束的方向移動，其移動速度恒定[8]。將探測器輸出信號顯示在指示器上，得到光功率隨位移變化的分布曲線，從而找到激光光斑半徑。這種方法的特點(diǎn)是不用考慮曝光時間，可用于連續(xù)激光基模光束光斑尺寸測定，測量方便、直觀。但也存在明顯的局限性：1. 不能同時確定最小

29、光斑位置及其尺寸；2. 測量精度受探測器響應(yīng)率及響應(yīng)時間的影響；3. 調(diào)整過程難度大。</p><p>　　CCD法：用用線陣式CCD器件作為光探測器，拍攝光斑圖像，經(jīng)過預(yù)處理，導(dǎo)入Matlab軟件，得出能量分布圖進(jìn)而求出光斑直徑。該方法操作簡單，精度高。但對激光的能量有一定的限制。</p><p><b>　　論文研究的內(nèi)容</b></p><p

30、>　　本文共分3章，內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　第1章介紹論文的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及主要研究內(nèi)容。</p><p>　　第2章分別介紹了刀口掃描法和CCD法測激光光斑尺寸的理論基礎(chǔ)以及方法探究。</p><p>　　第3章設(shè)計實(shí)驗(yàn)，給出刀口掃描法和CCD法的實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　激光光斑測量方法探究&

31、lt;/p><p>　　刀口掃描法測激光光斑直徑研究</p><p>　　在激光技術(shù)及應(yīng)用中，激光光斑尺寸是一個重要的參數(shù)，它的精度直接影響激光光束質(zhì)量因子的判定。在激光器的設(shè)計中它的大小還會影響對晶體熱效應(yīng)的估算。激光光束直徑的測量一般有套孔法、刀口法、 CCD法等。對于套孔法，在實(shí)驗(yàn)上很難做到孔與光束同心，因而精度難以保證。而CCD 法雖然精度高，但僅對低功率的光束測量適用。而刀口法對高能

32、量光束半徑的測量特別實(shí)用。因而，刀口法是一種測量高斯光束光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法。本節(jié)主要對用刀口法測激光光斑尺寸的方法進(jìn)行理論分析及探究。</p><p>　　刀片通常被固定在光學(xué)平移臺上，可沿與光束傳播垂直方向切割光束[6]。圖2-1為刀口法測量高斯光束光斑半徑裝置示意圖。圖2-2為刀口垂直切割光束示意圖，當(dāng)?shù)犊谙鄬τ诠獍咧行淖鴺?biāo)為時，刀片遮擋部分激光，透過刀口邊緣激光功率占總功率百分比為（設(shè)> 5

33、0%），當(dāng)?shù)犊谝苿拥脚c位置對稱的位置時，透過刀口邊緣激光功率百分比為；目前采用的90%/10%刀口測量方法為：取，測量透過刀口邊緣光功率占總功率百分比分別為90%和10%時的刀口位置坐標(biāo)，確定刀口邊緣與光斑中心距離的值；根據(jù)理論分析，此時光斑半徑ω與的比值為1.56，所以將乘以1.56即為刀口處基模高斯光束光斑半徑。目前的相關(guān)文獻(xiàn)報道都是針對該方法。但由于在垂直于高斯光束傳播方向的橫截面上，光強(qiáng)沿半徑方向上具有確定的相對分布，當(dāng)選取功率

34、透過率為50%～100%區(qū)間任意值時，光斑半徑與刀口光斑中心距的比值都為與值對應(yīng)的確定值。因此，當(dāng)選取 為任意值時，都可根據(jù)透過率為所對應(yīng)的兩刀口位置坐標(biāo)，測量光斑半徑。本文對為不同值時，光斑半徑的測量及測量誤差進(jìn)行了理論分析，根據(jù)理論分析結(jié)果，采用不同的值，測量了激光光斑半徑。</p><p>　　圖2-1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖</p><p>　　圖2-2 刀口切割光束示意圖</p&g

35、t;<p><b>　　理論分析：</b></p><p>　　1．不同對應(yīng)ω與的比值在與基模高斯光束傳播方向垂直的橫截面上，光強(qiáng)分布表達(dá)式為：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中，ω為待測基模高斯光束光斑半徑；為光斑中心光強(qiáng)；為激光總功率，可表示為：</p>

36、<p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　由于通常情況下，光斑尺寸遠(yuǎn)小于刀口沿Y軸方向?qū)挾?，可認(rèn)為沿Y軸刀口寬度為無窮大，則在圖2-2中，刀口位于位置時，通過刀口邊緣的激光功率為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　其占總功率的百分比可表示為：</p&

37、gt;<p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　當(dāng)?shù)犊趶囊苿拥轿恢脮r，透過刀口邊緣的光功率百分比為，其表達(dá)式為：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　取 與 為積分變量，設(shè)定為50%～100%區(qū)間某一數(shù)值，根據(jù)式(2-4)或式(2-5)可計算出與相對應(yīng)的，定義

38、A =。實(shí)驗(yàn)測量值（該值與對應(yīng)），將與計算所得A值相乘，就可得刀口坐標(biāo)對應(yīng)的光斑半徑ω數(shù)值。根據(jù)式(2-5)計算所得取不同值時的A值。可看出：A與一一對應(yīng)，當(dāng)選取值較大時，測量點(diǎn)遠(yuǎn)離光斑中心，A值增大。</p><p>　　上述討論中，為刀口—光斑中心距，但由于光斑中心準(zhǔn)確位置無法預(yù)知，的值無法直接測定。為間接測量的值，可固定平移臺底座，分別測量透光率為與對應(yīng)的刀口相對于底座的位置坐標(biāo)與，則刀口—光斑中心距可表示

