基于CCD的脉冲激光器远场发散角工程化研究

简述了激光光束的基本参数及特性,并介绍了采用CCD进行激光发散角测量的基本原理和装置.用CCD测量光斑可以及时获得光斑的二维扫描结果.实际工程应用时常采用CCD来测量激光远场发散角.进一步介绍了使用CCD摄像法进行发散角测量所采用的系统软件设计,首次提出了采用图像处理的方法来捕捉脉冲激光光斑.     

基于扫描成像方法的激光光斑测量系统研制

利用红外CCD摄像机和三轴转台等装置,研制了一套周视激光产品(360°探测视场)的激光光斑测量系统。通过开发一套分析处理软件来控制三轴转台转动,实现被测激光光斑在CCD摄像机靶面上的精密扫描,将激光强度信息和位置信息由数据采集卡采集,再由软件对采集到的图像数据进行拼接,便得到全视场激光光斑的2D和3D强度分布图,对其进行分析后最终得出全视场内发射激光发散角、激光光斑强度相对分布等激光光斑质量信息,从而为各种大小视场激光产品研制提供了一种对发射光斑质量进行分析和检测的手段。     

固体激光远场瞬时光斑时空分布测量技术

基于漫透射CCD成像法原理,建立了固体激光瞬时光斑时空分布测量系统。开展了该测量方法的可行性验证实验,能够精确地获得激光远场光斑图像,并运用Matlab软件对测量数据进行处理,得到激光远场光斑半径、光束质量、质心位置、光轴抖动、光强分布以及平均功率密度等参数。实验结果表明:利用漫透射CCD成像法测量固体激光远场瞬时光斑时空分布是可行的,测试系统采集频率可达120 Hz。该方法具有高分辨率、高帧频、低成本、使用方便的突出优点,能同时实现激光强度分布和功率的测量,测量功率误差小于2%。     

激光远场能量密度分布测试系统的实现

要设计了基于CCD成像法的激光远场能量密度测量系统,给出了CCD成像法测量远场激光能量密度分布的基本原理,并在特定条件下对激光能量测量模型进行简化.利用漫反射靶板将激光的能量分布信息采集至CCD相机,并在靶板的特征位置上安装能量探测器,依据激光能量模型,将激光光斑图像灰度信息与激光能量探头所测的实际能量值进行信息融合,...     

大功率TEA CO2 激光远场发散角评估方法

在大功率激光远距离定向传输中,远场发散角是衡量其性能的一个重要参量。大功率TEA CO2激光具有功率高、光束直径大等特点,常规手段无法准确测量其远场发散角。为解决该难题,提出了一种利用激光光斑尺寸拟合分析法来评估大功率TEA CO2激光的远场发散角。首先,从理论上推导大Fresnel数多模高斯激光束远场发散角,分析了影响激光束发散角的主要因素;然后,采用光斑烧蚀法试验测量近场(20 m)光斑数据,基于光束质量(M2)因子理论拟合得出了激光光束质量和束腰大小,从而推导出激光束远场发散角;最后,对比分析了以上两种方法的计算结果,讨论了结果存在偏差的原因。结果表明,近场光斑数据拟合法可准确、便捷地测量大功率TEA CO2激光束远场发散角。     

玻璃微珠原向反射屏发散角测试

为了测试一种玻璃微珠原向反射屏的发散角,采用CMOS高速相机拍摄玻璃微珠原向反射屏反射回来的激光光束在硫酸纸屏上成像的激光光斑,处理光斑图像,根据一定的几何比例关系,计算得到了原向反射屏的发散角角度,其范围为0.907°~0.956°。结果表明,该测试方法设计合理、数据可信,具有一定实用价值。     

φ250mm、10(12)W激光远场诊断

一台激光远场CCD诊断装置，工作波长1053nm,光学孔径φ250mm；联接计算机及脉冲同步的科学CCD相机接受系统，最后得到的远场光斑图像被计算机实时地处理和显示．装置在应用于测量激光远场发散角时，必须做好如下关键技术：1）装置内各光学元件的高质量检测和低像散传输，准确地     

