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

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

212

0z 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。

六、实验步骤

1．实验前盖紧CCD 相机盖子，打开激光器的电源开关；

2．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； 3．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；

4．启动软件，打开CCD 相机盖子；

5．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； 6．改变平台位置，重复测量光斑直径，直到平台不能移动为止；

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 为当前测试的光斑半径的测量值（按照最大值的1/e 计算）；mean 为光斑半径的测量值（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matlab 中的solve 函数和公式：

)(][02

0222

0210ωωωωωλ

πωf z =--

-=

?

再利用其它公式计算共焦参数和发散角。

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

二次项拟合的情况：

（ii）Y方向：直线拟合的情况

二次项拟合的情况：

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:

2

201)(f

z z +

=ωω λ

πω20

=

f

2

22

1))((f

z z +

=ωω λ

πωωωωω20

2

1

2

2

1

2

.

)1))(((

.)1))(((

-=-=z f z z

]1)(

1)([||2

22

120

21--

-=

-ωωωωλ

πωz z 即

)(][02

02

22

02

10ωωωωωλ

πωf z =--

-=

? 以01

.0|)

()(|

00<+?-?ωωf z f z 为判

据，求解光腰半径和发散角。上表中已经填入的0ω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（已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：

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0.7~1.1mrad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。2、使用了衰减片，将激光器输出光激光功率密度（一般比较高）衰减至CCD量程范围，利于测量，同时保护CCD探测器。

2、在利用图像灰度值进行光束半径测量时，为何进行高斯拟合？依据是什么？

答：根据激光原理的基本知识，对于基模高斯光束，我们知道，光强在横截面内的分布函数为高斯函数，而我们使用的He-Ne激光器工作模式应该在基模模式（个人推测，而且通过测量，X、Y方向上的光腰半径基本相当，光斑也基本可以认为是圆形，所以可以认为工作在基模状态），所以，我们在利用图像灰度值进行光束半径测量时，要进行高斯拟合，依据就是光强在横截面内的分布函数为高斯函数，也方便我们测量计算。