39、為：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　對應(yīng)的光斑半徑表達(dá)式為：</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　2．刀口法測量基模高斯光束光斑半徑測量精度討論</p><p>　　刀口法測量基模高斯光束光斑半徑的誤差主要

40、來源于以下兩個方面：</p><p>　　(1) 測量刀片位置坐標(biāo)的螺旋測微器產(chǎn)生的誤差。在圖2-2中，刀口位置由光學(xué)平移臺所帶有的螺旋測微器測量，其對刀口位置的單次測量誤差為0.005mm，根據(jù)公式(2-7)，該誤差引起的光斑半徑測量誤差為：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　式中，和分別為測量刀口位置坐標(biāo)與

41、時，螺旋測微器產(chǎn)生的測量誤差。從式(2-8)可看出，當(dāng)選取較小時，測量位置靠近光斑中心 A值較大，誤差的數(shù)值也將增大。</p><p>　　(2) 激光功率計所引起的光斑半徑測量誤差。圖2-1所示裝置中，功率計的測量誤差引起刀口位置坐標(biāo)的測量誤差，進(jìn)而引起光斑半徑的測量誤差。所引起刀口位置測量誤差可以表示為：</p><p><b>　　(2-9)</b></p

42、><p>　　式中：為透過刀口邊緣的激光功率隨刀口位置坐標(biāo)的變化率，ΔP為激光功率計的精度。功率計引起的光斑半徑測量誤差為：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　式中和分別為激光功率計引起刀口位置坐標(biāo)與的測量誤差。根據(jù)式(2-3)和式(2-1)兩式，表達(dá)式為:</p><p><b&g

43、t;　　(2-11)</b></p><p>　　由式(2-10)、式(2-11)兩式可得，功率計測量誤差所引起的光斑半徑測量誤差為：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　由式(2-12)可以看出：激光功率計所引起的光斑半徑測量誤差與功率計精度、激光功率以及所選取的測量點(diǎn)有關(guān)，減小有利于減小，選取的

44、測量點(diǎn)與關(guān)系較為復(fù)雜，將式(2-12)兩邊對A求導(dǎo)可得，當(dāng) =A=2時，具有最小值4.133，根據(jù)式(2-4)、式(2-5)可得，=2測量點(diǎn)對應(yīng)的=84.1%，=15.9%，目前使用的90% /10%刀口測量方法對應(yīng)=4.447，兩者相差并不大。刀口法測量高斯光束光斑半徑的總誤差為上述兩項(xiàng)誤差之和，可以表示為：</p><p><b>　　(2-13)</b></p><

45、p>　　由于選取測量點(diǎn)=A= 2時，上式第二項(xiàng)具有最小值，而上式第一項(xiàng)隨著A值線性增加，因此測量光斑半徑的最佳位置應(yīng)當(dāng)在=A<2區(qū)域。目前采用的90%/10%測量方法對應(yīng)=A=1.561，滿足上述條件，同時在=A=2與=A=1.56這兩點(diǎn)對應(yīng)的相差不大，因此常用的90%/10%測量方法所對應(yīng)的測量點(diǎn)應(yīng)在最佳測量位置附近。</p><p>　　CCD測激光光斑直徑方法</p><p&

46、gt;　　激光光斑尺寸和激光束腰光斑尺寸是標(biāo)志激光器性能的重要參數(shù)，也是激光器在應(yīng)用中的重要參量，用CCD作為探測傳感器，可以更精確地測出激光器的光斑尺寸和束腰光斑尺寸，克服了傳統(tǒng)測量的繁雜過程，并用計算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理，測量精度得到提高到，為激光器性能研究和光信息處理提供了一種新的方法[14]。本節(jié)主要闡述了CCD的工作原理，以及光斑圖像的后期處理方法。</p><p><b>　　1. CCD的簡介

47、</b></p><p>　　電荷傳輸技術(shù)，1970年發(fā)明于美國貝爾實(shí)驗(yàn)室，器件命名為“電荷耦合器件”（Charge-Coupled Devices），簡寫為：“CCD”。</p><p>　　CCD的主要優(yōu)點(diǎn)是：體積小，壽命長，重量輕，功耗小，動態(tài)范圍大 ，靈敏度高，圖象幾何尺寸恒定，位置精度高等等。</p><p>　　CCD是集成化的MOS半導(dǎo)體元

48、件，它是由一組間距很小的MOS電容列陣組成的移位寄存器。在電極上施加一定電壓以后，硅單晶表層產(chǎn)生“耗盡區(qū)”，稱之為“勢阱”，它能儲存信息——少數(shù)載流子。如果電極上的電壓按一定規(guī)律變化，那么“勢阱”也會深淺變化。“勢阱”中的“少數(shù)載流子”（信息）依次向輸出端移動，直到全過程完成為至。</p><p>　　CCD攝像元件，增加了光敏列陣。它同時接收光信號，經(jīng)一定積分時間后轉(zhuǎn)移入相應(yīng)的CCD“勢阱”中，然后由CCD串行

49、移位，逐個讀出信息。由原來是空問分布信號變成了時間分布信號。這種工作方式有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，光接收是積分式的，光信號接收和轉(zhuǎn)移同時進(jìn)行，提高了靈敏度和時間利用率，信號采用并行輸入、串行輸出，減少了引線，提高了信噪比，簡化了結(jié)構(gòu)，使列陣元件達(dá)到了實(shí)用化的程度。</p><p>　　我們使用的是150的元線陣二相n溝CCD攝象器件，具體參數(shù)是：轉(zhuǎn)移效率0.74，光敏元面積，總光敏區(qū)線長4.5mm。</p>

