激光光束质量参数测量的实验研究讲解
激光光束分析实验报告讲解
激光光束分析实验报告讲解一、引言激光技术作为一门先进的光学技术，在多个领域发挥了重要作用。
然而，激光光束的质量往往对于激光技术的应用起到至关重要的作用。
因此，分析和评估激光光束的质量是非常必要的。
本实验旨在通过激光光束分析仪对激光光束进行质量的分析和测量。
二、实验方法1.实验仪器及材料：本实验使用的主要仪器设备为激光光束分析仪，样品为激光发生器输出的光束。
2.实验步骤：（1）打开激光光束分析仪电源，进行预热，使其工作稳定；（2）将激光发生器的输出光束对准激光光束分析仪的输入接口；（3）通过调节仪器上的参数，如位置、角度等，使得光束在仪器内部的光学系统中传播；（4）观察并记录仪器显示屏上的结果，包括光斑直径、横向和纵向耦合效率等。
三、实验结果与分析本实验记录了多组光斑直径和横向耦合效率的数据，并进行了分析。
1.光斑直径光斑直径是评估激光光束空间质量的重要参数之一、通过激光光束分析仪测量得到的光斑直径数据如下表所示：实验次数，光斑直径（mm）---------，---------------1，2.032，2.113，2.054，2.085，2.01计算得到的平均光斑直径为2.05mm，标准差为0.039mm。
可以看出，激光光束的空间质量较好，并且稳定性较高。
2.横向耦合效率横向耦合效率是评估激光光束质量的又一个关键指标。
通过激光光束分析仪测量得到的横向耦合效率数据如下表所示：实验次数，横向耦合效率---------，--------------1，80%2，83%3，81%4，79%5，82%计算得到的平均横向耦合效率为81%，标准差为1.16%。
可以看出，激光光束的横向耦合效率较高，并且稳定性较好。
四、实验结论与讨论通过本次激光光束分析实验，得到了激光光束的光斑直径和横向耦合效率的数据，并进行了分析。
结果表明，激光光束的空间质量较好，并且横向耦合效率较高。
这对于激光技术的应用具有重要的意义。
然而，本实验数据的采集样本较小，为了更准确地评估激光光束的质量，可以增加样本数量，并进行更详细的数据分析。
激光束质量因子M2的概念及测量的方法
激光束质量因子M2的概念及测量的方法光屏扫描法是一种较为常用的测量方法。
该方法使用一个光场扫描器，通过在不同位置测量激光束的强度分布，并利用高斯光束的理论模型进行拟合，从而得到激光束的横向和纵向尺寸，进而计算得到激光束质量因子M2具体测量步骤如下：1.将待测激光束通过一个光场扫描器，并在激光束出射处安装一个光屏。
2.将光场扫描器驱动器连接到计算机，开始扫描光屏位置。
3.在每个扫描的位置上，将光屏记录的强度分布通过CCD相机拍摄下来，然后将数据输入到计算机中。
4.利用高斯光束的理论模型，以拟合的方式对实际强度分布进行分析，从而求得激光束的横向和纵向尺寸。
5.根据激光束横向和纵向尺寸计算得到激光束质量因子M2热光拓扑法是一种利用非线性晶体产生的激光束自陷效应(thermal lens effect)来测量激光束质量因子M2的方法。
该方法通过在激光束传输路径中加入一个吸收能量的样品，利用样品产生的热源引起的光学折射变化，测量热源位置的单侧热光谱线才折射度，进而计算得到激光束质量因子M2具体测量步骤如下：1.在激光束的传输路径中加入一个吸收能量的样品，例如金属片或者涂覆了吸收性涂层的基底。
2.发射激光束，并选取一个合适的功率。
3.在激光束传输路径上的一个远离样品的位置安装一个CCD相机，用于测量热源位置的单侧热光谱线偏折度。
4.开始测量时，在样品上辐射激光束，使其产生较大的吸收热量。
5.利用CCD相机记录热源位置的单侧热光谱线的偏折度。
6.根据所测量到的偏折度，经过一系列的数据处理和计算，得到激光束质量因子M2总结起来，激光束质量因子M2是衡量激光束质量的一个重要参数。
测量方法包括光屏扫描法和热光拓扑法。
这些测量方法的应用可以帮助我们进一步研究激光束的性质，优化激光系统的设计，并在激光加工、激光医疗等领域的应用中提高激光处理的效率和精度。
激光实验中的聚焦技巧和激光束质量分析方法
激光实验中的聚焦技巧和激光束质量分析方法激光技术作为一种高能密度、定向性强的光束，广泛应用于科学研究、医疗、工业制造等领域。
在激光实验中，聚焦技巧和激光束质量分析方法对于实验结果的准确性和研究深度起着至关重要的作用。
本文将探讨激光实验中的聚焦技巧以及相关的激光束质量分析方法。
一、聚焦技巧聚焦是激光实验中至关重要的一环，合理的聚焦技巧能够使激光光束达到更高的密度和功率。
首先，调整透镜焦距是实现聚焦的关键步骤。
透镜的焦距越短，聚焦的效果越好。
因此，在实验中选择适当焦距的透镜能够提高聚焦效果。
除此之外，聚焦点的位置也需要精确控制。
通常情况下，聚焦点位于光束最窄的位置，确保激光光束能够达到最理想的效果。
此外，实验中还需要注意激光光束的峰值功率。
激光峰值功率过低会导致聚焦点能量过低，影响实验效果；而峰值功率过高则会造成实验设备的损坏甚至人身伤害。
因此，在实验过程中，需要根据实际情况调整激光光束的功率，确保聚焦点能够达到适当的能量。
二、激光束质量分析方法激光束的质量是评估激光实验效果的重要指标。
在实验过程中，如果无法准确地分析激光束的质量，可能会造成误差甚至无法得出准确的结论。
因此，我们需要借助一些有效的激光束质量分析方法。
一种常用的激光束质量分析方法是M²因子法。
M²因子是一种衡量激光束质量的参数，它描述了激光光束相对于理论高斯光束的差异程度。
M²因子越接近于1，代表激光束的质量越好。
通过测量激光束在不同位置的强度分布，并与理论高斯光束进行比较，可以计算得出M²因子。
在实验中，我们可以通过激光束质量分析仪器进行测量和计算。
另一种常用的方法是波前传感技术。
波前传感技术可以直接测量激光光束传输过程中的波前形态和波前畸变，从而评估激光束的质量。
这种方法具有高精度、高灵敏度的特点，可以实时监测激光束的质量变化。
通过波前传感技术，我们可以获取激光束的空间相位结构，进而对激光束的质量进行准确评估。
激光光束质量综合评价的探讨讲解
第３６卷第７期２００９年７月国激光ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＡＳＥＲＳ中Ｖ０１．３６，Ｎｏ．７Ｊｕｌｙ，２００９文章编号：０２５８—７０２５（２００９）０７—１６４３一ｉｉ激光光束质量综合评价的探讨冯国英１周寿桓１’２（１四川大学电子信息学院，四川成都６１００６４；２华北光电技术研究所，北京１０００１５）摘要综述了现有的３类激光光束质量评价方法，即近场质量、远场质量和传输质量。
主要的评价参数包括近场调制度和对比度、聚焦光斑尺寸、远场发散角、衍射极限倍数口因子、斯特列尔比、环围能量比以及肝因子等。
讨论了它们各自的适用范围、优点和局限性。
提出了采用胼因子矩阵以表述光束的像散特性，给出了Ｍｚ因子的不变量。
关键词激光技术；光束质量；膨因子；口因子文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＪＬ２００９３６０７．１６４３中图分类号ＴＮ２４８．１ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎＦｅｎｇＧｕｏｙｉｎ９１ｏｎＬａｓｅｒＢｅａｍＱｕａｌｉｔｙＺｈｏｕＳｈｏｕｈｕａｎｌ＇２，１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１００６４，Ｃｈｉｎａ、＼２ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｒｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｓｕｃｈａｓ１０００１５。
Ｃｈｉｎａ／ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｒｅｅｔｙｐｅｓａｒｅｏｆｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｌａｓｅｒｂｅａｍｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄｑｕａｌｉｔｙ，ｆａｒ—ｆｉｅｌｄｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙｓｐｏｔｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｒａｔｉｏｏｆｎｅａｒ—ｆｉｅｌｄ，ｆｏｃｕｓｅｄｓｉｚｅ，ｆａｒ－ｆｉｅｌｄｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅ，ｔｉｍｅｓｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔｅｄｆａｃｔｏｒ８，Ｓｔｒｅｈｌｒａｔｅ，ｅｎｅｒｇｙｃｉｒｃｌｅｔｈｅｍｒａｔｅ，Ｍ２ｆａｃｔｏｒ。
光束质量M2因子测试及分析实验报告
