激光束参数测量

激光束参数测量

实验报告课程名称红外与微光技术姓 名 学 号 一、 实验名称：光束参数的图像测量二、 实验目的掌握激光束光斑半径，光腰半径，发散角，光强分布图像测量技术;掌握高斯光束理论；了解半导体激光器等激光束的光强分布图像测量。三、实验原理激光束光强分布测量，以前采用小孔扫描或相纸曝光方法，精度差，不能实时观察光强分布。利用CCD相机队光强分布进行图像采集，根据图像数据对光束参数进行分析计算，有很高的精度，乂能实时观察。如图1所示，CCD激光光束分析系统包括激光器、CCD相机以及数据处理系统。数据处理系统对CCD输出的图像数据进行处理，计算出激光束的重要参数，并以一维、二维、三维方式显示光强分布。激光器衰减片CCD相机图像捕获卡激光器衰减片CCD相机图像捕获卡计算机数据分析处理系统图1光束参数图像测量框图激光器输出光激光功率密度一般比较高，光强超出CCD量程范围，会对CCD探测器造成损害。所以测量过程中必须使用了衰减片，以保护CCD探测器。软件系统也可以帮助我们有效保护CCD探测器。在3维轮廓窗口的左边有一个按七色彩虹颜色排列的光亮度对比条，按照这个指示，我们很容易知道现在CCD相机正在接收到的激光强度是否己超出了其量程。如果光束图像中出现白色，则表示光强己快接近饱和，这时应该减少激光器的输出功率或增加衰减片来保护CCD相机。光斑半径的测量，按照最大值的1/e计算。在计算之前先对所获得的光强图像分布平滑滤波处理，然后找出图像的灰度最大值和所对应的坐标值（计算机内图像的像素坐标），然后进行高斯拟合。光腰半径或共焦参数的测量，采用下面方法。在光轴上任意两个位置zl和z2测得光斑半径为wl和w2,则由此二式通过数值求解求出光腰半径w。或共焦参数孑，式中人为激光波长。求出共焦参数后，发散角由下式求出四、 实验器材位移台、He-Ne激光器、半导体激光器、CCD相机、二维反射镜架、分光片、衰减片。五、 实验内容拍摄并采集He-Ne激光束光强分布图像；测量光斑半径，观察光强三维分布；计算公焦参数。六、 实验步骤实验前盖紧CCD相机盖子，打开激光器的电源开关；调整光路，保证在位移台移动的过程中光束基本在CCD相机盖子的中心；加衰减片（从最大衰减率开始），关闭门窗、窗帘和照明光源，直到人眼不能明显观察到光斑为止；启动软件，打开CCD相机盖子；测量激光束的参数，记录水平和垂直方向光斑直径以及平台位置；改变平台位置，重复测量光斑直径，直到平台不能移动为止；透镜激光器透镜激光器七、实验数据及结果分析：测量数据：He—Ne激光器波长为632.8nm°其中value当前测试的光斑半径的测量值（按照最大值的1/e计算）；mean光斑半径的测量值（按照最大值的1/e计算）的平均值，radiu为光斑半经径mean/2：光腰半径是利用niatlab中的solve函数和公式：&=零tA2- -奴T]=fWA再利用其它公式计算共焦参数和发散角。L(mm)X方向13.5%widthhorvahie(um)mean(um)radius(uni)std光腰半径（um）共焦参数（um）发故角rad96.01062.01068.87534.444.2781.62744.50990.002461011042.01044.49522.253.82475.71744.62330.000421061039.71042.75521.383.5985.95824.77180.002341111013.21011.77505.891.7069.67174.80870.002891161017.41034.87517.4421.58418.67164.83480.000481211004.01006.24503.122.40422.69184.98650.000471261004.51003.58501.791.81120.33225.01240.001671311000.51001.01500.511.90469.64395.10760.00042