50、<p>　　CCD激光測試裝置由以下二部份組成：</p><p>　　(1) 探頭裝有CCD元件和調(diào)節(jié)入射到CCD上光強(qiáng)的二塊偏振片。</p><p>　　(2) CCD驅(qū)動箱提供CCD元件全部脈沖電平和直流電平，并且具有采樣保持電路和同步輸出。用示波器可以觀察CCD直接輸出信號（視頻信號）和包絡(luò)線即光強(qiáng)曲線（采樣保持信號）。裝置線掃描周期可以在1ms~6.5ms范圍內(nèi)調(diào)正。此

51、裝置探測光最大靈敏度為（積分時間4.5ms）。</p><p>　　CCD工作脈沖時序要求很嚴(yán)格，對電平幅度也有一定要求，所以，驅(qū)動電路安排有一定考慮。電原理方框圖如圖。圖中為驅(qū)動脈沖，復(fù)位脈沖，轉(zhuǎn)移柵，光柵。</p><p>　　我們應(yīng)用CCD元件對連續(xù)的和脈沖的激光光斑的能量分布進(jìn)行了測定。</p><p>　　2. 應(yīng)用CCD元件，也存在一些問題，我們考慮了解

52、決這些問題的方法。</p><p>　　圖2-3 CCD元件驅(qū)動電路示意圖</p><p><b>　　(1) 場區(qū)效應(yīng)</b></p><p>　　場區(qū)效應(yīng)是光照射在CCD非光敏區(qū)的光敏效應(yīng)。在元件的窗口玻璃上按裝刀口光欄，限制光入射到非光敏區(qū)，可以大大減弱場區(qū)效應(yīng)的影響。</p><p>　　(2) CCD的不均勻性

53、</p><p>　　CCD元件是中、大規(guī)模半導(dǎo)體集成元件，單元和單元之間總有差異，以及暗電流和其他因素影響，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)移效率、光量子效率不一致。并且，CCD光敏部份由二氧化硅、多晶硅、二氧化硅、硅交替多層結(jié)構(gòu)組成，相干性很強(qiáng)的激光經(jīng)多層結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生千涉。膜層不均勻，多晶硅顆粒較粗引起了干涉光強(qiáng)的強(qiáng)弱。因此，光斑曲線出現(xiàn)斷續(xù)點(diǎn)。為了消除這些因素影響，可以采取逐點(diǎn)或分段補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ淖冊肷涿媾c入射光夾角的方法，使測

54、試工作獲得較好的效果。用光敏二極列陣電荷耪合器件CCPD可以避免干涉效應(yīng)的影響。</p><p><b>　　(3) 轉(zhuǎn)移效率</b></p><p>　　轉(zhuǎn)移效率是表征CCD質(zhì)量最重要的參數(shù)之一。由于轉(zhuǎn)移效率的影響，光強(qiáng)曲線會出現(xiàn)積分式延時。轉(zhuǎn)移效率可以用一個線性模型近似。通過線性模型可以計算出標(biāo)準(zhǔn)曲線函數(shù)經(jīng)線性模型后的具體數(shù)據(jù)，以便和實(shí)測數(shù)據(jù)對照，也可以用實(shí)測數(shù)值

55、推算原始數(shù)值,提高測試精度。</p><p>　　以上是我們所做的一些初步工作。CCD元件除150元以外，還有1024，2048多種位數(shù)及面陣器件；如果采用了高分辨位數(shù)、均勻性好的CCD，驅(qū)動電路小型化、單片化，并對CCD進(jìn)行一些光照靈敏度標(biāo)定，那么，用CCD測量光斑的能量分布是較為理想的方案。</p><p><b>　　3. 測量原理</b></p>

56、<p>　　CCD是電荷耦合型的一種新型半導(dǎo)體光電傳感器件， 可用于傳真、 遙感、圖象識別和光信息處理等。本實(shí)驗(yàn)采用的是1024單元的線陣式CCD器件。圖2-4為測量實(shí)驗(yàn)原理圖，在測量前首先對CCD 器件每個光敏單元進(jìn)行光探測缺陷補(bǔ)償和歸一化處理，并輸入計算機(jī)內(nèi)減小測量誤差。由激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分束器分為互相垂直的兩束光，分別照射到x方向和y方向上等光程的CCD探測器件上時，由CCD輸出的一列幅度受光信號調(diào)制的脈沖信號，經(jīng)

57、視頻放大和計算機(jī)控制的自動采集系統(tǒng)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸送到計算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由打印機(jī)打印測試結(jié)果。</p><p>　　圖2-4 實(shí)驗(yàn)原理示意圖</p><p>　　4. 激光束能量分布及光斑尺寸的測量</p><p>　　圖2-5為單橫模激光束圓對稱的激光光斑和能量分布曲線。</p><p>　　圖2-5 單橫模激光能量分布</p

58、><p><b>　　其光強(qiáng)分布為：</b></p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　式中：為光斑中心極大值處的光強(qiáng)，I為距離中r處的光強(qiáng)，為光斑尺寸，是高斯函數(shù)，當(dāng)激光束經(jīng)過分束器分為兩束光，分別照到x方向和y方向設(shè)置的CCD 器件上時，則傳感器接收到的沿x 軸和y 軸的光強(qiáng)分別為：</p

59、><p><b>　　(2-15)</b></p><p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　式(2-15)，(2-16)中：和分別為分束后的x方向和y方向光斑中心的光強(qiáng)，和為光斑中心到x軸和y軸的垂直距離，和分別為x軸原點(diǎn)和y 軸原點(diǎn)到光斑中心的垂直距離，和分別為沿x軸和y軸放置的CCD起始光敏位置，將方

60、程(2-15)和(2-16)式分別兩邊同除以和就可以得到相對光強(qiáng)的分布：</p><p><b>　　(2-17)</b></p><p><b>　　(2-18)</b></p><p>　　將沿x 軸和y 軸上的CCD電荷耦合器件接收到的光強(qiáng)信號通過視頻放大和A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)方程式(2-17)、(2-18)計算機(jī)進(jìn)行數(shù)

