（光学工程专业论文）光束质量分析软件与系统实现.pdf

r 一 r0 。j ：s _ ! 二 l ， i i ii i ii iiiiiii i iiii i l ? y 17 13 5 8 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我二同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丝憋日期：砷年，月护 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 豁鲤醺鄂签名後型 日期：加细年夕月刁e t i l - 摘要 摘要 激光的应用和激光光束本身的特征有密切关系。高阶模光束的能量分布相对 分散，而基横模高斯光束则相对集中，而且规律简单，易于应用。因此，在实际 生产和科研中基横模高斯光束的应用更为广泛。然而，不同激光器产生的高斯光 束的质量参差不齐，有些参数很大程度上影响着光束的应用，比如光斑的有效截 面半径，远场发散角，束腰半径等。因此，人们需要一种测量光束质量参数的方 法。传统的测量方法效率低，精度差，本论文提出的利用计算机软件和c c d 测量 光束质量的方案解决了这一问题。 本论文首先阐述了本课题研究的背景和意义，以及本课题所依赖的理论基础， 如高斯光束传播理论、c c d 的结构及原理等。然后本论文提出了整个激光光束分 析系统的组成方案。在这个方案中，系统主要由c c d 、采集卡、计算机、软件等 组成。 因为软件是整个系统的核心部分，所以本论文着重介绍了软件需求分析、软 件设计、软件编程实现、和软件测试的全部内容。根据实际测量需求，本课题首 先进行了软件需求分析，还设计了软件结构框架和工作流程。在设计工作完成后， 本课题利用面向对象编程技术，以m f c 为平台，v i s u a lc + + 为工具，开发出了单 文档多视图光束测量应用程序。此程序利用数字图像处理技术对c c d 摄像机采集 到的激光光束截面图像进行处理和分析，以获得光束的质量参数。本论文讨论了 分析过程中所用到的图像封装、噪声处理和伪彩色处理等技术。本论文还讨论了 程序中光束的基本参数、椭圆分析、平顶分析、光束质量参数等算法的实现方法， 以及光束图像的三维显示实现。受噪声等因素影响，单帧光束图像的分析结果不 可避免地会具有一定的偶然性，因此本程序还设计了连续分析模式，本论文也谈 到了这部分内容。 最后，本论文阐述了软件使用步骤和测试结论。总之，本论文所提到的软件 具有结构清晰、算法健壮等特点，实现了快速而准确的光束质量参数测量，具有 较大的实用价值。 关键字：光束质量，分析软件，参数算法，o p e n c v a b s t ra c t a b s t r a c t e a s e l a p p l i c a t i o ni sc l o s e dr e l a t e dw i t hl a s e r sc h a r a c t e r i s t i c s h i g h e r - o r d e rm o d e b e a m sp o w e rd i s t r i b u t i o ni sr e l a t i v e l yd i s p e r s e d ，a n dt h eb a s et r a n s v e r s eg a u s s i a n b e a mi sr e l a t i v e l yc o n c e n t r a t e da n dm o r ee a s i l yt om a k eu s eo f , a n di t sd i s c i p l i n eo f d i s t r i b u t i o ni ss i m p l e t h e r e f o r e ，t h eb a s et r a n s v e r s em o d eg a u s s i a nb e a mi sm o r e w i d e l yu s e di nt h ea c t u a lp r o d u c t i o na n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h h o w e v e r , l a s e r sp r o d u c e d i f f e r e n tb a s et r a n s v e r s em o d eg a u s s i a nb e a m sw i t hd i f f e r e n tq u a l i t y , a n ds o m e p a r a m e t e r sg r e a t l yi n f l u e n c et h ea p p l i c a t i o no ft h eb e a m , s u