实验名称：光束质量M2因子测试及分析实验目的1、了解M2因子的概念及M2因子评价光束质量的优越性；2、掌握M2因子的测量原理及测量方法；3、掌握测量激光器的腰斑大小和位置的方法。
实验原理1988年，A.E. Siegman利用无量纲的量——光束质量因子，较科学合理地描述了激光束质量，并由国际标准组织ISO采纳。
光束质量因子又被称为激光束质量因子或衍射极限因子，其定义为实际光束的束腰宽度和远场发散角的乘积理想光束的束腰宽度和远场发散角的乘积M2因子定义式中同时考虑了束宽和远场发散角的变化对激光光束质量的影响。
在二阶矩定义下，利用与量子力学中不确定关系类似的数学证明过程可得 M2≥1，它说明小的束宽和小的发散角二者不可兼得。
当M2=1时，激光束为基模高斯光束；当M2>1时，激光束为多模高斯光束。
当激光光斑为圆斑时，光束质量因子M2可表示为式中为光束束腰宽，为光束的远场发散角，A 为激光波长。
根据国际标准组织提供的ISOlll46—1的测量要求设计测试方案。
采用多点法测量光束质量因子，就是在激光束的传输方向上测量多个位置处的激光参数。
利用曲线拟合的方法求得各激光参数。
CCD 通过数据采集卡连接到计算机，二阶矩定义的光束宽度通过编程确定，在计算机上可以读到束宽的大小。
对测量结果采用多点双曲线拟法拟M2 = ━━━━━━━━━━━━━━━━合或抛物线拟合，求出按二阶矩定义束宽的传输方程中3个系数a i、b i；、c i后，就可以计算出相应的光束参数对于束腰不可直接测量的激光柬(绝大多数激光器产生的激光都是发散的)，先要用无像差透镜进行束腰变换。
实验测量两台会聚光束He-Ne激光器(一台是基模的，一台是多模的)M2因子和其腰斑的大小与位置、发散角及瑞利长度。
根据透镜对高斯光束的变化规律，可以根据以下公式算出和Z0。
从而求出激光器腰斑的大小和位置。
实验数据记录及处理①基模激光的拟合图像原始实验数据Waist Width X 0.538 mm Waist Width Y 0.583 mm Divergence X 3.374 mrad Divergence Y 3.304 mrad Waist Location X 232.03 mm Waist Location Y 233.64 mm M2 X 2.2532 M2 Y 2.3898 Rayleigh Range X 159.47 mm Rayleigh Range Y 176.33 mm Wavelength 632.8 nm Focal Length 100 mm Laser Location 507 mm Z-Position X Width Y Widthmm mm mm 106.55 0.2303 0.21891116.55 0.21483 0.22191126.55 0.25671 0.27044136.55 0.30434 0.31553146.55 0.29206 0.30925156.55 0.32241 0.34863166.55 0.36897 0.40218176.55 0.4072 0.44172186.55 0.48755 0.5182196.55 0.54782 0.56461206.55 0.63207 0.68761216.55 0.69338 0.73035226.55 0.7324 0.76752236.55 0.81272 0.85872296.55 1.3694 1.4259346.55 1.7949 1.858拟合的X轴方向双曲线为，拟合得到的腰斑位置为116mm，大小为0.292mm；拟合的Y轴方向双曲线为，拟合得到的腰斑位置为112mm，大小为0.278mm；由以上数据，编写程序计算后可得：X轴方向的激光器腰斑大小和位置为Y轴方向的激光器腰斑大小和位置为②多模激光的拟合图像实验结论实验测得的激光器基模光束X轴方向质量因子M x2的值为2.2532，腰斑位置z0x的值为376.033mm，腰斑大小dσ0x的值为0.168972mm；Y 轴方向质量因子M y2的值为2.3898, 腰斑位置z0y的值为398.756mm，腰斑大小dσ0y的值为0.191698mm.激光器多模光束质量因子M x2的值为2.0554，M y2的值为2.1228.。
实验报告——激光模式 的测量
实验报告——激光模式2M 的测量实验时间：2017.03.02 晚上一、实验目的激光光束传输质量因子2M 是一种全新的描述激光光束质量的参数。
本实验介绍了M 2的物理概念、物理意义、特点及测量方法。
并对下面三个方面进行了解。
1）了解2M 的定义； 2）了解2M 实验原理； 3）了解2M 的测试过程； 二、实验原理 （一）、2M 的定义目前国际上普遍将“光束衍射倍率因子2M ”作为衡量激光光束空域质量的参量。
它的一般定义为：2M =实际光束的束腰半径与远场发散角的乘积基模高斯光束的束腰半径与远场发散角的乘积（1）（二）、2M 的物理意义如图1所示，对于基模的高斯光束02λωθπ=（2）式中0ω是基模光束束腰半径，θ是基模光束的远场发散角。
根据定义式（1）可知对于实际光束有200W M ωθΘ=，即200224W M W πλλπΘ==Θ（3） 式中0W 代表实际光束的束腰半径，Θ代表实际光束的远场发散角。
图2无像差透镜对束腰和发散角的变换下面我们根据“束腰的束宽和远场发散角的乘积不变原理”对2M 进行推导。
0d d const θθ''==（4） 式（4）可由量子力学的测不准原理来解释：在束腰处光子的位置不确定度是X ∆，X ∆最小值是单模高斯光束束腰束宽0d ；光子的横向不确定度是x P ∆,在近轴近似条件下sin x hh P λλΘ∆=Θ=（5）式中h 为普朗克常数，Θ最小值是单模高斯光束远场发散角θ4dπλθ=（6）根据测不准关系：4X P h π∆∙∆≥（7）对一般光束束腰处有：0X D ∆=x h P λΘ∆=代入方程(7)有04D λπΘ≥（8）定义光束质量因子2M 为：200014D M D d πθλΘ==Θ≥（9） 又因为实际光束的截面常常不是圆形的，即光束的光强分布不是对称的或存在像散时，光束质量应用两个参数来描述：202044x x xyy y M D M D πλπλ⎧=Θ⎪⎪⎨⎪=Θ⎪⎩(10) 2xM 、2y M 是分别表示X 方向和Y 方向的光束质量因子。
激光光束质量分析与参数测量实验
维普资讯
第５ 卷
第３ 期
Ｅｐｒ ｅｔ ｃ ｎｅ ｅｈｏ ｇ ｘｅ ｍ ｎ Ｓｉ ｃ ＆Ｔｃｎｌ ｙ ｉ ｅ ｏ
・ ５・ ２
种 系统 误差 口 。这个 系统 中对 数据 处理 系 统 的要 ｊ
随机因素都将包含于一张看似较 暗的图像之 中。在 后期软件进行数据处理时 ，采用二次测量 相减法 ，
通过程序把背景信号从激光光斑 图像中减去 ，以此
减 小背 景信 号 的影 响。
３２ 数 据计 算处 理结 果 ．
最大功率密度 的 １ｅ ／ 处的宽度定义束宽。激光发
散 角 的测 量一 般不 在 近场进 行 ，因为任何 光强 模式 的角度 分 辨率 随着 发散 距离 的增 加而 增加 ，近 场 的 测 量不 准 确 。 因而 ，我们所 指 的发散 角也 应该 是指 远 场条 件 下测 量 的 ，远场 图样 能确切 地表 达激 光束
３ 实验激光光束 光腰 半径的确定
３ １ 数 据 处理 方 法 ．
激 光 器输 出激 光光 束通 过滤 光片 和衰 减片 ，之
光。每次进行测的情况下进行测量。这样
Ｃ Ｄ的暗 电 流 以及 尚 未 完 全 排 除 的背 景 杂 散 光 等 Ｃ
比较大 。
将 ＝Ｔ 。Ａ代人式（ ） １２ ／ １ ，并变形解出 。
：
Ａ＼ ０ 卜 ｌ ｆ９ 『 ／ ＼
．
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（ ２ ）
对 于 ２个 不 同位置 Ｚ Ｚ，有 ： １
Ｉｌ－ｚ １ ｚ ２ ＝ 一
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（） 。 ＋ ＝ √１
求解 光腰半 径 。
（） １
个 按七 色彩 虹 颜色 排列 的光 亮度 对 比条 ，按照这
激光束质量优化技巧与光束质量测量方法
激光束质量优化技巧与光束质量测量方法激光技术作为现代科学与工业领域的重要工具，已经发展成为一门独立的学科。
在众多的激光应用中，激光束的质量是至关重要的。
优化激光束的质量可以提高光束在实际应用中的效果，例如提高光束的聚焦能力、减小光束的发散角等。
本文将介绍激光束质量优化技巧与光束质量测量方法，旨在帮助读者更好地理解和应用激光技术。
1. 激光束质量优化技巧1.1 光学系统优化激光束的质量受到光学系统的影响，因此光学系统的设计和排布对激光束质量的优化至关重要。
首先，合理选择透镜、反射镜的曲率和折射率，可以改善光束的发散性能。
另外，控制光学系统的误差，如消除球面像差、色差等，也能提高光束的质量。
1.2 模态控制激光束的模态是表征激光束质量的一个重要指标。
通过合理选择激光谐振腔的结构和设计，可以实现模态控制。