61、據(jù)處理和曲線擬合，便可以得到x方向和y方向激光束橫向相對光強(qiáng)分布曲線。</p><p>　　由方程(2-14)可知光斑尺寸是激光光強(qiáng)時的r值。對于相對光強(qiáng)則有時r的值，因此由相對光強(qiáng)分布擬合曲線中，計算機(jī)可以計算出光斑尺寸值。</p><p>　　5. CCD對激光光斑的拍攝及光斑圖像的處理</p><p><b>　　(1) 圖像的獲取</b>

62、;</p><p>　　圖像的獲取是為了得到激光光斑的原始圖像，該部分主要是由激光，衰減系統(tǒng)，導(dǎo)軌和CCD攝像頭，圖像卡和計算機(jī)組成，實(shí)驗(yàn)中衰減器的主要作用是將出射激光的光強(qiáng)衰減到自然光的光強(qiáng)，為的是不損壞CCD的感光部分，將CCD在與激光光束平行的導(dǎo)軌上移動，感光面與激光光軸垂直，CCD可以在不同的界面上采集到激光光斑的原始圖像。同理在經(jīng)過激光的空間整形后我們用同樣的方法我們可以得到整形后的光斑圖像。</

63、p><p>　　(2) 圖像的預(yù)處理</p><p>　　由于在實(shí)驗(yàn)中衰減系統(tǒng)，CCD攝像頭等方面的影響，我們拍攝的圖像中難免存在各種噪聲，主要有CCD攝像頭的高頻噪聲，衰減系統(tǒng)的非均勻性的影響等，為了改善圖像的質(zhì)量，更能準(zhǔn)確的反應(yīng)出光斑不同區(qū)域的灰度值的大小，我們需要對拍攝的光斑進(jìn)行預(yù)處理，主要對原始圖像采用領(lǐng)域平均法來去除衰減系統(tǒng)和CCD帶來的高頻噪聲，此時，可以濾掉絕大部分噪聲，圖像比較

64、平滑。</p><p>　　(3) 光斑圖像去噪</p><p>　　CCD采集圖像過程中，引入的主要有加性噪聲和量化噪聲。前者與圖像信號強(qiáng)度是不相關(guān)的，是在傳輸過程中引進(jìn)的電視攝像機(jī)掃描圖像的噪聲等，后者是數(shù)字圖像的主要噪聲源，其大小顯示出數(shù)字圖像和原始圖像的差異。此外，CCD器件中的光敏器件、A/D轉(zhuǎn)換器等，也會使圖像上含有各種的噪聲和失真。因此，對于CCD采集的激光光斑圖像首先必須去

65、除噪音。使用敏通公司的MTV1881EX型號CCD采集的原始光斑圖像，噪聲對光斑圖像影響較大。利用 MATLAB 中的圖像工具箱可以方便地進(jìn)行數(shù)字圖像處理。由于中值濾波能有效濾除脈沖干擾及圖像掃描噪聲，首先對光斑圖像進(jìn)行二維中值濾波，濾波窗口選擇為3×4。然后使用自適應(yīng)濾波消除白噪聲。用這種方法去除噪音的效果比較明顯。</p><p>　　(4) 光強(qiáng)分布曲線的平滑</p><p&g

66、t;　　經(jīng)過噪音濾除后，光強(qiáng)分布曲線還不夠平滑，需要進(jìn)一步處理。由于光強(qiáng)分布非常接近高斯型，直接使用Origin軟件的高斯擬合功能來進(jìn)行平滑。使用高斯平滑后，Origin軟件還會給出光斑直徑（按光強(qiáng)最大值的大?。┖蛿M合誤差等參數(shù)，極大地方便分析高斯型的光強(qiáng)分布情況。但是對于非高斯分布的情況，高斯平滑就不適用了，此時使用 Origin 軟件的FFT平滑來進(jìn)行處理。FFT平滑是普遍適用的方法，無論對于高斯分布還是非高斯分布。可以看出：對于高

67、斯分布，使用高斯平滑和FFT平滑的處理結(jié)果基本一致，但是FFT平滑能夠保留更多的細(xì)節(jié)，如果對非高斯分布，使用高斯平滑將失去重要的光強(qiáng)分布信息。因此，F(xiàn)FT平滑是一種較好地獲得真實(shí)光強(qiáng)分布的平滑方法。獲得了較為平滑的光強(qiáng)分布曲線后，就可以使用各種處理方法進(jìn)一步分析，以獲得激光光斑的相關(guān)參數(shù)。</p><p>　　盡管現(xiàn)在已經(jīng)能獲得各種波長的激光，但由于激光的高單色性，實(shí)際使用中，用于判讀的一般是激光光斑的灰度圖像。

68、但是人眼對不同灰度級的分辨能力非常有限，一般只能分辨十六個灰度級，難以充分利用激光光斑灰度圖像中所包含的有關(guān)光斑能量分布的豐富信息。多模運(yùn)轉(zhuǎn)的Nd: YAG固體激光器和單模運(yùn)轉(zhuǎn)的He-Ne氣體激光器光斑的256級灰度圖像，相對于人眼而言，其中的光斑能量分布信息表現(xiàn)并不顯著。然而，人的眼睛雖然只能分辨少量不同的灰度級，但人的視覺對色彩卻相當(dāng)敏感，能區(qū)分有不同亮度、色度和飽和度的成千上萬種顏色。根據(jù)這個特點(diǎn)，我們可借助彩色化處理以得到對人眼