c ha s t h ee f f e c t i v e e r o s s s e c t i o nb e a mr a d i u s ，d i v e r g e n c ea n g l e ，b e a mw a i s tr a d i u s t h e r e f o r e ，w en e e da m e t h o dt om e a s u r el a s e rb e a m sq u a l i t y t r a d i t i o n a lm e t h o d sa r ei n e f f i c i e n ta n d i n a c c u r a t e ，a n dt h es o l u t i o np r o p o s e db yt h i sd i s s e r t a t i o n , w h i c hu s e sc o m p u t e rs o f t w a r e a n dc c dt om e a s u r eb e a mq u a l i t y , h a ss o l v e dt h i sp r o b l e m t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s td e s c r i b e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，a sw e l l a st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no nw h i c ht h er e s e a r c hr e l i e s ，s u c ha st h eg a u s s i a nb e a m p r o p a g a t i o nt h e o r y , c c ds t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e t h e nt h i s d i s s e r t a t i o np r e s e n t st h e p r o g r a mo fc o m p o s i t i o no f t h el a s e rb e a ma n a l y s i ss y s t e m i nt h i sp r o g r a m ，t h es y s t e m i sc o m p o s e do fc c d ，i m a g ec a p t u r ec a r d ，c o m p u t e r , s o f t w a r ea n do t h e rc o m p o n e n t s b e c a u s es o f t w a r ei st h ec o r eo ft h ew h o l es y s t e m ，s ot h i sp a p e rf o c u s e so nt h e s o f t w a r er e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，s o f t w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ep r o g r a m m i n g , a n ds o f t w a r e t e s t i n gi n i t se n t i r e t y b a s e do nt h ea c t u a lm e a s u r e m e n tn e e d s ，w ef i r s tm a d et h e s o f t w a r er e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ef r a m e w o r kd e s i g na n dt h e s o f t w a r ef l o wd e s i g n a f t e rt h ed e s i g nw o r k ，t h i si s s u eh a sd e v e l o p e das i n g l e d o c u m e n t m u l t i v i e wa p p l i c a t i o nw i t hm f ca sad e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dm i c r o s o f t v i s u a lc + + a sad e v e l o p m e n tt o o lu s i n go o pt e c h n i q u e s t h i sp r o g r a mp r o c e s s e sa n d a n a l y s i st h el a s e rb e a mc r o s s s e c t i o ni m a g ec a p t u r e db yc c dc a l t l e r au s i n gd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt og e tt h eb e a mq u a l i t yp a r a m e t e r s 。