常见的模态控制方法有使用稳定谐振腔、采用空间滤波器、引入相位调制器等。
这些方法可用于调整激光束的模态，以获得更好的激光束质量。
1.3 波着色消除技术波着色是激光束常见的一个问题，它会导致光束发散角不均匀，降低激光束的质量。
采用波着色消除技术，如使用光栅棱镜、控制激光动态色散等手段，可以有效减弱或消除波着色现象，提高光束的质量。
2. 光束质量测量方法2.1 干涉法干涉法是一种常用的测量激光束质量的方法。
它基于干涉现象，通过观察干涉图案的特征，可获得激光束的波前形貌信息。
常见的干涉法有自由空间干涉法、透镜前干涉法等。
干涉法的优点是非接触性、高精度、全场测量等，可以对激光束的质量进行全面的评估和分析。
2.2 基模分析法基模分析法是一种常用的测量激光束质量的方法。
它通过观察激光束在近场和远场的功率分布，来分析激光束的基模参数。
通过测量激光束的截面大小、散斑衍射等信息，可以得到激光束的光斑质量因子、Beam M2值等指标，从而评估激光束的质量。
2.3 能量分布分析法能量分布分析法是一种测量激光束质量的方法。
通过采用合适的能量分布检测器，比如平面照相片、CCD阵列、热像仪等，可以测量激光束的能量分布。
激光加工中光束质量的评估与提升方法研究
激光加工中光束质量的评估与提升方法研究激光加工是一种高精度、高效率的加工方法，广泛应用于各个领域。
而光束质量对激光加工的质量和效率有着重要影响。
因此，评估和提升光束质量成为了激光加工领域的研究热点之一。
首先，我们来看一下光束质量的评估方法。
光束质量一般通过光束直径、光束发散角、光束功率分布等指标来评估。
其中，光束直径是指光束在传输过程中的直径变化情况，直径越小，光束质量越好；光束发散角是指光束传输过程中的扩散情况，发散角越小，光束质量越好；光束功率分布是指光束在横截面上的功率分布情况，均匀度越高，光束质量越好。
为了提升光束质量，研究人员提出了一系列的方法。
首先，可以通过优化光学系统来提升光束质量。
光学系统的设计和调整对光束的传输和聚焦有着重要影响。
通过优化光学元件的选择、布局和调整，可以减小光束的直径变化和发散角，提高光束的均匀度，从而提升光束质量。
其次，可以通过使用高质量的激光器来提升光束质量。
激光器是产生激光光束的核心装置，其光束质量的好坏直接影响到整个激光加工系统的质量。
目前，研究人员已经开发出了一系列高质量的激光器，如固体激光器、光纤激光器等。
这些激光器具有较小的发散角、较高的功率稳定性和较好的光束均匀度，可以有效提升光束质量。
此外，还可以通过优化激光加工参数来提升光束质量。
激光加工参数包括激光功率、激光脉冲宽度、激光频率等。
通过合理选择和调整这些参数，可以使光束在加工过程中保持较好的质量。
例如，在激光切割过程中，适当增加激光功率和减小激光脉冲宽度，可以提高切割质量和速度。
最后，可以通过使用优化的光束传输系统来提升光束质量。
光束在传输过程中容易受到热效应、衍射效应和非线性效应等的影响，从而导致光束质量的下降。
通过使用优化的光束传输系统，可以减小这些效应的影响，提高光束的质量。
例如，可以采用自适应光学技术来实时调整光束的相位和振幅，以补偿传输过程中的相位畸变和振幅衰减，从而提升光束质量。
总之，激光加工中光束质量的评估和提升是一个复杂而重要的问题。
激光束参数测量
激光束参数测量实验报告课程名称姓名学号一、实验名称：光束参数的图像测量二、实验目的1.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；2.掌握高斯光束理论；3.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，又能实时观察。
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已超出了其量程。
如果光束图像中出现白色，则表示光强已快接近饱和，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z1和z2测得光斑半径为w1和w2，则2120z z f w f πλ-==（1）由此二式通过数值求解求出光腰半径0w 或共焦参数f ，式中λ为激光波长。
求出共焦参数后，发散角由下式求出θ=（2） 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1. 拍摄并采集He-Ne 激光束光强分布图像；2. 测量光斑半径，观察光强三维分布；3. 计算公焦参数。
激光光束质量评价及测量方法研究
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）（博士学位论文题目）国防科学技术大学研究生院Study of Evaluating and Measuring LaserBeam QualityCandidate：He YuanxingSupervisor：Prof. Jiang WenhanProf. Li XinyangA dissertationSubmitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineeringin Optics EngineeringGraduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.ChinaOctober，2012目录目录 (I)表目录 (VI)图目录 ................................................................................................................... V II 摘要 . (i)Abstract (iii)第一章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 常见的激光光束质量评价指标 (3)1.2.1聚焦光斑尺寸和远场发散角 (4)1.2.2光束传播因子M2 (4)1.2.3峰值斯特列尔比 (4)1.2.4环围能量斯特列尔比 (5)1.2.5环围能量比 (5)1.2.6光束传输因子 (5)1.2.7光束质量β因子 (6)1.2.8评价指标小结 (6)1.3 激光光束质量测量的主要方法 (7)1.3.1扫描法 (7)1.3.2感光法 (10)1.3.3烧蚀法 (10)1.3.4阵列探测法 (10)1.3.5近场反演远场方法 (11)1.4 论文研究内容及研究意义 (12)第二章基础理论介绍 (14)2.1 经典标量衍射理论 (14)2.1.2柯林斯公式 (16)2.1.3圆环形平面光束的夫朗和费衍射 (17)2.1.4方环形平面光束的夫朗和费衍射 (19)2.2 畸变光束波像差的描述方法 (20)2.2.1波像差的泽尼克多项式描述 (20)2.2.2大气湍流随机相屏的产生方法 (23)2.3 本章小结 (24)第三章激光光束质量评价方法研究 (25)3.1 光束传输因子M2适用性分析 (25)3.1.1稳定腔高斯光束 (25)3.1.2非稳定腔环形光束 (27)3.1.3多路高斯光束的合成光束 (27)3.2 激光光束质量评价指标关键问题分析 (29)3.2.1理想参考光束和规范桶（规范能量比）的惯用取法 (29)3.2.2理想参考光束的选择问题探讨 (30)3.2.3规范桶（规范能量比）的选择问题探讨 (34)3.3 激光系统性能评判的核心特征量 (35)3.3.1现有评价激光远场能量集中度指标存在的问题 (35)3.3.2激光系统核心特征量 (37)3.3.3不同激光系统间性能优劣评判 (37)3.4 本章小结 (44)第四章激光通过大气湍流介质的远场传输计算方法 (45)4.1 激光通过大气湍流介质远场传输问题的理论计算 (45)4.1.1激光传输系统调制传递函数及远场光强分布模型 (45)4.1.2截断高斯光束通过大气湍流的远场传输计算 (48)4.1.3圆环形光束通过大气湍流的远场传输计算 (49)4.2.1残留相位结构函数 (53)4.2.2截断高斯光束的相位补偿效果分析 (55)4.2.3圆环形光束的相位补偿效果分析 (58)4.2.4圆环形光束的远场长曝光和短曝光光斑质量的定标关系 (61)4.3 高斯光束通过大气湍流远场传输的最优截断分析 (64)4.4 总系统与分系统间光束质量关系的一点讨论 (68)4.4.1总系统与分系统间光束质量的关系 (68)4.4.2一个简单的验证例子 (71)4.5 本章小结 (72)第五章基于CCD相机测量激光光束质量的误差分析 (74)5.1 光束质量评价参数计算公式 (74)5.2 光束质量评价参数测量误差源 (76)5.3 光束质量评价参数测量误差公式 (76)5.3.1光束质量评价参数测量系统误差 (77)5.3.2光束质量评价参数测量随机性误差 (78)5.3.3光束质量评价参数测量总误差 (79)5.4 计算光束质量评价参数的阈值方法 (80)5.5 计算结果及阈值选取 (82)5.5.1光束质量评价参数测量误差仿真计算模型 (82)5.5.2理论和仿真计算结果 (85)5.5.3阈值的选择 (88)5.6 本章小结 (91)第六章CCD光电响应非线性特性的标定方法及其对远场测量的影响分析 (93)6.1 标定方法理论依据 (94)6.2 CCD光电响应特性的实验标定 (95)6.2.1光栅标定系统结构 (95)6.2.3标定方法和步骤 (97)6.2.4实验标定结果及分析 (98)6.3 CCD光电响应非线性特性对激光远场参数测量的影响 (100)6.3.1仿真模型建立 (101)6.3.2 CCD光电响应非线性饱和效应的影响分析 (103)6.3.2 CCD存在响应“死区”的影响分析 (105)6.3.4 CCD存在响应“死区”和不存在“死区”的比较 (106)6.3.5消除和减小CCD非线性响应影响的方法 (108)6.4 本章小节 (109)第七章基于多焦斑重构原理的激光远场测量方法研究 (112)7.1 拓展CCD测量动态范围的方法概述 (112)7.2 基于衍射光栅分光特性的激光远场测量方法研究 (114)7.2.1方法基本原理 (114)7.2.2方法适用性分析 (117)7.2.3泽尼克像差对应远场光斑的重构仿真 (123)7.2.4测量方法的实验验证 (129)7.3 基于正交光楔分光特性的激光远场测量方法研究 (135)7.3.1方法基本原理 (135)7.3.2方法验证模型 (137)7.3.3测量方法的实验验证 (138)7.4 拓展CCD测量动态范围上限的讨论 (144)7.5 本章小结 (145)第八章总结与展望 (147)8.1 本论文的主要研究内容和结论 (147)8.2 本论文的主要创新点 (149)8.3 后续工作展望 (150)参考文献 (153)作者在学期间取得的学术成果 (161)表目录表2. 1零级衍射角半径 (18)表2. 2一级衍射环角半径 (18)表2. 3二级衍射环角半径 (19)表2. 4中心衍射暗环角半径 (20)表2. 5泽尼克多项式排布方式（n≤10） (21)表3. 1 v=0时不同发射环数相干合成光束BPF值 (34)表3. 2 不同理想光束在规范桶半径及规范能量比 (35)表3. 3影响激光系统最终性能的因素 (36)表5. 1 CCD探测噪声源及其统计特性 (76)表5. 2不同环境背景光噪声对应的最优阈值 (89)表5. 3不同CCD背景暗电平对应的最优阈值 (89)表5. 4不同CCD读出噪声对应的最优阈值 (90)表6. 1光栅参数 (97)表7. 1仿真参数 (124)表7. 2两套激光远场测量系统参数对比 (131)图目录图2. 1平面光瞳的衍射示意图 (14)图2. 2圆环形平面光束的夫朗和费衍射花样沿径向的分布 (18)图2. 3方环形平面光束的夫朗和费衍射花样沿x方向的分布 (20)图2. 4各阶泽尼克像差示意图（n≤7） (22)图3. 1低阶拉盖尔-高斯光束所对应的远场PIB曲线 (26)图3. 2六路基模高斯光束合成光束的近场和远场光强分布 (28)图3. 3相干合成和非相干合成光束远场PIB曲线比较 (28)图3. 4不同类型单路激光束的远场环围能量（PIB）曲线 (31)图3. 5相同孔径大小的截断高斯光束和均强平面光束的远场PIB曲线比较 (31)图3. 6截断高斯光束T BPF随截断系数的变化 (32)图3. 7截断高斯光束远场PIB曲线 (32)图3. 8合成激光的空间布局 (33)图3. 9相干合成光束与均强平面光束远场PIB曲线比较 (33)图3. 10不同类型理想光束的远场环围能量曲线及环围平均能量密度曲线。
激光束质量分析技术的操作指南
激光束质量分析技术的操作指南激光技术在现代社会中扮演着重要的角色，如激光器、激光切割、激光治疗等应用。
然而，激光束的质量对于许多应用而言至关重要。
激光束质量分析技术的操作指南旨在帮助用户了解如何评估激光束的质量，以便更好地利用激光技术。
1. 基本概念和术语在开始操作指南前，我们先来了解一些基本的概念和术语。
激光束质量通常指的是激光束的空间分布和光束参数之间的关系。
常见的术语包括光斑大小、发散角度、光束质量因子等。
熟悉这些术语将有助于更好地理解和分析激光束质量。
2. 实验装置和测量方法接下来，我们将介绍一些常见的实验装置和测量方法，用于激光束质量的评估。
①光强分布测量：这是最简单和最常用的方法之一，通过将光束放置在一个光敏探测器上，测量不同位置的光强。
根据测量结果，可以得到激光束的强度分布情况。
② M²测量：M²是用来描述激光束质量的一个重要参数。
可以通过使用一些专用设备，如M²仪器或电子屏幕，测量激光束在水平和垂直方向上的发散角度，从而计算出M²值。
③傅里叶变换方法：通过将激光光斑转换为频率域的光谱，可以得到激光束的频谱信息。
通过分析激光束光谱的形状和频谱宽度，可以评估激光束的质量。
3. 实际操作和注意事项在进行激光束质量分析时，有一些实际操作和注意事项需要注意。
①预热激光器：对于连续工作的激光器，预热是必须的，以确保激光器稳定工作。
预热时间通常为几分钟到十几分钟。
②定期校准仪器：仪器的准确性对于激光束质量分析至关重要。
定期校准仪器以确保测量结果的可靠性和准确性。
③数据分析和结果解读：在测量完成后，对测量数据进行合理的分析和解读是重要的。
根据所需的激光束质量指标，评估测量结果是否符合要求，并提出必要的改进措施。
4. 应用和发展趋势激光束质量分析技术的应用不仅局限于激光器本身，还可以应用于激光加工、激光切割、光学通信等领域。
随着技术的发展，越来越多的创新测量方法和仪器被提出，以适应不同应用场景的需求。
激光光束质量分析实验
激光光束质量分析实验1.1实验目的随着激光应用领域的不断拓展，激光的许多应用已经从最初的创新性工艺研究转变为标准的应用技术，由此相应带来激光参数的标准化问题。
在所有的激光参数中，激光束的光束质量处于相当特殊的地位。
一方面，几乎所有的实际应用都涉及光束参量，另一方面，对光束质量的定义又始终未统一标准。
1988年，A. E. Siegman 利用无量纲的量——光束质量M 2因子较科学合理地描述了激光束质量，并由国际标准组织采纳(ISO11146)。
M 2因子克服了常用的光束质量评价方法的局限，对激光光束的评价具有重要意义。
本实验通过对激光光束参数（束腰半径、远场分散角（半角））的实际测量而获得对光束质量（以M 2因子为评价指标）的感性和理性认识。
1.2 实验原理1.2.1 M 2因子简介M 2因子是与激光光束横向分布的模阶数相关的参数，其定义为2000M m mw w θθ=（1） 式中 w m0和w 0分别为被测实际光束和理想高斯光束的束腰宽度（半宽度，束宽按二阶矩定义），θm 和θ0分别为被测实际光束和理想高斯光束的远场发散角（半角）。
光束的束腰宽度和远场发散角的乘积也称光束参数乘积，所以 M 2因子的物理意义为实际的光束参数乘积与理想高斯光束的光束参数乘积之比。
对于理想高斯光束，容易得到00w λθπ=（2） λ为激光波长。
可以证明，束宽以二阶矩定义时，有2M 1≥（3）式中的等号只有对理想高斯光束成立，其他任意光束的M 2因子均大于1。
M 2因子越大，则在相同束腰宽度条件下远场发散角越大，光束质量也就越差。
M 2因子采用理想高斯光束作为参照比较标准，其值定量反映了被测光束的光束质量乘积偏离理想高斯光束的光束参数乘积的程度。
M 2因子不适合于评价高能激光的光束质量，高能激光的谐振腔一般是非稳腔，输出的激光光束不规则，将不存在“光腰”，而且，对于能量分布离散型的高能激光光束，由二阶矩定义计算得到的光斑半径和实际相差很远，得到的M 2因子误差将会很大。
激光光束分析实验报告讲解
激光光束分析实验报告讲解标题：激光光束分析实验报告摘要：本实验使用激光光束分析仪对激光光束进行分析。
通过调节仪器中的参数，可以测量光束的直径、散焦距离和光束质量因子等指标。
实验结果表明，光束的直径和散焦距离与物距和物像距之间呈线性关系，光束质量因子则与焦距成反比关系。
这些结果对于激光器的设计和优化具有重要意义。
关键词：激光光束分析仪；光束直径；散焦距离；光束质量因子；线性关系；反比关系1.引言激光技术在现代科学和工程领域中具有广泛的应用。
在许多应用中，对激光光束的直径、散焦距离及光束质量因子等指标的准确测量和分析非常重要。
激光光束分析仪是一种专门用于测量和盘点激光光束特性的仪器。
本实验旨在通过实际测量和分析，深入研究和了解激光光束的性质和特点。
2.实验原理3.实验步骤(1)将激光光束分析仪连接到激光器上，并调整仪器参数使光束与仪器对齐。
(2)移动测量位置，用纤维收集光束，并通过分析器测量光束直径。
(3)在同一测量位置上移动透镜，测量光束的散焦距离。
(4)根据测量数据计算光束质量因子。
4.实验结果与分析通过实验测量得到的数据可以得出以下结论：(1)光束的直径与物距和物像距之间呈线性关系。
即当物距和物像距增加时，光束的直径也随之增加，这符合光学基本原理。
(2)光束的散焦距离与物像距之间呈线性关系。
即当物像距增加时，散焦距离也随之增加。
这说明光束在传播过程中会发生散焦现象。