69、來說增強(qiáng)了的視覺效果，提高光斑灰度圖像的可鑒別性。一種常用的彩色增強(qiáng)方法是對原來灰度圖像中不同的灰度值區(qū)域賦予不同的顏色以更明顯地區(qū)分他們。由于原圖并沒有顏色，所以人工賦予的顏色常稱為偽彩色。如果對一幅灰度圖像根據(jù)其灰度等級的不同變換成不同的色彩，就能大大提高人眼的分辨力。灰度分割越多，色彩越多，人眼所能提取的信息也就越多，從而達(dá)到了圖像增強(qiáng)的效果。通過偽彩色變換和灰度插值運(yùn)算，我們實(shí)現(xiàn)了光斑能量分布的2D 和3D 偽彩色可視化，直觀清

70、晰地表現(xiàn)出光斑能</p><p>　　(5) 偽彩色變換原理</p><p>　　偽彩色變換就是把圖像的各個灰度值按一定的線性或非線性函數(shù)關(guān)系映射成相應(yīng)的顏色，不同的灰度級對應(yīng)不同的色彩[12]?；叶葓D像偽彩色處理的目的是為了得到對具體應(yīng)用來說視覺效果更好、更有利于人眼辨識的圖像。偽彩色變換不改變像素的幾何位置，而僅僅改變其顏色，是一種很實(shí)用的圖像增強(qiáng)技術(shù)。由于具體的應(yīng)用和要求的不同，所需

71、要的具體偽彩色變換方式也可以大不相同?？梢杂卸喾N方式實(shí)現(xiàn)從灰度到彩色的變換。最簡單的就是把灰度圖像的灰度級別從0到255分成256個區(qū)間，給每個區(qū)間指定一種色彩。此方法比較簡單直觀，缺點(diǎn)是變換出的色彩有限，表現(xiàn)力不強(qiáng)。</p><p>　　(6) 灰度級-彩色變換技術(shù)</p><p>　　偽彩色變換的實(shí)現(xiàn)方法有多種，如密度分割法、灰度級-彩色變換法、濾波法等。其中，密度分割法是一種不連續(xù)的

72、偽彩色處理方法，灰度級-彩色變換法則是一種連續(xù)的偽彩色處理技術(shù)，這兩者都是空間域的偽彩色處理，而濾波法則是頻率域的偽彩色處理技術(shù)?；叶燃?彩色變換法更為通用，它能得到比密度分割法范圍更寬的偽彩色增強(qiáng)結(jié)果。根據(jù)色度學(xué)原理，任何一種顏色都可以由紅、綠、藍(lán)三基色按不同的比例來合成。因此，偽彩色處理首先要設(shè)定紅、綠、藍(lán)三個變換函數(shù)，對應(yīng)每一個像素都有相應(yīng)的紅、綠、藍(lán)輸出，之后三者又合成一個顏色。其基本方法是在任何一個像素的灰度級上進(jìn)行3 個獨(dú)立

73、的變換，作為各自的三基色強(qiáng)度，用配色方程表示如下：</p><p><b>　　(2-19)</b></p><p><b>　　(2-20)</b></p><p><b>　　(2-21)</b></p><p>　　式中 f(x, y)為像素在坐標(biāo)(x, y)處的灰度值，

74、，，為三基色變換函數(shù)，，，為變換后的三基色強(qiáng)度。把三基色強(qiáng)度信號單獨(dú)送到R，G，B三基色通道進(jìn)行處理，然后合成，這樣就產(chǎn)生一幅受變換函數(shù)所調(diào)制的彩色合成圖像，f(x, y)變換后的色彩表示為：</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　灰度級-彩色變換方法使用的是光滑的非線性變換函數(shù)，所以更加靈活。實(shí)際中，變換函數(shù)常用取絕對值的正弦函數(shù)，其

75、特點(diǎn)是在峰值處比較平緩而在低谷處比較尖銳。通過變換每個正弦波的相位和頻率就可以改變相應(yīng)灰度值所對應(yīng)的顏色。例如，當(dāng)三個變換具有相同的相位和頻率時，輸出的圖仍是灰度圖，當(dāng)三個變換間的相位發(fā)生一點(diǎn)微小變化時，其灰度值對應(yīng)正弦函數(shù)峰值處的像素受到的影響較小，但其灰度值對應(yīng)正弦函數(shù)低谷處的像素受到的影響則較大，特別是在三個正弦函數(shù)都為低谷處，相位變化導(dǎo)致幅度變化更大。換句話說，在三個正弦函數(shù)的數(shù)值變化比較劇烈處，像素變換后的色彩受灰度變化的影響

76、比較明顯。這樣，不同灰度值范圍的像素就得到了不同的偽彩色增強(qiáng)效果。</p><p>　　(7) 光斑二維偽彩色圖</p><p>　　根據(jù)光斑圖像的實(shí)際物理意義，我們采用金屬熱編碼變換函數(shù)。它可以把整個灰度范圍變換成連續(xù)的、均勻的彩色顯示。最暗的藍(lán)色表示背景，由逐漸變亮的藍(lán)色到紅色直至黑色依次代表能量的增強(qiáng)。顯然，相對于灰度圖像而言，光斑偽彩色圖層次分明，光斑的邊緣形狀、能量由弱到強(qiáng)的變化

77、趨勢、多模和單模光斑的能量分布特征都被更加清晰直觀地顯示出來。</p><p>　　(8) 光斑能量分布的偽彩色三維可視化</p><p>　　相對于二維圖像，三維模型可以提供更加全面和生動的信息表示。我們將光斑圖像矩陣元素的灰度值作為z坐標(biāo)，以其行號和列號作為x和y坐標(biāo)，再進(jìn)行偽彩色操作，生成三維圖形。但是用于計算機(jī)處理的光斑圖像都是經(jīng)過采樣、量化、編碼而生成的，在空間和灰度上都是離散化