t h i sd i s s e r t a t i o n d i s c u s s e st h et e c h n i q u e su s e di nt h ea n a l y s i sp r o c e s s ，s u c ha si m a g ep a c k a g i n g , n o i s e p r o c e s s i n g a n d p s e u d o c o l o rp r o c e s s i n g t h e d i s s e r t a t i o na l s od i s c u s s e st h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ea l g o r i t h mo ft h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h eb e a m ，e l l i p t i ca n a l y s i s ， i i a b s t r a c t f l a t - t o pa n a l y s i s ，t h eb e a mq u a l i t yp a r a m e t e r sa n ds oo na n dt h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y o fb e a mi m a g e s a f f e c t e db yn o i s ea n do t h e rf a c t o r s ，s i n g l ef r a m eb e a ma n a l y s i sw i l l i n e v i t a b l yh a v es o m ec h a n c e , s ot h i sp r o g r a mh a s a l s od e s i g n e dt h ec o n t i n u o u s a n a l y t i c a lm o d e l a n dt h ed i s s c r t a t i o na l s ot a l k e da b o u tt h i sp a r t f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o ne x p l a i n st h es o f t w a r eu s i n gs t e p sa n dt e s tr e s u l t s i ns h o r t ， t h es o f t - w a r em e n t i o n e di nt h i sp a p e rh a sc h a r a c t e r i s t i e so fc l e a rs 仃u c t u r ea n dr o b u s t a l g o r i t h m , w h i c hr e a l i z et h ef a s ta n da c c u r a t em e a s u r e m e n to fb e a mq u a l i t yp a r a m e t e r s w i t hg r e a tp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：b e a mq u a l i t y , a n a l y s i ss o f t w a r e ，p a r a m e t e r sa l g o r i t h m s ，o p e n c v 一 目录 目录 第一章绪论。1 1 1课题研究背景及意义1 1 1 1研究背景1 1 1 2研究意义2 1 2 国内外发展现状3 1 3 主要研究内容及论文安排5 1 3 1主要研究内容5 1 3 2论文安排6 第二章系统相关技术的理论基础7 2 1激光束传播特性7 2 1 1固体激光器7 2 1 2半导体激光器7 2 1 3气体激光器1 0 2 2c c d 结构及原理1 3 2 2 1c c d 的基本结构1 3 2 2 2 电荷耦合单元工作原理13 2 3c c d 的噪声原理。