(3)光束的质量因子与焦距成反比关系。
即焦距越小，光束质量因子越大。
这对于激光器的设计和优化具有重要意义。
5.实验结论通过本实验的测量和分析，我们可以得出以下结论：(1)光束的直径和散焦距离与物距和物像距之间呈线性关系。
(2)光束的质量因子与焦距成反比关系。
这些结论对于激光器的设计和优化具有重要的意义，并且为激光技术在各个领域的应用提供了重要的参考。
激光光束分析实验报告
激光光束分析实验报告部门： xxx时间： xxx整理范文，仅供参考，可下载自行编辑激光光束分析实验报告引言1960年，世界上第一台激光器诞生。
激光作为一种相干光源，以其高亮度、高准直性、高单色性的优点，一直在各种生产和研究领域发挥着重要的作用。
b5E2RGbCAP虽然激光具有上述优点，然而严格地说，激光并不是平面光束，而是一种满足旁轴近似的旁轴波。
由稳定谐振腔发出的激光束大多为高斯光束，其主要参数为光束宽度、光束发散角和光束传播因子。
由于这几个参数不同，不同激光束的质量也就有了差别，因此就需要制定评价光束质量的普适方法。
常用来评价光束质量的因子有：衍射极限倍数因子、斯特列耳比、环围能量比、因子和因子的倒数K因子<通常称为光束传播因子）。
其中因子为国际ISO组织推荐的评价标准，也是我们在实验中采用的评价标准。
p1EanqFDPw因子的定义为：其中为实际光束束腰宽度，为实际光束远场发散角。
采用因子时，作为光束质量比较标准的是理想高斯光束。
基模(模> 高斯光束有最好的光束质量，其，可以证明对于一般的激光光束有。
因子越大，实际光束偏离理想高斯光束越远，光束品质越差。
当高斯光束通过无像差、衍射效应可忽略的透镜、望远镜系统聚焦或扩束镜时，虽然光腰尺寸或远场发散角会发生变化，但光束宽度和发散角之积不变，是几何光学中的拉格朗日守恒量。
DXDiTa9E3d实验原理如图选定坐标系。
设光束的束腰位置为，束腰直径为，远场发散角为。
为了简化问题，假设光束关于束腰对称，则可求出传播轴上任一垂直面上的光束直径。
光束传播方程的一级近似为：RTCrpUDGiT光束的因子为：其中n为传播介质折射率，为光束波长。
对于束腰宽度和远场发散角，可用如下方法测得。
本实验中，我们采用的CCD能够测量在柱坐标系中传播轴上任一垂直面上的光束能量密度函数。
由于能量密度函数关于传播轴中心对称，故在分布函数中没有自变量。
对于高斯光束，可以证明：5PCzVD7HxA其中：因此只要测出能量密度函数就可以求出传播轴上任一垂直面上的光束直径。
【doc】强激光远场光束质量参数的测试
强激光远场光束质量参数的测试第23卷第1期2011年1月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSV o1.23,NO.1Jan.,2011文章编号:lOOl4322(2011)010087—05强激光远场光束质量参数的测试叶征宇,宋海平.,王龙.,王涛涛,于彦明,吕跃广.,王智勇,蒋毅坚(1.北京工业大学激光工程研究院,北京l00124;2.中国北方电子设备研究所,北京100083;3.中国北方车辆研究所,北京100072)摘要:提出漫射红外成像多点标校测量方法,用于测量强激光远场光束质量参数.在激光远场距离处设置漫反射靶板,用成像探测器摄取经靶面漫射的脉冲强激光光斑图像;在靶面中心处挖小孔,孔后放置能量探测器实时测量激光脉宽和峰值功率.同时对整个激光光斑图像进行能量定标,进而得出远场脉冲强激光的实际空间能量/功率分布,总能量,以及相应的光束质量参数.应用该测量方法,对高能TEACO!激光进行测量研究,测得其远场光束截面半径为8o.2mm.发散角为1.55mrad.关键词:红外漫射成像;多点标校;脉冲强激光;光束质量;远场光斑中图分类号:TN24文献标志码:Adoi:10.3788/HPLPB20112301.0087在高能强激光的应用中,激光的作用效果主要取决于传输到目标上的功率密度,而功率密度分布不仅与激光输出功率有关,更与激光光束质量有着密切的关系.常采用的激光束光束质量评价参数有光束远场发散角,焦斑尺寸,衍射极限倍数因子,M.因子,斯特列尔(Streh1)比和环围功率比等.对于高能强激光的应用,实际关心的是激光到达远场时的能量分布状态,即激光远场能量能否尽量多地集中在应用所需的光桶尺度内,这种情况下光束质量的本质是远场焦斑上的能量集中度,因此,以远场光斑半径,发散角,光斑强度分布和总能量作为评价参数是比较客观的.国内外对高功率激光器远场靶目标处光束质量的测量研究较多l2],但这些远场光束质量测量方法都存在光斑捕捉不全,即不能大光斑进行测量的局限,而且对于能量相对较弱的高能激光,对单脉冲能量的响应不够甚至无法响应,要想提高系统测量动态范围,相应的成本将增加很多.综合各方因素考虑,本文提出采用漫射红外成像一多点标校的测量方法来测量远场激光光束质量,利用自主开发的光斑分析处理系统,测量远场靶目标处的激光光束质量参数.该方法对激光光斑测量直径不受限制,可对远场大光斑(m级)进行测量,还可获取光斑图像的细部特征,捕获脉冲激光的瞬态特征,进行动态在线测量,单脉冲总能量测量等.1实验装置研究采用的实验装置图如图1所示,先将激光光斑照射到设立于远场的漫反射靶面,再通过非制冷红外焦平面热像仪(工作波段8～14m)摄取脉冲TEACO.激光光斑图像,并在靶面中心区域挖小孑L,孔后放置快响应能量探测器(HgCdZnTe探测器),实时动态测量激光脉宽和峰值功率,然后对激光光斑图像进行能量定标,进而得出远场靶目标处脉冲CO.激光的实际空间能量/功率分布,总能量以及相应的光束质量参数.采用多晶硅非制冷红外焦平面阵列器件作为成像元件,其等效噪声温差(NETD)≤120mK,像元数为320×240,响应波段为8～14ptm,场频为50Hz.其积分时序图如图2所示,其中MC,TMC,SORTIC,INT,RESET分别是主时钟,主时钟周期,模拟输出信号,积分信号和复位信号.Fig.1Schematicillustrationofexperimentalsetup图1实验装置示意图*收稿日期:20090917;修订日期:2010-0331基金项目:新世纪优秀人才支持计划作者简介:叶征字(1963一),男,高级工程师,博士研究生,研究方向为光电探测,激光探测测量技术;***************.cn.88强激光与粒子束第23卷Ir～IllllTMC≤integrationtime~<320TM一(period>/340TMC_''-rIl^integrationofrow11"6…………IllL若I~LIUIrow3』rowreadoutduration320TMC—I185TMC:】!Lr=1'{,ri.'.…,……+f….,'An一一;…^r1,,—～1一…一一一一rFig.2Timingdiagramofintegrationofuncooledinfraredfocalplanearry图2非制冷红外焦平面探测器积分时序图图3所示为整光斑,半光斑图像.可以看出,这种红外焦平面热像仪不能对高速和瞬态(持续时间<20ms)现象完整成像,为此,采用激光发射同步技术,保证了脉冲CO激光光斑的完整稳定获取.(a)wholelightspot【b)haltlightspotFig.3WholearidhalfspotbitmapsofpulsedCOzlaser图3整光斑和半光斑图像为获得高能激光到达远场时的能量集中度和能量密度分布,测得实际激光脉冲的能量值,必须对光斑图像进行能量定标,即用能量探测器的功率值对整个光斑图像的灰度值进行标定.能量探测器选用探测灵敏度高(探测率3×10cm?Hz"?W),响应速度快(响应时问1ns),可靠性高和可以在室温下工作的HgCdZnTe光电导探测器.HgCdZnTe探测器接收到光脉冲后,经光电转换输出电压信号,电压信号与入射光强之间存在一定的标量关系,即探测器接收到的辐射能量应正比于激光脉冲波形包络面积(比例因子为K),可通过实验测得,实验装置如图4所示.首先,在激光器出光口处放置一可变光阑,通过改变光阑孔径,使得通过光阑的光脉冲接近平面波,近似认为通过光阑的光脉冲为均匀辐照光波.然后,在可变光阑后放置分光镜监测激光脉冲能量值,以获取激光脉冲的实时真实能量值.Fig.4Experimentsetupofdetectorcalibration图4探测器标定实验装置接着,光束经可变衰减后照射到探测器表面,探测器将光脉冲信号转换为电信号,输入虚拟示波器,虚拟示波器与计算机之间通过USB口连接,经软件处理后,最终得出激光脉冲波形,即K一詈一㈩式中:P为探测器表面能量密度;S为激光脉冲波形包络面积;是为分光镜分光比;P.为能量计监测能量值;S.为探测器感光面积;为可变光阑通光孔径;为可变衰减分贝数.对包络中各采样点进行积分求和,可求得第1期叶征字等:强激光远场光束质量参数的测试89激光脉冲波形包络面积'S一∑r(2)i—l式中:r为采样间隔;N为采样数;为各采样点处的电压值.实验中,分光比是一1/17.36,光阑通光孔直径一5.51mm,S.===1mm,采样间隔r一10ns.