激光基准成像测量光斑图像的亚像素检测算法

在激光基准下基于CCD成像身管轴线直线度测量系统中,对激光光斑图像的高精度检测和定位是影响系统测量精度的一个重要因素.为了提高激光光斑图像的检测和定位精度,提出了一种Sobel-Guass拟合算子的激光光斑亚像素边缘检测方法,同时结合最小二乘迭代圆拟合法设计了光斑中心的高精度定位.即:首先用Sobel算子细化边缘,进而在梯度方向上进行高斯函数拟合插值,进一步提高图像边缘位置的检测精度,最后经最小二乘圆迭代拟合后得到激光光斑的亚像素级几何参数,从而使测量系统的精度提高一个数量级.实验结果表明:像素细分后对像素点的定位精度可以达到0.1个像素,亚像素边缘对标志中心的定位精度优于0.03像素.     

激光束质量实时测量技术

提出一种新型光束质量实时测量技术,该技术主要基于由平板反射镜组成的多平面成像系统,一次性将激光束腰附近2倍瑞利距离内的多个光斑成像在同一个平面上,用CCD相机获取这些光斑的光强分布图样。通过图像处理获知接收到的光斑的光强分布。采用远场发散角、焦点尺寸、桶中功率比和M2因子四种光束质量评价标准对激光光束质量进行评价。利用该方法实时测量了高能钕玻璃双板条激光器的输出光束。     

激光辐照面阵CCD探测器的杂散光斑现象

为了研究短脉冲强激光辐照下同轴数字全息图像中的杂散光斑,进行了短脉冲强激光辐照和停止激光辐照情况下CCD图像采集的实验,采用粒子衍射原理和CCD输出电信号的过程分析了CCD图像灰度的变化,得到了像素上灰尘的衍射及CCD吸收激光能量导致复位电平失常是杂散光斑及阴影产生的原因,受热效应和记忆效应的影响,激光辐照停止后CCD图像采集失常。结果表明,激光辐照停止后随着热量的消散,杂散光斑逐渐消失,去除灰尘并延长CCD的图像采集时间间隔,避免CCD产生热积累能有效消除杂散光斑。     

卫星光通信终端CCD成像光斑弥散圆尺寸选择

利用CCD对自由空间传输的激光进行成像,可得到入射光束的角度信息以实现对发射光束的控制。卫星光通信中,提高对入射光束角度偏差实时测量的精度,可以有效地提高终端的光束跟踪性能,进而有效地保持激光链路的稳定。通过分析角度偏差检测原理,建立了卫星光通信中跟瞄装置测角性能分析模型。分析了测角精度与CCD成像光斑弥散圆尺寸之间的关系,并通过模拟实验进行了验证。结果表明,在卫星光通信系统设计中,综合考虑测角精度要求、终端功耗限制等因素,选择CCD成像光斑相对尺寸在2到3之间为最佳。     

双面阵CCD实时测量激光发散角的系统

针对目前激光光束发散角测试速度慢,实时性差的问题,提出采用两个面阵CCD同时测量激光远场区域两个不同位置的光束宽度,用两点拟合的方法计算激光光束发散角的方法。该方法装置简单,可快速实时准确地测量激光光束发散角。测试结果表明,系统测量误差<0.1 mrad,重复测量误差均±1%之内。该测量方法研制的仪器成本低、测试效率高、便于携带,适合设备生产现场和空间有限的快速实时检测需求。     

湍流大气折返路径成像光斑与光强起伏实验研究

利用红光激光器、3M微晶棱镜阵列反光膜和长焦高速CCD相机构建的折返路径激光成像探测系统,进行了湍流大气中1 km传输路径上的激光光斑回波成像探测实验,同时使用激光闪烁仪实时监测湍流强度变化。首先对获得的激光回波光斑图像的强度分布进行了直观分析,比较了在不同湍流强度下折返路径激光光斑形态的差异,接着统计计算了不同湍流强度下,光斑光强概率密度分布与光斑图像位置和区域面积大小的关系。结果表明：折返路径下的激光传输光强起伏概率密度函数在光斑上的各处基本都符合对数正态分布,但在质心处附近的区域符合程度更高,且符合程度与接收面积大小呈负相关。同时湍流强度对回波光斑平面上不同位置之间、不同接收区域大小之间符合正态分布程度的差异有一定影响。     