1 6 第三章系统总体设计1 8 3 1系统设计及组件技术参数18 3 1 1系统组成及系统工作流程1 8 3 1 2c c d 摄像机参数1 9 3 1 3 图像采集卡参数2 0 3 2软件设计2 2 3 2 1 软件需求分析。2 2 3 2 2 软件的结构框架设计2 3 3 2 3软件框架的实现2 4 3 2 4软件的工作流程设计2 5 3 3软件开发平台选择及其优势2 6 3 3 1面向对象编程2 6 3 3 2面向对象的程序框架m f c 2 8 第四章软件主要功能及其算法实现31 4 1图像的采集与处理3 1 4 1 1 图像采集3 1 4 1 2 多线程的应用3 2 4 1 3 图像的封装3 3 i v 目录 4 1 4 图像的噪声处理。3 8 4 2基本光束参数算法实现3 8 4 3椭圆分析算法实现4 0 4 3 1 o p e n c v 简介4 0 4 - 3 2最小二乘法原理4 2 4 3 3椭圆拟合函数的实现4 3 4 4平顶分析算法实现4 6 4 5各统计项算法实现4 7 4 6光束质量参数算法实现4 9 4 7光束截面图像三维化显示4 9 4 7 1 o p e n g l 概j 盔一4 9 4 7 2 光束截面图像三维化显示实现5 1 第五章系统测试5 3 5 1 系统简介5 3 5 1 1系统实物图5 3 5 1 2软件主要功能5 3 5 1 3软件菜单结构。5 8 5 2软件操作流程5 9 5 3软件测试及结论6 1 第六章总结与展望6 4 6 1总结6 4 6 2展望6 4 致 射6 5 参考文献6 6 硕士研究生期间学术成果6 8 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题研究背景及意义 1 1 1 研究背景 世界上第一台激光器诞生距今已有4 0 多年。与普通光源相比，激光具有单色 性好，方向性强，相干性好，亮度高以及可调谐等优点，从而突破了以往所有普 通光源的种种局限性，因此它一出现就获得了非同一般的发展速度。激光的发展 不仅导致了一部典型的学科交叉的创造发明史，同时也使得古老的光学科学和光 学技术获得了新生，而且激光已被广泛应用到医学、工业、信息技术等领域以及 各种科学前沿问题中去，大大地促进了人类生产力的发展【l 羽。 激光的应用和激光的辐射强度分布特征密不可分，因此我们需要了解光强的 径向( 垂直于传播方向) 分布。为了描述激光光强的径向分布，人们常采用光束 直径( 或半径) 来描述。众所周知，光束是没有绝对边缘的，所以，通常采用光 束中心光强沿径向降低到一定比例时的光束截面圆直径作为光束直径。沿垂直于 传播方向测量光束直径被广为采用的一个方法是，当光束为高斯光束或近似高斯 光束时，我们测量强度为峰值强度的1 e 处的直径。这个位置包含了光束8 0 以 上的能量分布，该处的光功率约为峰值功率的1 3 5 ，通常以此处的半径值作为光 斑半径。另一个常用值是半高全宽值，即光强下降到峰值强度的一半时的截面圆 直径。对于光束直径的测量，使用两种方法中任意一个都可以。根据波前传播理 论，光束的发散是由于在传播过程中光束直径的增加引起的。光束发散的程度由 远场发散角口来表示。光束宽度最小处的尺寸称为束腰半径。测量光束传播方向上 ( 也就是z 轴方向) 不同点的光束半径，就能确定光束的远场发散角和束腰半径 大小。光束分析仪正是沿着z 轴对光束尺寸进行取样，以确定光束的空间特性【4 刊。 在上述诸多激光应用领域中，光束质量分析为激光器的有效使用提供了很多 有价值的信息。比如在在生物技术上，为了识别核糖核酸和脱氧核糖核酸的“字 母序列 和氨基酸种类，科学家们使用激光光束对其芯片实验平台进行扫描。在 这项技术中，光斑m 2 因子越小，采样数量就要求越少。借助于光束分析仪，我们 可以对光束宽度进行微调。分析光束轮廓在激光打印机校准和光纤对准的光学系 电子科技大学硕士学位论文 统中也非常有用。与生物扫描技术和激光打印一样，激光还被用来扫描条形码和 光存储技术，以利用激光光束读写信息。同样的，对于这方面而言也是光束越小， 读写信息越精确。然而，为了让扫描仪处在方便的工作距离范围内，条形码读取 器需要光束的操作范围比较大。通过光束分析仪，我们可以测量并调整激光光束， 使之达到长瑞利范围，确保扫描仪具有良好的性能。在许多测量技术中，激光光 束分析仪也被广泛应用，因为通过分析仪我们就能了解光束的空间分布特征，这 有助于我们恰当地调整激光器，改变其输出【7 - 9 】。 总之，如果光束轮廓未知，那么激光将很难甚至不能投入使用。因此，激光 的广泛应用以及光束分析的重要性，越来越要求我们能够开发出一种能够迅速而 精确地测量光束参数的光束分析系统。而c c d 光电检测技术的发展，使得这种系 统有了实现的可能。 1 1 2 研究意义 由背景分析我们知道，激光在医学、工业、农业、信息技术等应用领域中的 很多应用都以掌握光束参数为前提。