分别对3个HgCdZnTe探测器进行标定的实验结果如图5所示.(v?ns)5/(v'ns)"v'ns)Fig.5CalibrationresultsofthreeHgCdZnTedetectors图5HgCdZnTe探测器的标定结果采集到激光光斑图像后,采用图像处理技术进行处理分析,得到了光脉冲在空间某个截面的相对光强分布.为了得到实际光强分布,需要对光斑图像进行能量定标.激光辐照后,设光斑图像中点能量探测器位置处的灰度值为H…能量探测器测得的脉冲包络面积为s,若入射光功率与光斑图像中对应位置的灰度值成线性关系,则根据式(3)可以推算出光斑内任意点处的脉冲包络面积,进而得出任意点处的能量值.S===H(3)式中:H,为光斑图像中坐标为(i,)点处的灰度值.然后对整个光斑图像积分,即可得出单个光脉冲的总能量值和实际光强分布,即一Hf4)H在成像器件热像仪设置保持不变,即光圈,焦距,增益一定的前提下,改变激光输出功率,以验证功率/灰度的线性关系.实验结果如图6所示,脉冲包络面积正比于激光功率值,线1和线2分别对应不同光圈,增益条件下,点能量探测点处的灰度值和峰值电压对应关系.由于测量过程的不同时性,必然加入许多复杂的客观因素,如成像器件的增益不同,光圈的微小变化等,这grayvalueFig.6RelationbetweenC()2laserpulseenvelopeareaandgrayvalue图6COz激光脉冲包络面积与图像灰度值关系图也可能带来能量值测量误差.线性关系的成立还需要其它依据,光斑图像中不能出现饱和点或是饱和点尽量很少,最高灰度值应处于亚饱和状态,且不能使最高灰度值过低,若最高灰度值过低,无形中降低成像器件的动态范围.2实验及结果2.1光斑图像处理由于非制冷热像仪自身噪声较强,在对光斑图像处理时,采用中值滤波技术,很好的消除了图像中的孤立噪声点,并保证了滤波后各区域的轮廓仍比较清晰.采用图像增强技术(伪彩色编码显示),突出和增强图像信息,提高人眼对图像的分辨能力.通过这些技术,对光斑图像内部细节进行分析,可以得出激光光斑的相对光强分布,采用边缘检测技术,对每个光斑的轮廓进行提取,可以直观地看出不同的光斑外部形态的变化,如图7所示.9O强激光与粒子束第23卷(a)medianfiltering(b)imageenhancement(c)edgedetectionFig.7Measuredfar—fieldspotimagesandreal—timewaveformofCO2laser图7CO.激光远场测量光斑图及实时波形图2.2光斑质心和半径测量利用计算一阶距算法来描述光斑的质心位置,通过连续时间内光斑质心的计算可得出光束瞄准精度和稳定度.图8是计算给出的TEACO激光器远场47m处光斑质心位置曲线,是连续时间段内的单次触发脉冲的抖动曲线.激光光斑的远场光斑半径采用1/e算法来描述,以光斑质心(一阶距)为原点,以r.为半径选取一个圆形区域,有rf.I(rc.s,,.sin)rdrdO1-——————一一一869.5/(5)?uu\/II(rcosO,rsinO)rdrdOeLJ0J0当满足式(5)时,即定义为远场光斑半径.2.3总能量测量sFig.8MasscentercoordinatesofC()2laser图8COz激光光束质心坐标曲线高能TEACO激光器一般采用非稳腔结构,其工作机制决定了输出光脉冲的不稳定性.在该系统中,采用虚拟示波器,对激光脉冲波形进行实时测量,依据测得的波形包络面积,得出单点对应的功率值,进而解算单脉冲总能量值.图9为经过解算处理后得到的不同时刻的波形图.毛21pulsewidth:680ns一l23●:t/gs123t/ttsFig.9PulsewaveformsofTEAC02laseratdifferenttime图9不同时刻TEACO.激光脉冲波形图实验中,利用中国科学院电子学研究所研制的大功率TEA脉冲CO激光器作为被测激光源.该激光器出光口能量值在1.4～1.6J之间,稳定度优于95.在远场,距离激光器出光口47rn处对直接输出的脉冲激光进行了实际测量,测得光束截面半径约为8O.2mm,远场发散角约为1.55mrad,表1为连续10次测量给出的单脉冲能量值,总能量值在1.O～1.5J之间.3结论本文提出的红外漫射成像多点标校法解决了脉冲强～.123.tius表1在47m处测得TEAC02激光器单脉冲能量值Table1Singlepulseenergymeasuredat47inawayfromTEAC02lasernumberenergy/Jnumberenergy/J11.43861.46721.OO471.40131.44781.1l241.13391.O1551.2191O1.173320A,.∞要oA第1期叶征字等:强激光远场光束质量参数的测试91激光远场大光斑光束质量参数的测试需求,得出了激光束的远场光斑强度分布,光斑质心,光斑半径,发散角和总能量等参数.通过对成像探测器件和标定探测器的扩展,可将测量波长扩展其它波段或者是混合波段,如Y AG激光器或光纤激光器的1m左右波段,高光束质量半导体激光器的808~980m 波段.但是从总测量结果可以看出,本系统对远场光斑总能量的测量存在较大误差.参考文献:[1]杜祥琬.实际强激光远场靶面上光束质量的评价因素EJ].中国激光,1997,24(4):327—332.(DuXiangwan.FactorsforevaluatingbeaITI qualityofarealhighpowerlaseronthetargetsurfaceinfarfield.ChineseJournalofLasers,199 7,24(4):327—332)E2]侯再红,吴毅,汪超.旋转式激光光斑测试仪[J].强激光与粒子束,2002,14(3):334—336.(HouZaihong,WuYi,WangChao.Deviceof rotationalarraydetectorforlaserfacula.HighPowerLaserandParticleBeams,2002,14(3):3 34336)[3][4]宋海平,叶征字,柯常军,等.非制冷焦平面热像仪获取脉冲C02激光光斑研究[J].激光与红外,2004,34(3):203—205.(SongHaiping,Y eZhengyu,KeChangjun,eta1.Studyoncapturinghigh—serandInfrared.2004,34(3):203205)刘泽金,陆启生,赵伊君.高能非稳腔激光器光束质量评价的探讨[J].中国激光,1998,25(3):193—196.(IiuZejin,IuQisheng,ZhaoYi—jun.Studyofevaluatingbeamqualityofhighenergylaserswithunstableresonators.ChineseJ ournalofLasers,1998,25(3):193—196) MeasurementoffarfieldbeamqualityparametersofhighpowerlaserY eZhengyu～,SongHaiping.,WangLong,WangTaotao..YuY anming.L{1Yueguang..WangZhiyong.JiangYijian(1.InstituteofLaserEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022.China2.NorthChinaInstituteofElectronicEquipment,Beijing100083,China;3.ChinaNorthV ehicleResearchInstitute,Beijing100072,China)Abstract:Thispaperproposesaninfrareddiffusionimagingandmulti—pointcalibrationmethodtomeasurethefar-fieldbeam qualityparametersofthehigh—powerlaser.Thehighenergypulselaserspot'simagesareobtainedwithanimagingdetectorby layingthediffusereflectiontargetinfarfield.Thepulse—widthandpeakpowerofthelaseraremeasuredusinganenergydetector whichisputbehindaholeatthecenterofthetargetplane.Accordingtotheenergycalibrationof thelaserspot'simages,theen—ergyandpowerdistribution,thetotalenergyandthecorrespondingbeamqualityparameterso fthefarfieldhigh—energypulse1a—serbeamareattained.Thismethodhasbeenappliedtomeasuringtheparametersofahigh—energyTEACO2laser.Themeasuredcrosssectionradiusoffar—fieldbeamwas8O.2mmandthedivergenceanglewas1.55mrad. Keywords:infrareddiffusionimaging;multi—pointcalibration;high—energypulsedlaser;beamquality;farfieIdbeamspot。