78、了的數(shù)字圖像，如果將這樣的二維圖像直接轉(zhuǎn)換為三維顯示，其效果并不理想。</p><p>　　空間分布數(shù)據(jù)的插值是三維可視化過程中的一個重要環(huán)節(jié)，其性能將直接影響后面三維表示的質(zhì)量。因此，將離散的空間分布數(shù)據(jù)形成合理的三維模型，首先必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的插值，然后才能進(jìn)行可視化操作。</p><p>　　(9) 灰度插值技術(shù)</p><p>　　在數(shù)字圖像中，其像素值僅在坐標(biāo)

79、值為整數(shù)處有定義，所以在非整數(shù)處的像素值就要用其周圍一些整數(shù)處的像素值來計算，這叫灰度插值?；叶炔逯档姆椒ㄓ卸喾N，最簡單的是最近鄰插值。最近鄰插值是將離非整數(shù)坐標(biāo)(x, y)點(diǎn)最近的像素的灰度值作為點(diǎn)的灰度值賦給圖像中對應(yīng)的點(diǎn)。這種方法的缺點(diǎn)是生成的圖像粗糙，不易辨識，若提高樣條插值的精度，則計算量大，處理時間長。雙線性插值是一種較好的折衷方法。它利用(x, y)點(diǎn)4個最近鄰像素的灰度值根據(jù)下面的方法計算該點(diǎn)灰度值。</p&g

80、t;<p>　　設(shè)(x, y)點(diǎn)的4個最近鄰像素為A，B，C，D，它們的坐標(biāo)分別為(i, j)，(i+1, j)，(i, j+1)，(i+1, j+1)，它們的灰度值分別為g(A)，g(B)，g(C)，g(D)。首先計算E，F(xiàn)這兩個點(diǎn)的灰度值g(E)，g(F)。</p><p><b>　　(2-23)</b></p><p><b>　　(

81、2-24)</b></p><p>　　則(x, y)點(diǎn)的灰度值g(x,y)為：</p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　以上方法很容易推廣到3D情形。設(shè)(x, y, z)點(diǎn)的8個最近鄰像素為O， P，Q，R，S，T，U，V，它們的坐標(biāo)分別為(i, j, k)，(i+1, j, k)，(i,

82、 j+1, k)，(i, j, k+1)，(i+1, j+1, k)，(i, j+1, k+1)，(i+1, j, k+1)，(i+1, j+1, k+1)，它們的灰度值分別為g(O)~g(V)。先計算A，B，C，D這四點(diǎn)的灰度值g(A)~g(D)。</p><p><b>　　(2-26)</b></p><p><b>　　(2-27)</b>

83、;</p><p><b>　　(2-28)</b></p><p><b>　　(2-29)</b></p><p>　　這樣問題就轉(zhuǎn)化為2D時的情況。再利用式(5)，(6)，(7)就可以求出(x, y, z)點(diǎn)的灰度值。</p><p>　　(10) 光斑能量分布的偽彩色三維表示</

84、p><p>　　經(jīng)過灰度插值和偽彩色變換，光斑能量分布的三維模型過渡自然，色彩流暢，非常符合人的視覺習(xí)慣。其中，多模光斑能量分布強(qiáng)區(qū)的數(shù)目、相對強(qiáng)弱和范圍，以及單模光斑的強(qiáng)區(qū)出現(xiàn)的位置都被三維模型準(zhǔn)確地表示出來。這樣，直觀生動地反映了光斑的能量分布特征，從而有利于人們的辨識。而且，通過坐標(biāo)變換還可以從不同的角度對三維模型進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn)“橫看成嶺側(cè)成峰”的效果。</p><p>　　脈沖激光器發(fā)

85、出的激光進(jìn)過衰減系統(tǒng)后，由CCD采集到原始的倍頻YAG光斑圖像。經(jīng)過圖像的預(yù)處理，灰度插值和偽彩色變換，我們可以得到光斑能量分布的二維模型和三維模型。我們可以看到經(jīng)過激光光斑的三維模型過度自然，色彩流暢，光強(qiáng)的分布滿足高斯分布，在偽彩色圖像中我們可以得到圖像中各個位置的光強(qiáng)分布的強(qiáng)弱、大小，以及光斑能量密度最大值的位置。能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出光斑的能量密度的分布。空間的插值在改善圖像的三維偽彩色圖像的質(zhì)量上是有幫助的，在進(jìn)行激光的空間整形實(shí)驗(yàn)

86、后，我們可以用同樣的方法得到整形后光斑的能量分布，評估整形的效果，通過對比整形前和整形后激光光斑的能量分布，來評定整形的效果。通過坐標(biāo)變化我們可以得到沿x，y軸的能量分布曲線。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹刀口掃描法和CCD法，對刀口法進(jìn)行了必要公式的推導(dǎo)，為后文實(shí)驗(yàn)做理論基礎(chǔ)了。介紹了CCD元件的構(gòu)造，CCD拍攝的圖

87、片的原理以及圖片后期處理的要求。</p><p>　　激光光斑尺寸的測量與數(shù)據(jù)分析</p><p><b>　　刀口法測光斑直徑</b></p><p>　　刀口法是一種測量高斯光束光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法[5]。但是以往刀口法的研究大多數(shù)僅僅集中在光斑半徑位置所對應(yīng)的能量百分比的理論研究上。本文以刀口法對光斑大小進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。用能量計算

88、激光光斑尺寸，并給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其算法。</p><p>　　90/10刀口法理論及方法</p><p>　　圖3-1是單橫模激光束圓對稱的激光光斑的能量分布曲線。其光強(qiáng)分布為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中：為光斑中心極大處的光強(qiáng)， I為距離中心r處的光強(qiáng)，為Z處橫截面內(nèi)光強(qiáng)降