因此，光束质量分析可以为激光器的有效使 用提供了很多有价值的信息。在实际测量中，光束分析已经应用非常广泛。在学 校的光学理论课程中，尽管光束轮廓方面的知识还很少出现，但在实际测量中的 使用却非常普遍。光束轮廓显示了光束的所有特征，描述了光束的传播特性、光 束质量和光束用途。另外，还能得出修正和整形后的输出效率。光束轮廓同时还 用于激光打印机和光纤瞄准系鲥1 0 川】。 分析光束轮廓要求必须生成光束能量分布图，它的测量方法有两大类。一类 是直接观察法，通过扩束将激光束投射在观察屏上目测。如果是对红外激光进行 测量，因人眼不能直接看到，一般利用其热效应( 如烧灼法) 用热敏纸或黑纸等 记录激光光斑。这种方法简单、直观，但粗糙，尤其对低阶模就难以判断。另一 类是扫描检测法，这种方法较为精确。具体实现有“转镜扫描法”和“探测器扫 描法”。其原理是将探测器放置在激光光束的横截面内，利用驱动系统使探测器或 光束进行扫描，同时将它的位移信号和输出信号分别输送给记录仪，可测出连续 激光束的光强分布，但对脉冲激光束不能进行实时测量和显示 1 2 - 1 3 】。若用胶片在 脉冲激光束照射下感光，然后用扫描法测量胶片上光斑的光强分布虽然也是可以 的，但是每测一次要花相当长的时间，效率不高，而且这些粗糙的方法都不能提 供精确的数值，因为这些方法需要对图像进行主观上的评价，这就降低测量数据 第一章绪论 的可靠性。 c c d ( 电荷耦合器件) 发明于1 9 6 9 年。四十年来，c c d 器件及其应用技术的 研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域，发展更为迅速。 c c d 使用一种高感光度的半导体材料，它能够根据照射在其面上的光线产生相应 的电荷信号，再通过模数转换器芯片转换成“0 或“1 的数字信号，这种数字 信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存，即光信号转换成计 算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行精确的分析测量。因此，c c d 传 感器在经光束照射后，可利用c c d 转换成的数字电信号得到能反映光束强度分布 的二维图像，能提供真实的数值输出，很容易精确量化光束特性。同时，c c d 信 号转换速度快，可以实现非接触、实时测量。所以c c d 面阵列相机自然就成为精 确测量激光束的最佳选择。 综上所述，光束分析仪系统可以帮助我们得到光束直径、椭圆率以及光斑质 心位置等信息，为我们进一步分析激光提供了不可或缺的条件。 1 2国内外发展现状 近一二十年，激光的广泛应用使得激光光束质量分析的需求也随之增长。鉴 于这方面需求的快速增长，国内外越来越多的厂商和科研机构也展开了对激光光 束分析检测产品的研究开发。这方面的发展正是方兴未艾。 国内对于激光光束质量分析仪器的开发起步较晚，而且较为零散，不成规模。 只有少数高校实验室，研究机构在做这方面开发研究。到目前为止，国内还没有 专业的光束质量测量分析仪的制造企业，大部分涉及这方面的企业只是做国外公 司产品的销售代理，不具备独立的研发能力。 国内比较有代表性的相关企业是北京的物科光电技术有限公司，该公司成立 于1 9 8 4 年，依托中国科学院物理研究所而成立。他们的主要产品为各类激光、非 线性光学及光折变晶体、磁光晶体t g g 、各类基片、晶体加工设备、激光仪器、 激光探测器、激光表演系统、激光光束分析仪、法拉第光隔离器等等。该公司与 美国s e n s o rp h y s i c s 公司联合研制的l s 2 0 0 0 激光光束分析仪目前已经上市。这套 产品具有图象获取，实时采集功能，可随时监测光束强度二维分布、给出三维分 布图及通过光束内任一点的沿x y 方向的光强分布曲线，并显示直径等参数。它 的分析测量功能可以实现二维光束截面功率、能量分布显示；光束截面功率、能 量的三维图( 任意方位角，俯仰角) ；通过光束截面内任一点沿x ，y 方向的光强 电子科技大学硕士学位论文 分布；不同定义下的光束直径及与高斯分布的拟合程度。 从2 0 0 7 年，我们开始了激光光束测量分析的研究工作，目前已成功开发出了 具有自主知识产权的整个测量系统。系统中的软件代码完全自主编写，实现了对 激光光束质量参数的准确实时测量。在研究开发过程中，从硬件设备的选取，系 统搭建，到软件系统的开发，完全由我们自主完成。该套系统对激光光束的截面 光强分布进行了二维图封装和三维化显示。在测量分析前还对获取的光束图片做 了必要的图像预处理和数据校准工作，使得测量精度达到了1 0 微米量级的水平， 系统可检测信噪比可达7 2 d b ，达到了国际先进水平。 国外对激光光束质量分析仪的研究要早于国内，同时，由于工业制造水平和 技术基础的先天优势，他们这方面的整体技术水平要领先于国内企业。尤其是美 国，在这方面的技术优势更是世界领先。 