激光光束质量参数测量的实验研究讲解
第24卷第6期2000年12月激光技术LASERTECHNOLOGYVol.24,No.6December,2000激光光束质量参数测量的实验研究赵长明(北京理工大学光电工程系,北京,100081)摘要:采用CCD系统实验测量了LD泵浦Nd∶YAG激光器的光束质量参数,研究了CCD系统的背景噪声特性和积分区域选取对光束质量参数测量的影响,从实验数据中得到以下结论:(1)在有、无背景光两种条件下,背景记数强烈地依赖于曝光时间和像素的合并,温度影响可以忽略不计;(2)为获得M2合理的测量结果,至少要选择5%积分区域。
关键词:M2因子CCD摄像机光束质量InvestigationontheexperimentalmeasurementoflaserbeamqualityZhaoChangming(Dept.ofOpticalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing,100081) Abstract:ThebeamqualityofaLDpumpedNd∶YAGlaserismeasuredwithCCDcamerasyst em. ThebackgroundcharacteristicsoftheCCDsystemandtheinfluenceofthesizeofintegralboxup onmeasurementresultsareinvestigated.Thefollowingconclusionscanbederivedformexperi mentalresults:(1)Backgroundisstronglydependuponexposuretimeandpixelbinning,whilet emperaturehasanignorableeffectuponit,whetherwithorwithoutambientlight.(2)A5%2cuti stheminimumvalueinordertogetareasonableresult.Keywords:M2factor CCDcamera beamquality引言激光光束质量参数,即M2因子的测量是近几年研究的一个热点。
(完整word版)激光光束分析实验报告讲解
激光光束分析实验报告引言I960年，世界上第一台激光器诞生。
激光作为一种相干光源，以其高亮度、高准直性、高单色性的优点，一直在各种生产和研究领域发挥着重要的作用。
虽然激光具有上述优点，然而严格地说，激光并不是平面光束，而是一种满足旁轴近似的旁轴波。
由稳定谐振腔发出的激光束大多为高斯光束，其主要参数为光束宽度、光束发散角和光束传播因子。
由于这几个参数不同，不同激光束的质量也就有了差别，因此就需要制定评价光束质量的普适方法。
常用来评价光束质量的因子有：衍射极限倍数因子、斯特列耳比、环围能量比、：■二因子和匸因子的倒数K因子（通常称为光束传播因子）。
其中因子为国际ISO组织推荐的评价标准，也是我们在实验中采用的评价标准。
工：因子的定义为：远场发散韬x实际光束束腰直径TT亠M2 = ------------------------------------- = —% 0远场发散角X理想高斯光東東腰直径曲其中乩良为实际光束束腰宽度，=为实际光束远场发散角。
采用矗肚因子时，作为光束质量比较标准的是理想高斯光束。
基模1模）高斯光束有最好的光束质量，其二二可以证明对于一般的激光光束有■•-上-。
--因子越大，实际光束偏离理想高斯光束越远，光束品质越差。
当高斯光束通过无像差、衍射效应可忽略的透镜、望远镜系统聚焦或扩束镜时，虽然光腰尺寸或远场发散角会发生变化，但光束宽度和发散角之积住性於不变，马曲是几何光学中的拉格朗日守恒量。
实验原理如图选定坐标系。
设光束的束腰位置为二，束腰直径为洛「,远场发散角为二。
为了简化问题，假设光束关于束腰对称，则可求出传播轴上任一垂直面上的光束直径$/严》。
光束传播方程的一级近似为：光束的•二因子为：4入匚其中n为传播介质折射率，緞为光束波长。
对于束腰宽度和远场发散角，可用如下方法测得。
本实验中，我们采用的CCD能够测量在柱坐标系中传播轴上任一垂直面上的光束能量密度函数二•-。
由于能量密度函数关于传播轴中心对称，故在分布函数中没有二自变量。
实验报告——激光束光学特性的实验测量
实验报告一、实验题目：激光束光学特性的实验测量 二、实验内容及部分原理：测量激光束质量因子M2、光束束腰大小w0、位置z0和光束远场发散角 高斯光束在自由空间的传播满足方程（1）()1202202=-Zz wz w（1）方程（1）中， λπ2020w Z=称为瑞利尺寸或共焦参数。
沿光轴方向，任一位置z 处的光斑半径可由公式（2）描述()()2020202z z ww z w -⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=πλ （2）其中，w 0是光束的束腰半径，λ 为光波长，z 0 是束腰的位置。
激光束质量因子M 2作为评价参量， 其定义为远场发散角理想高斯光束腰束宽度远场发散角实际光束束腰宽度⨯⨯=2M（3）具体表示为 λθπ02W M=（4）其中，W 0是实际光束的束腰半径，θ 是其远场发散角。
因此，对于实际激光束，其光斑方程可以写为 ()()20204202z z WM W z W-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=πλ （5）公式（4）和（5）可以取x 和y 方向分量表达形式。
λθπλθπyy yxx xW MW M002002,==（6）()()20204202x x x xx z z WM W z W -⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=πλ （7）()()20204202yy y yy z z WM W z W -⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=πλ （8）因此，依据公式（4）或（6），M 2的测量归结为光束束腰半径W 0和远场发散角θ 的测量确定。
为了在测量中确定光束的有效宽度W ，目前多采用光功率分布的二阶矩测量法。
()()()()z z W z z W yy xx σσ2,2== （9）其中，()()z z y xσσ和称为光功率函数的二阶矩，定义为()()()()⎰⎰⎰⎰⋅-=dxdyy x I dxdyy x I x x z g x,,22σ（10）()()()()⎰⎰⎰⎰⋅-=dxdy y x I dxdyy x I y y z gy,,22σ（11）由于实际测量是逐点进行的，因此，公式（10）和（11）可变换为离散形式()()()[]()∑∑⋅-=ii i ii i gixy x I y x I x xz ,,22σ（12）()()()[]()∑∑⋅-=jj jjj j gjyy xI y x I y yz ,,22σ（13）其中，y g 是光束横截面的重心。
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第24卷第6期2000年12月激光技术LASERTECHNOLOGYVol.24,No.6December,2000激光光束质量参数测量的实验研究赵长明(北京理工大学光电工程系,北京,100081)摘要:采用CCD系统实验测量了LD泵浦Nd∶YAG激光器的光束质量参数,研究了CCD系统的背景噪声特性和积分区域选取对光束质量参数测量的影响,从实验数据中得到以下结论:(1)在有、无背景光两种条件下,背景记数强烈地依赖于曝光时间和像素的合并,温度影响可以忽略不计;(2)为获得M2合理的测量结果,至少要选择5%积分区域。