136985.0984.77492.391.19420.13395.19970.00047141993.3983.50491.753.67153.51555.19250.00131146978.6986.00493.003.84315.98715.24550.00063151975.1973.54486.771.7381.62745.33980.00246156964.3968.70484.353.58L(min)Y方向13.5%widthvervalue(um)mean(um)radius(um)std光腰半径(um)共焦参数发放角rad96.01022.81023.84511.923.37260.17264.83530.0007741011020.91017.17508.593.52309.37074.89180.0006511061013.11012.02506.012.95186.37074.86830.0010801111019.61022.08511.043.13192.93224.86640.0010441161014.41012.42506.213.48200.80644.95780.0010031211001.71003.22501.612.93285.79794.97450.0007041261007.71009.01504.512.20183.76694.99640.001096131995.0998.81499.412.41444.22625.03730.0004531361001.11000.89500.452.17339.95805.04830.000592141990.7996.56498.282.32163.36555.12980.001232146987.1984.92492.462.45491.21405.18950.000410151987.0985.21492.612.53263.79715.22200.000763156979.0978.77489.391.97数据分析：测得的X方向光腰半径在100"400um,都有可能。造成这样的不确定性，我觉得，主要在于每一次测量的不准确度，测量误差比较大，在测量过程中，我们小组也没有很好的控制测量次数，可能也会产生误差，但是根据理论知识,激光光束的发散角很小，本来利用matlab解方程可以得到两个解，我们根据一些激光的基础知识(在比较短的距离内，测量的光斑半径与光腰半径基本相当)，把另外1个解舍去了，留下了现在看到的解，利用这个解算的发散角还是比较能接受的。同理，测得的Y方向光腰半径在100"400um，问题还是在于每次测量的准确度不能确定，误差比较大。1.以平台位置为横坐标，光斑直径为纵坐标作图；(i)X方向：直线拟合的情况1605004904805116050049048051S1升窑联泼160TOC\o"1-5"\h\z1000• '980- \960' 1 1 1 1 1 90 100 110 120 130 140 150平台的位置二次项拟合的情况：54053052090 100 110 120 130 140 150平台位置(ii)Y方向：直线拟合的情况975 1 1 1 1 1 1 90 100 110 120 130 140 150 160平台的位置二次项拟合的情况：51551049048590 100 110 120 130 140 150 160平台位置51551049048590 100 110 120 130 140 150 160平台位置505505049@升窑联农曲线拟合分析：X方向上基本可以说明曲线满足一个二次曲线，与公式的形式上基本吻合，Y方向上应该也可以说明，不过我觉得Y方向曲线的凹凸性是不是有点问题。2.根据实验数据求出光腰半径；（1）导出求解公式：少⑵二勿。jl+* 了=竽（竺野=1+M z=心-1）"=a一日竺I气 /■ 少。 刃。 人I4一弓|二率［心—1-」（。1］即人，口0 ，口0&=箜［加；_际一』戒一成卜了（殊） 以I?'一（件：|<0.01为判人 &+，（口0）据，求解光腰半径和发散角。上表中己经填入的％和发散角分别是相邻的两个刻度值对应的光斑直径求出的结果。（2）求出结果，设法验证结果正确性（己经填入数据测量表格）：为了验证结果的正确性，应该取任意两个刻度对应的光斑半径求解出各个光腰半径，并进行分析。这里只验证X方向:R1(um)对应刻度R2(um)对应刻度光腰半径（um）发散角（mrad）534.4496505.89111103.70211.94235696265652534.4496501.79126174.28071.15575904834616534.4496492.39136179.49191.12220382076909534.4496486.77151211.47260.952494535826877534.4496484.35156217.99480.923996792479008522.25101505.89111119.73421.68228038419351522.25101517.44116400.48020.502962433541291522.25101491.75141234.24410.859899976038256521.38106503.12121157.45211.27928745299112521.38106492.39136192.76691.04492262923304521.38106486.77151232.36300.866861316031824505.89111493.00146368.77110.546210090696106505.89111484.35156320.58910.628301136804410517.44116493.00146222.06610.907056484430099503.12121484.35156298.89950.673893720053405501.79126486.77151277.44460.726006186377759500.51131491.75141208.62030.965517238624922500.51131484.35156263.30490.764993344131092491.75141486.77151311.73510.646146346616415493.00146484.35156210.21410.958196885827843验证分析：利用验证的数据，能比较好的看出发散角的大小范围，排除一些其他比较不靠谱的数据，我们可以近似认为激光光束的发散角在0.7〜l.lmrad内，与理论知识，激光光束发散角小基本吻合，如果要具体通过理论分析知道发散角大小应该可以用自再现方式算出来。激光的光腰半径在200-400um左右，应该也差不多，我觉得。八、 实验结论1、 利用实验数据、高斯光束的公式和Matlab测得He-Ne激光器的光腰半径约为200〜400um左右，发散角在0.7〜1.2mrad左右。2、 我觉得实验误差比较大，实验结论不太准确。九、 心得体会：1、 单说实验，测量的时候比较简单，数据处理时比较复杂。2、 处理数据的时候，很明显发现误差有点大，激光光腰半径基本算是没有测准，虽然光腰半径和发散角大小基本符合理论知识，但是我觉得还是没有测量的很好。我觉得，实验过程中，我们测量过程中没有准确的定一个统一的采样次数可能产生误差比较大，其他步骤的测量误差应该不大。所以，我觉得这个测量方法不是太好（在看过其他组数据之后，他们的数据也有这样的问题）。十、对本实验过程及方法、手段的改进建议：1、 我觉得可以想个其他测量方法来做，这个有点太准确。2、 提高CCD的成像质量应该可以减少误差，还有，我们组在测量时应该注意采样数目应该要基本一致。十一、思考题1、在实验过程中，如何避免CCD饱和？答：1、利用软件系统帮助我们有效避免CCD探测器饱和。在3维轮廓窗口的左边有一个按七色彩虹颜色排列的光亮度对比条，按照这个指示，我们很容易知道现在CCD相机正在接收到的激光强度是否己超出了其量程。如果光束图像中出现白色，则表示光强己快接近饱和，这时应该减少激光器的输出功率或增加衰减片来保护CCD相机。2、使用了衰减片，将激光