国外的这方面具有代表性的企业就是美国s p i n c o n 公司，它是一家专门从事激 光光束检测的公司。早在1 9 7 8 年，s p i f i c o n 公司就制造出了世界上第一个激光光 束诊断用线性热释电阵列。3 0 多年来，该公司的产品已被广泛应用于全球各大激 光研究重点实验室和激光生产企业，以及激光测试行业。该公司目前已开发的光 束分析软件有l b as o f t w a r e ，b e a r n s t a rs o f t w a r e ，b e a m g a g es o f t w a r e 等。l b a 是 专业的激光光斑分析软件，可显示二维、三维的功率分布，还可以准确测量以各 种方式定义的光斑尺寸，其统计功则能使用户能完成多项分析【1 4 】。 图1 1s p i r i c o nl b a - u s b l 2 3 0 激光光束分析仪软件和配套c c d 相机 如图1 1 所示，这是该公司的产品l b a u s b l 2 3 0 ，它的主要特点是：1 ) u s b 2 0 兼容2 ) 5 9 分贝真正的系统动态范围3 ) 帧速率高达1 0 0h z 可用4 ) 光谱范 4 第一章绪论 围：1 9 0 1 3 0 0 n m5 ) 可选的光学触发感官和同步相机与激光脉冲。该产品必须配 合其软件l b a 一起使用。b e a m s t a r 则是经济型激光光斑分析软件，其一大特点是 其特点是操作界面更为方便简单，适合工业及科研用户。而b e a m g a g e 是一款高 端的分析软件，它结合了l b a 测量精确和b e a r n s t a r 操作便捷的特点，可同时显示 一维、二维、三维的功率分布，三维显示中增加了两个侧面的投影功能，可以帮 助用户更直观的了解激光光斑的分布情况【1 5 1 。新的b e a mm a k e r 光斑模拟功能可以 验证自身算法，它还支持相机共享和网络相机；还可以将相机图像分割成多个区 域，实现单相机多光斑的测量分析，分别分析独立的光斑结果。 p h o t o n 公司是另一家在光束分析领域具有巨大影响力的企业，它位于美国加 州的圣何塞，是专业的光束空间特性测量分析仪器的制造商，产品适合激光器、 激光二极管、发光二级管、光纤、光波导、v c s e l s 等产品的光束质量测量。多 年来，p h o t o n 攻克了光束测量分析中的一系列难题，并提出了自己独特的解决方 案，目前p h o t o n 的测量方案已经成为激光光束测量行业的标准。 1 3主要研究内容及论文安排 1 3 1 主要研究内容 本课题主要任务是完成激光光束质量分析系统软件的开发，使其能够方便、 精确、快捷地测量输入系统的基横模高斯光束的空间光强分布特征。在开发过程 中主要做了以下工作： 一) 搭建系统， 本课题选择的主要硬件器件如下： 微视图像公司的黑白v 2 0 0 型采集卡 美国光子公司的b e a m p r oc c d 基于p e n t i u mi v2 6 7 g h z 内存5 1 2 m 的x 8 6 计算机 天津港东g v l 0 型h e - n e 激光器 本课题选择的软件开发工具如下： m i c r o s o f t 公司的v i s u a ls t u d i o2 0 0 8p r o f e s s i o n a l 开源图形库o p e n g l 开源计算机视觉库o p e n c v 2 0 微视图形公司的m i c r o v i e ws d kv 5 0 电子科技大学硕士学位论文 - - ) 软件需求分析与设计 根据系统要实现的功能，对软件需求进行分析，并制定详细、准确的逻辑模 型，为下一步的软件开发奠定了基础。 三) 代码编写及算法实现 本课题中的软件属于面向对象的m f c 应用程序，因此，根据文档视图的思想， 按照单文档多视图的结构组织了软件架构。程序开发过程中涉及到了较多的m f c 编程知识，包括多线程编程，消息映射，菜单及对话框，动态链接库使用等等。 计算和处理图像数据，得到光束参数是本软件最为核心的功能。在程序中，我们 自主完成了很多算法，包括光束基本参数算法、椭圆分析算法、平顶分析算法以 及多个统计算法等四大类算法。 1 3 2 论文安排 本论文总共安排了六章内容，分别如下： 第一章是绪论，主要介绍了课题研究的背景、意义，国内外的发展现状及课 题研究的主要内容。 第二章是课题所依赖的基础理论，主要介绍了基横模高斯光束的传播理论和 c c d 的结构以及工作原理。 第三章主要介绍了开发前期的准备工作，包括系统组成设计，软件的需求分 析和结构框架设计，软件开发工具的选择及其原因。 第四章是本论文最重要的部分，主要介绍了光束截面图像的采集与处理，基 本光束参数、光束椭圆分析、光束平顶分析、各统参数计项、光束质量参数等参 数的算法实现以及光束截面图像的三维化显示。 