89、落到中心值的的光斑半徑。</p><p>　　圖3-1 單橫模激光束圓對稱的激光光斑的能量分布曲線</p><p>　　由于光束能量的這種分布模式，使得激光光斑橫向尺寸的測量很值得研究。當(dāng)高斯光束被刀口垂直遮擋時，通過的（連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)）激光功率為：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　無刀口遮

90、擋時，光束總功率為：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　令

91、 (3-5)</p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　得：</b></p><p>　　……正態(tài)分布累計分布函數(shù)

92、 (3-7)</p><p>　　根據(jù)光斑半徑的定義，令x=ω，即t=2，由(3-7) 式得，，也就是說，光束橫截面內(nèi)，所對應(yīng)的位置，之差的二分之一(即)就是此處光斑半徑。</p><p>　　然而，在具體實(shí)驗(yàn)過程中我們?nèi)?，進(jìn)行研究時并沒有得到較好的結(jié)果。可能是此種情況下、位置太靠近光斑邊沿，以致于引起的測量誤差太大。故我們?nèi)。?，即采?0/10刀口法。</p><

93、p><b>　　計算理論</b></p><p>　　由式(3-7)、(3-5)得：</p><p>　　……正態(tài)分布逆累計分布函數(shù) (3-8)</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　即

94、 (3-10)</p><p>　　由(3-8)、(3-9)、(3-10)式得：只要在光束的某一位置Z處測得兩點(diǎn)、處的功率、及其所對應(yīng)的就可以求得此處的光斑直徑。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　我們對一型號為330290的連續(xù)激光器的光束光斑進(jìn)行測量。</p><p>　

95、　將激光器、刀口及功率計按圖2-1放置在實(shí)驗(yàn)臺上。如圖2-2所示，選取適當(dāng)單位長度移動刀口，記錄能量計上的數(shù)值。</p><p>　　1. 對連續(xù)激光器光斑能量進(jìn)行測量，=0.74mW，根據(jù)上文90/10刀口法，找到，的兩點(diǎn)，=0.21mm，=0.99mm?？傻霉獍咧睆絩=0.78mm。</p><p>　　2. 測量數(shù)據(jù)輸入Origin進(jìn)行處理繪圖，用相對強(qiáng)度體現(xiàn)出能量分布趨勢，并對其進(jìn)

96、行擬合，如圖3-2。</p><p>　　根據(jù)光斑直徑定義，在能量分布圖上找出所對應(yīng)的兩個橫坐標(biāo)點(diǎn)做差值，可得r’=0.74mm。與90/10法結(jié)果相符。</p><p>　　圖3-2 激光光斑能量分布</p><p>　　讓該激光穿過透鏡（焦距為30cm），測的一組數(shù)據(jù)，做能量分布如圖3-3：</p><p>　　圖3-3 經(jīng)過透鏡后激光光

97、斑能量分布圖</p><p>　　根據(jù)上述處理方法，分別得到兩種算法的光斑直徑：r=0.18mm，r’=0.202mm。</p><p>　　讓該激光經(jīng)過透鏡（焦距為15cm），測得一組數(shù)據(jù)，做圖3-4：</p><p>　　圖3-4 經(jīng)過透鏡后激光光斑能量分布圖</p><p>　　根據(jù)上述處理方法，分別得到兩種算法的光斑直徑：r=0.08

98、mm，r’=0.09mm</p><p>　　分別用理論推導(dǎo)得到90/10刀口法，光斑直徑定義得到的能量分布法對激光光斑進(jìn)行測量計算。兩種算法基本相符，證明了用刀口法測激光光斑尺寸是確實(shí)可行的。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)分析</b></p><p>　　從上面的實(shí)驗(yàn)過程還可以看出：該實(shí)驗(yàn)方法過程簡單、實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度高。但是在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該注

99、意以下幾點(diǎn)：</p><p>　　必須保證刀口質(zhì)量好，刀片盡量薄。刀口必須垂直于高斯光束軸線方向，否則會影響測量的精度。在測量過程中由于在、點(diǎn)功率計反應(yīng)比較靈敏，所以應(yīng)當(dāng)小心、仔細(xì)旋轉(zhuǎn)螺旋測微器，盡量減小測量誤差。束腰位置處，激光功率密度比較高，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的激光功率，不致將刀口燒壞。但是，功率也不能太低，否則會增大測量誤差。</p><p>　　由以上工作可以看出：刀口法

100、測量高斯光束光斑尺寸方法簡單，對實(shí)驗(yàn)器材要求低，易于操作，測量結(jié)果精度可達(dá)微米量級，能滿足一般實(shí)驗(yàn)室激光光束直徑測量的需要。所以，刀口法是一種比較理想的測量高斯光束光斑尺寸大小的方法。</p><p>　　CCD法測激光光斑方法</p><p>　　在進(jìn)行激光的空間整形的實(shí)驗(yàn)的時候，我們需要對整形前和整形后的激光光斑圖像進(jìn)行分析，得到相應(yīng)光斑的能量分布，評估整形的效果，這就需要我們建立一個

101、有效的測量光斑能量密度的方法，但是人們一般是針對激光光斑的灰度圖像進(jìn)行研究，由于人眼對不同灰度級的分辨能力有限，因此難以充分利用激光光斑灰度圖像中包含的光斑能量分布信息，但是人的眼睛對色彩相當(dāng)敏感，能區(qū)分不同的亮度，色彩和飽和度等各種顏色。根據(jù)這個特點(diǎn)，我們借助MATLAB這個強(qiáng)大的平臺，利用偽色彩變換和空間灰度插值運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了光斑能量分布的三維偽彩色可視化，可以較直觀的顯示出光斑的能量分布。并用Origin軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)的后期處理。&