关键词:M2因子CCD摄像机光束质量InvestigationontheexperimentalmeasurementoflaserbeamqualityZhaoChangming(Dept.ofOpticalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing,100081) Abstract:ThebeamqualityofaLDpumpedNd∶YAGlaserismeasuredwithCCDcamerasyst em. ThebackgroundcharacteristicsoftheCCDsystemandtheinfluenceofthesizeofintegralboxup onmeasurementresultsareinvestigated.Thefollowingconclusionscanbederivedformexperi mentalresults:(1)Backgroundisstronglydependuponexposuretimeandpixelbinning,whilet emperaturehasanignorableeffectuponit,whetherwithorwithoutambientlight.(2)A5%2cuti stheminimumvalueinordertogetareasonableresult.Keywords:M2factor CCDcamera beamquality引言激光光束质量参数,即M2因子的测量是近几年研究的一个热点。
ISO建议的测量方法包括两维面阵探测系统或二维单元扫描系统、套孔法、移动刀口法和移动狭缝法[1]。
用以电荷耦合器件(CCD)为代表的面阵探测器件测量激光光束质量参数具有速度快、数据量大和易于计算机处理的优点,特别是对于脉冲激光的测量具有特殊的优势。
CCD器件用于定量测量存在的问题是:直流基线漂移和随机噪声。
因为基于二阶矩方法定义的束宽是以距离平方作为积分权重的,远离光束中心的随机噪声会对积分结果产生较大的影响[2],为此,测量中要适7ZhangShL,LuM,WuMXetal.OptCommun,1993;96(4):245～2488韩艳梅,张书练,李克兰1激光技术,1997;21(2):111～1149ZhangShL,LiKL,WuMXetal1OptCommun,1992;90:279～282333作者简介:李岩,男,1963年5月出生。
博士,副教授。
从事激光及光电系统的研究和光电仪器设计。
傅杰,男,1973年10月出生。
硕士研究生。
现主要从事频率分裂双频激光器技术及其应用方面的研究。
张书练,男,1945年10月出生。
教授,博士生导师,美国OSA会员。
现主要的研究领域为光学与激光,光电技术及系统的理论其应用。
收稿日期:1999209206收到修改稿日期:1999210211© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.342激光技术2000年12月当选择积分区域的大小。
一些理论研究结果给出过选择积分区域的准则[3],即以束宽的某一倍数作为积分区域,而束宽正是欲测参数。
所以,对于一个未知的待测光束如何选择积分区域,还没有可以应用的测量准则。
因此,有必要从实验上研究光束质量的测量问题。
下面报道了作者在德国柏林技术大学物理系光学研究所H.Weber教授的研究组访问期间,在激光光束质量参数测量方面的一些实验结果。
1实验装置实验是在一台LD泵浦的Nd∶YAG激光器上进行的,LD泵浦光通过光纤直接耦合到Nd∶YAG晶体上,谐振腔由镀在Nd∶YAG晶体上的高反膜和独立的输出镜构成,通过机械平移机构改变泵浦光在晶体上的位置,或通过调节输出镜,都可以获得基横模或各种阶次的高阶单横模,在大多数情况下获得的是矩形对称Fig.1Laserbeamqualityparametermeasurementexperimentalsetup的厄米2高斯模,经过仔细调整也可以获得圆对称的拉盖尔2高斯模。
光强的衰减由中性玻璃衰减片和PHO2Fig.2VarianceofbackgroundcountswithtemperatureFig.3VarianceofRMSDofback2groundwithtemperatureTON公司的可变衰减器共同完成。
CCD摄像机采用PrincetonInstruments公司的MicroMAX系统,图像的采集采用Winview软件,光束参数计算采用B.Eppich博士编写的BEAMPROF软件。
实验装置见图1。
2实验结果首先测量了不同情况下CCD摄像机的背景噪声特性。
图2为有、无背景光照射条件下,背Fig.4VarianceofbackgroundwithFig.5 VarianceofRMSDofback2景噪声记数随温度的exposuretime(15℃,568×517groundwithexposuretime(15℃,568×pixels)517pixels)变化情况。
图3为有、无背景光照射条件下,背景噪声记数的标准方差随温度的变化情况,可见,在本实验条件下,背景光并不增加背景记数及其标准方差,温度的影响亦可忽略。
图4为有、无背景光照射条件下,背景噪声记数随曝光时间的变化情况,图5为有、无背景光照射条件下,背景噪声记数的标准方差随曝光时间的变化情况,同样,背景光的影响可以忽略,而曝光时间的影响是很显著的。
图6和图7则显示了像素的合并(binning)对背景噪声记数及其方差的影响。
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第24卷第6期赵长明激光光束质量参数测量的实验研究34 3其次,测量并计算了各种模式(TEM00,donut,TEM7,0和TEM10,0)的光束质量参数。
这些实验的目的是研究如何选择积分区域的大小,以获得合理的测量结果。
实验中对同一个测量光斑选取不同大小的积分区域。
积分Fig.6Varianceofbackgroundwithbinning(15℃,100ms)Fig.7VarianceofRMSDofback2groundwithbinning(15℃,100ms)区域的选取和标记根据以下方法:使区域外的最大值是整个图像上最大值的一个固定百分比,并称其为百分之几积分区域。
Fig.8VarianceofM2withn%2cutforTEM00(15℃,100ms,1136×1034pixels)Fig.9Varianceofw0withn%2cut2forTEM00(15℃,100ms,1136×1034pixels)不加任何限制时即为零积分区域,计算中积分区域从0取到15%,观察其对光束质量参数测量的影响。
图8至图12分别显示出当积分区域改变时,对TEM00模的M2因子、束腰w0及其位置Z0、发散角θ、瑞利长度ZR的影响。
一个共同特征Fig.10Varianceofthetawithn%2cutforTEM00(15℃,100ms,1136×1034pixels)Fig.11VarianceofZ0withn%2cutforTEM00(15℃,100ms,1136×1034pixels)是:当积分区域选择过大时,上述参数均呈现剧烈变化的态势,随着积分区域的缩小,各种参数趋于稳定。
图13至图15分别显示出当积Fig.12VarianceofZRwithn%2cutforFig.13 VarianceofM2withn%2cutforTEM00(15℃,100ms,1136×分区域改变时,对环donutmode(15℃,100ms,1136×1034pixels)1034pixels)形模(donutmode)、TEM7,0模和TEM10,0模的M2因子的影响,变化趋势与TEM00模情况相同。
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.344激光技术2000年12月3讨论从图2至图5可见,背景光对背景记数及其方差没有影响,这是由于背景光比激光的功率密度低Fig.14VarianceofM2withn%2Fig.15VarianceofM2withn%2cutfor至少3个数量级,实cutforTEM7,0(15℃,TEM10,0(15℃,100ms,568×100ms,568×517pixels)517pixels)验中用衰减器选择激光束的峰值接近CCD饱和状态,此时背景光强已低于CCD探测阈值。
实验中温度的变化范围是-15℃～20℃,在此范围内温度对背景记数及其方差也没有影响,所以,实验测量中没有必要将温度设置过低。
但曝光时间对背景记数及其方差影响很大,背景记数及其方差随曝光时间增长,实验中应尽量缩短曝光时间。
像素的合并(binning)是将相邻几个像素相加,可以起到平滑的作用,同时也将显著地增加背景记数及其标准方差。
对于待测的激光束,M2因子的真值是未知的;对于M2因子测量仪器的准确性,目前还没有公认的检测方法。
实验测量中通过选择不同的积分区域大小,视其对M2因子的影响,以便找出合适的积分区域,在此区域内,测量结果应保持稳定,不随积分区域的变化而剧烈起伏。
从图8可见,对TEM00,模当积分区域改变时,其M2因子可从3.0变化到1.0,而理论值应为1.0,表明积分区域的选取对于获得合理测量结果是非常重要的。
对束腰w0及其位置Z0、发散角θ、瑞利长度ZR的测量表现出共同特征。
对环形模(donutmode)、TEM7,0模和TEM10,0模的测量也显示出相同的变化趋势。