第五章介绍了软件的操作使用步骤以及软件测试结果和结论。 第六章是对本课题研究的总结和展望。 第二章系统相关技术的理论基础 第二章系统相关技术的理论基础 2 1激光束传播特性 2 1 1 固体激光器 以固体材料作为工作物质的激光器称为固体激光器。目前，国内外广泛使用 固体激光器，以灯泵浦激光器最为普遍。这种激光器的泵浦灯是从紫外到红光的 连续宽光谱光源，大量未被n d ：y a g 吸收的泵浦光会造成激光器过热现象，这将 导致激光器产生激光多模、脉宽展宽、功率不稳、偏振态不稳甚至退偏，倍频效 率低且不稳定，以及电源和水冷机所需功率庞大等致命缺点。与灯泵浦激光器不 同，半导体泵浦谐波激光器所用的半导体泵浦源为一宽度仅为2 2 r i m 的激光光源， 这降低了n d ：y a g 的热效应和激光器的热致不稳定性，提高了谐光效率和性能。 但是，目前这种激光器大部分使用腔内聚焦光束进行倍频，而强聚焦作用将诱发 大量高阶模，从而使得激光光束质量变差，这限制了它在精细微加工等方面的应 用。 近几年来，激光二极管( l d ) 泵浦的固体激光器具有器件结构紧凑、转换效 率高、能获得高功率输出、寿命长等优点，逐渐成为先进固体激光器的发展方向。 由于l d 泵浦固体激光器的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰相吻合，加之泵 浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而光光转换效率很高，减少了激 光材料积聚的热量，这大大降低了激光工作物质的热透镜效应，改善了激光器的 输出光束质量。一台千瓦级灯泵固体激光器的光束发散角是其衍射极限的4 0 至6 0 倍，而等同功率的l d 泵浦固体激光器的光束发散角只有衍射极限的两倍。采用纵 向泵浦时，可以产生接近理论衍射极限m 2 = l 、近于理想t e m o o 模强度分布的输出。 2 1 2 半导体激光器 半导体激光器是利用半导体中的电子光跃迁引起光予受激辐射而产生激光的 激光器。半导体激光物理研究表明，半导体激光器输出的光波在x 方向( 平行于结 平面方向) 为厄米一高斯模式，在y 方向( 垂直于结平而方向) 为波导模式。 半导体激光器运行时，通常有高阶模式在振荡，因此用厄米一高斯t e m o o 混 电子科技大学硕士学位论文 合模来模拟半导体激光光束。设z - - 0 平面上的t e m m o 模( m = o ，1 ，2 ) e m o ( x , y , z ) 的光场分布为 e m o ( x , y ，o ) = e ( x , 0 ) e o ( y ，o ) ( 2 1 ) 式中 驰，o ) 刊 等川一杀】 ( 2 2 ) ( y ，0 ) = a oe x p 卜】 ( 2 3 ) o y 式中彳m = o x ) l ，4 1 z c o o 工2 ”m 2 ) l ，2 ，4 = z c o o ，气归一化常数，y 分别式中，是归一化常数，y 分别 是基模高斯光束在溉y 方向的束腰宽度，m 是半导体激光多模运行时的模阶次， 显然，半导体激光光束可分离为工方向的厄米一高斯和y 方向的高斯模型。 由( 2 1 ) ( 2 - 3 ) 式代入柯林斯公式，并经过积分运算，可求得半导体激光光 束通过a b c d 一阶光学系统的传播规律，利用分离变量法，可得其在x 、y 方向的 光场分布为 驰力2 赢葡a q o 而b - 1 ) r a l 2 w 篙州一百i k 妁( 2 4 ) 地z ) 2 而菰1 e x p ( 一百i k y 2 、 ( 2 5 ) 式中的q o 、q 1 分别是z = 0 和z 处的复q 参数，方程( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 是半导体 激光光束通过a b c d 一阶光学系统的传输规律。 有上述结果可得t e m 神模光束通过a b c d 一阶光学系统的强度分布为 i m o ( x ，y ，z ) = e “z ) 毛( y ，z ) 1 2 ( 2 6 ) 考虑到半导体激光光束通常是厄米高斯t e m l i l o 模的混合模，于是可得到半导 体激光光束的光强分布为 i ( x ，y ，z ) = 巳ie ( x , z ) g o ( y ，z ) 1 2 式中，厶是的m 阶模的权重因子。 评价光束质量的参数较多，理论较完备、采用较多的是用基于二阶矩定义的 光束传输因子( m 2 因子) 。依照s i e g m a n 的方法，对于对称光束( 一阶矩为o ) ，空间 域中的二阶矩定义，并结合方程( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ，经积分运算可求得半 导体激光光束在空域中的二阶矩 oo。 