102、lt;/p><p>　　用CCD拍攝光斑圖像</p><p>　　我們使用敏通公司的MTV1881EX型號CCD采集的原始光斑圖像，圖像的獲取是為了得到激光光斑的原始圖像，該部分主要是由激光，衰減系統(tǒng)，導(dǎo)軌，和CCD攝像頭，圖像卡和計算機(jī)組成如圖2-4，實(shí)驗(yàn)中衰減器的主要作用是將出射激光的光強(qiáng)衰減到自然光的光強(qiáng)，為的是不損壞CCD的感光部分，將CCD在與激光光束平行的導(dǎo)軌上移動，感光面與激光光

103、軸垂直，CCD可以在不同的界面上采集到激光光斑的原始圖像。同理在經(jīng)過激光的空間整形后我們用同樣的方法我們可以得到整形后的光斑圖像。圖像如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 CCD拍攝的激光光斑圖片</p><p>　　Matlab的圖片處理</p><p>　　Matlab軟件是一種廣泛使用的工程軟件，利用Matlab中的圖像工具箱可以方便的進(jìn)行數(shù)字圖像處

104、理[11]。由于中值濾波能有效濾除脈沖干擾及圖像掃描噪聲，我們首先對光斑圖像進(jìn)行二維中值濾波，濾波窗口選擇為3×4，其圖像噪聲的平均值下降為7。然后再使用自適應(yīng)濾波來消除白噪聲，圖像噪聲的平均值僅為4?？梢钥闯觯紙D像中的噪音基本被濾除，圖像噪聲的平均值由16下降到了4，所以用這種方法去除噪音的效果比較明顯。</p><p>　　Matlab圖片處理程序見附錄C，運(yùn)行流程圖如圖3-6所示：</p

105、><p>　　圖3-6 程序運(yùn)行流程圖</p><p><b>　　圖像處理結(jié)果</b></p><p>　　用Matlab處理光斑圖片，將圖片三維可視化[13]。輸出結(jié)果如圖3-7</p><p>　　圖3-7 光斑能量三維可視圖</p><p>　　把光斑的能量分布圖三維可視化后，可以很明顯的看出

106、激光光斑的能量分布。</p><p>　　由于三維圖像不方便計算，用Matlab找出取最高點(diǎn)能量，并分別做出x軸與y軸的二維切面圖，如圖3-8和3-9所示：</p><p>　　圖3-8 光斑能量分布二維x軸切面圖</p><p>　　圖3-9 光斑能量分布二維y軸切面圖</p><p>　　將圖3-8數(shù)據(jù)提取出來，導(dǎo)入Origin軟件做出相

107、對能量分布圖</p><p>　　圖3-10 光斑相對強(qiáng)度分布圖</p><p>　　經(jīng)過噪音濾除后，光強(qiáng)分布曲線還不夠平滑，有強(qiáng)度調(diào)制造成的影響，為此需要進(jìn)一步處理。由于圖3-10的光強(qiáng)分布非常接近高斯型，我們直接使用Origin軟件的高斯擬合功能來進(jìn)行平滑，如圖3-11所示。使用高斯平滑后，Origin軟件還會給出光斑直徑（按光強(qiáng)最大值的e-2）和擬合誤差等參數(shù)，極大的方便了我們分析高

108、斯型的光強(qiáng)分布情況。但是對于非高斯分布的情況，高斯平滑就不適用了，此時我們使用Origin軟件的FFT平滑來進(jìn)行處理。FFT平滑是普遍適用的方法，無論對于高斯分布還是非高斯分布。對于高斯分布，使用高斯平滑和FFT平滑的處理結(jié)果基本一致，但是FFT平滑能夠保留更多的細(xì)節(jié)。獲得了較為平滑的光強(qiáng)分布曲線后，就可以使用各種處理方法進(jìn)一步分析，以獲得激光光斑的相關(guān)參數(shù)。如果高斯擬合的結(jié)果與FFT平滑的結(jié)果一致或者相差很小，就說明光斑的光強(qiáng)分布是高

109、斯型或者近高斯型；如果高斯擬合的結(jié)果與FFT平滑的結(jié)果相差較大，就說明光斑的光強(qiáng)分布不是高斯型。</p><p>　　圖3-11 高斯擬合后圖像</p><p>　　由圖3-11，用Origin軟件找到相對強(qiáng)度強(qiáng)最大值的的點(diǎn)，橫坐標(biāo)=23.79，=124.03由上文分析可知光斑直徑r==100.24</p><p>　　以上數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)皆是用像素為單位。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采

110、用感光單元為 800×600 陣列的MTV 21881EX 型CCD攝像頭，由于只是接受光照度而不必對光束成像，故攝象頭不用物鏡，圖象采集分辨率為 768×576, 物體經(jīng)光學(xué)放大成象后，映射到每個象元的尺寸相當(dāng)于實(shí)際尺寸的8μm。因此將r從像素轉(zhuǎn)化為尺寸r=0.802mm。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)分析</b></p><p>　　本文探

111、討的CCD探測傳感器，用計算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理，測量激光光斑尺寸和束腰光斑尺寸及共焦參數(shù)的方法，通過實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明是可行的，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測量，其數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好。由于采用了高速采樣系統(tǒng)和相對光強(qiáng)處理，以及無機(jī)械運(yùn)動測量，因此克服了傳統(tǒng)測量中，由于光束漂移，能量起伏以及機(jī)械運(yùn)動所帶來的測量誤差。本方法也有弊端，例如CCD 法雖然精度高，但僅對低功率的光束測量適用。對于高功率激光，CCD存在飽和現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)時也要注意避免大功率激光對CCD造成