浸没式光刻系统中光束传输系统的设计

为实现浸没式光刻照明系统掩模面上高均匀照明性和不同照明模式,对照明系统中的光束传输系统进行了研究。浸没式光刻照明系统中的激光光束传输系统是光刻机中的重要组成部分,直接影响光刻机性能。针对浸没式光刻照明系统特点,提出了采用球面镜和柱面镜组合的光学结构,进行了激光准直扩束系统的光学设计与仿真分析。此外,对设计的准直扩束系统进行了公差分析,以保证在加工和装调完成后光束的发散角和口径均满足设计要求。最后,在系统完成的基础上对不同位置处的光斑尺寸进行测量。设计结果表明,系统能够满足光束在5~20 m传输光路范围内,不需要进行透镜间隔的调节,实现光斑大小和发散角满足设计要求,保证目标光束口径在(28.5±0.5)mm范围内,X方向发散角为1.2 mrad,Y方向发散角为1.84 mrad。通过分析发现,设计结果能够很好地满足指标的精度要求,具有重要的应用价值和实用意义。     

激光光束在海水中的空间传输特性分析

由于激光的初始发散角以及海水对光的散射作用,激光在水下传输时光斑大小发生改变,从而影响接收机的接收范围。采用波长为514 nm的蓝绿激光,基于水下无线光通信信道模型,模拟光子在海水中的传输过程,通过统计不同传输距离时的光子数和光子位置,建立了海水信道中的光斑扩展模型,分析了海水水质对高斯光束的光斑空间特性的影响。结果表明:高斯光束在海水信道中传输时,根据光强比值定义光斑大小的位置,1/e光斑半径与传输距离呈线性关系,线性增加系数为光源的发散半角;当接收机灵敏度为确定值时,传输较短距离后光斑逐渐减小;光斑大小由接收机灵敏度决定,随着接收机灵敏度的增加,在相同距离下,接收到的光斑大小基本呈线性增加。     

非球面镜准直大功率半导体激光阵列远场特性

针对目前采用非球面快慢轴准直镜准直的大功率半导体激光阵列的远场光束特性在理论上缺乏准确的描述,而常用的单一能量利用率光束发散角不能够准确地描述半导体激光器准直光束的特性,难以有效指导其后整形、聚焦等光学系统设计的问题,文章利用CCD成像结合图像处理手段对半导体激光阵列光束经过非球面快慢轴准直镜后的远场光束进行实验研究。实验结果表明,随着能量利用率选择不同快、慢轴远场发散角变化趋势有较大区别,在较高能量利用率条件下,快轴方向能量利用率的微小增加可导致光束质量的迅速劣化,对光学系统要求苛刻;而慢轴方向能量分布较为均匀,光学系统冗余量较大。     

宽发射面激光二极管光束整形系统的光学设计

宽发射面激光二极管作为泵浦源在全固态激光器中得到了广泛的应用,但由于快慢轴发散角太大和发光面的不对称,所以需要对其进行光束整形。针对发光面为1m（快轴）200m（慢轴）且远场光斑为矩形光斑的宽发射面激光二极管,分析了输出光束在平行于p-n结方向上光场（侧模）的多光丝分布特性。通过在ZEMAX非序列里,设置合理的光丝间隔、尺寸和以纵模为间隔的多个波长,模拟了与实际相符的远场光斑。利用圆柱透镜压缩激光二极管快轴发散角,再用自聚焦透镜进行聚焦,最后在离自聚焦透镜后端面1.8 mm处得到快慢轴方向长分别为0.15 mm0.17 mm的方形光斑,且快慢轴方向发散角分别为3.32.4。同时,通过实验逐步比较了光束通过每一个光学元件后光斑形状的变化和光强分布,结果表明:宽发射面激光二极管光束整形中,通过引入侧模光丝结构的矩形光斑模拟方法是可行的。     

基于CCD和LabVIEW的激光光斑分析系统

建立了基于CCD和LahVIEW的光斑分析系统,以实时监测激光应用系统中光斑的状态.对通用图像采集卡的驱动程序进行配置以便在LabVIEW中调用.对采集到的原始图像用邻域平均法进行抑噪预处理,再用加权灰度重心法计算光斑的中心位置,用检测边缘的方法计算光斑尺寸.基于LabVIEW开发了具有独立界面的采集分析软件.