志 ( 2 1 0 ) 光束传输因子( m 2 因子) 定义为 m 2 = 2 尼征丽( 2 - 1 1 ) 将( 2 1 0 ) 式代入( 2 1 1 ) 式，可得半导体激光器t e m l l l o 模光束的m 2 因子为 m 2 = 印 ( 2 1 2 ) 方程( 2 1 2 ) 表明，半导体激光的光束质量与半导体激光运行时的模阶次和该 模式的权重因子巳成比例。 本文采用内禀像散不变量a 来表征半导体激光光束的发散特性，a 定义为 口= 2 k 2 仃一2 4 d e t ( v ) ( 2 1 3 ) 丁：一! 乃( k 形n 式中 2 、 是本征象散，是反对角单位矩阵。 ( 2 1 0 ) 式代入( 2 1 3 ) 式可得半导体激光光束的内禀像散不变量 口5 y 。r c ( 2 ，z + 1 ) 一1 】2 7 2 ( 2 1 4 ) ( 2 1 4 ) 式表明，半导体激光运行在多模状态时，其内禀像散不变量a 与模阶 次柳的权重因子g 成比例，模阶次越高或高阶模式的权重越大，其内禀像散不变 量a 就越大，光束发散也越厉害。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 气体激光器 气体激光器产生的光束十分接近高斯光束。由在直角坐标系下对亥母霍兹方 程的求解我们可知，高斯光束有基横模和高阶模( 厄米一高斯光束) 之分。但是 在激光器的各种输出模式中，除了基横模以外，各种高阶模的光强的分布都至少 有一条光强极小的节线，所以光斑中的光强分布呈现出十分不均匀的情况。这很 大程度上限制了高阶模的应用。相对而言，基横模的光强输出是比较均匀的，而 且它的强度中心沿直线传播。利用基横模的输出特点，可以方便地通过光学系统 的变换，实现激光光束的聚焦、准直、扩束，使得激光广泛应用于经济和科技的 众多领域。虽然高斯光束传播的方向性很好，但是它也会不断地发散。其发散的 规律与球面波不同，在传播过程中它的波面曲率一直在变化，但是永远不会变成0 。 严格地说，除了光束的光强中心以外，高斯光束并不沿直线传播。因此，为了在 实践中广泛地使用激光，必须对高斯光束的传播特性进行深入研究。 ( 一) 光斑半径沿径向的分布 对于对称共焦腔，由镜面上的自再现模场的特征可知，对于基横模t e m o o 其 场分布为 “0 02c 0 0e 址7 ” ( 2 1 5 ) 其中l 是共焦腔腔长。因此，我们定义一个镜面上基横模的“光斑有效截面 半径吐，使得在径向上( ，方向) 距离镜中心吼处的场振幅下降为镜中心值的p - 1 倍。基横模光束的光能量大部分集中在光斑有效截面圆内。由式( 2 1 5 ) 可得 i2 挂+ y 2 _ 弋舡妇 ( 2 1 6 ) 对于基横模t e m 0 0 的行波场场振幅d 和强度分布分别是 吣唧( 暑等_ ) 协 驴啦唧( 毒等 协 上式中忽略了常量因子。当场振幅为轴上( ，舻= o ) 的值的彳1 倍，即强 度为轴上的值的，倍时，所对应的径向距离为 酢) 2 老厢一缈一si + 可4 2 2协 l o 第二章系统相关技术的理论基础 甜( z ) 称为z 处截面内基模的有效截面半径，简称截面半径。将共焦腔镜面上的 基模的光斑半径公式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 9 ) ，可得 缈( z ) = ( 2 2 0 ) 可见在z 处高斯光束的截面半径仅仅取决于共焦腔的腔长 在共焦腔中心( z = o ) 的截面内的光斑有极小值 11 厉 0 ) o2 西q 2 万、i ( 2 2 1 ) 通常将0 9 0 称为高斯光束的柬腰半径。在共焦腔的焦平面上，束腰半径缈。最小。 该处称为高斯光束的“光腰”或“束腰 。 式( 2 1 9 ) 可以表示为 缈( z ) = 国。 式( 2 2 2 ) 可改写成 等一南引 由此可见，基模光斑半径彩随z 按双曲线规律变化，如图2 - 1 所示 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 图2 1 基模光斑半径缈随z 的变化规律 虽然光强在z 0 的各个截面上的分布不同，但由于光束基本是限制在以光轴 为中心、有效截面半径的圆截面光斑以内传播的，所以通过每个截面的总的光功 率是相同的。光束中同一截面内所有光强为光轴上光强的e 叫倍的点的集合是一个 圆，所有z 对应的截面上这些圆的集合就组成一个旋转双曲面。从这个角度上来说， 除了光轴以外，高斯光束的光线沿着双曲线传播。 电子科技大学硕士学位论文 ( 二) 高斯光束的远场发散角 由前面的讨论可知，共焦腔的基模光束按照双曲线的规律从腔的中心向外扩 展，由此不难求得基模的远场发散角。该远场发散角( 全角) 2 0 定义为双曲线的 两根渐近线之间的夹角为 2 9 ：2 ，丝：旦 vx l 黝o ( 2 2 4 ) 因此，高斯光束的远场发散角完全取决于其束腰半径。相应的计算表明，包 含在全角发散角内的功率占高斯