（光学工程专业论文）40gw飞秒激光光束特性研究.pdf

中文摘要 中文摘要 在超精细加工中，激光柬质量的好坏直接影响到加工的效果，因此，激光束 的光束质量以及其光束空间光强分布的测量就至关重要。 光束质量因子m 2 是衡量激光束光束质量的重要参数。本论文主要对实验室 的4 0 g w 飞秒激光系统不同输出参数时的激光脉冲光束的光束质量因子k f 进行 了测量，并对其光束的空间光强分布进行了研究。具体内容包括以下几个方面： ( 1 ) 建立了光束质量因子m 2 的自动测量装置。由于实验室的飞秒激光系统 输出的飞秒激光束具有能量高，光斑尺寸大，脉冲宽度短的特点，因此采用传 统的直接测量激光束的光束质量的方法是行不通的。实验采用透镜变换的方法， 借助l a b v i e w 系统，利用刀口法设计了一套实验装置，实现了飞秒激光系统输 出的飞秒激光束两个正交方向上的光束质量因子m 2 的自动测量。 ( 2 ) 实现了飞秒激光空间光强分布的测量。为了具体直观地得到激光束在 空间中的分布，本文自行设计了两套飞秒激光束横截面的测最装置。一套是利 用c c d 和图像采集卡来捕获激光束光斑图像，利用这套c c d 测量装置得到了 激光束横截面的图像，研究了4 0g w 飞秒激光系统输出光束的空间光强分布特 性。另一套是利用光纤扫描的方法来获得激光束横截面上的光强分布，利用这 套光纤扫描系统，也得到了在不同泵浦电流下的光斑图像。 ( 3 ) 对两种空间光强分布的测量结果进行了对比。从实验结果看出这两套 系统得到的测量结果基本上是对应的，为飞秒激光超精细加工提供了一个有意 义的参考，这样可以根据精细加工的要求来选择相应的激光输出以达到最佳的 加工效果。 关键词：l a b v i e w ，光束质量因子m 2 ，c c d ，光强分布 英文摘要 l a s e rb e a mq u a l i t yp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nl a s e rm a c h i n i n g f o rf e m t o s e c o n dl a s e r m a c h i n i n g , t h ei m p a c t so f b e e r nq u a l 时o nm i c r o - m a c h i n i n gr e s u l t sa r em o r ep r o n o u n c e dd u e t ot h ei n v o l v e m e n to ft h eh i g h l yn o n l i n e a rp r o c e s s e s i ti s ，t h e r e f o r e ，e s s e n t i a lt om e a s u r e b e a mq u a l i t ya n dc h a r a c t e r i z et h es p a t i a lb e a mp r o f i l eo ft h ea m p l i f i e df e m t o s e c o n dl a s e r p u l s e sf o rm i c r o m a c h i n i n ga p p l i c a t i o n s o n ei m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h el a s e rb e a mq u a l i t yi st h eb e a mq u a l i t yf a c t o r , m s t h i s p a p e rm a i n l ys t u d i e st h em e a s u r e m e n to f t h em 2a n dt h el a s e rb e a mp r o f i l eo f t h eo u t p u tl a s e r p u l s eo f t h ef e m t o s e c o n ds y s t e mi no u rl a b ，w h i c hi n c l u d e s ： nd e s i g na l la u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mt om e a s u r em 2 b e c a u s et h eo u t p u tb e a m o ft h ef e m t o s e c o n dl a s e ra m p l i f i e rh a sh i g hp o w e ra n dr e l a t i v e l yl a r g eb e a ms p o t s i z e ，i ti sd i f f i c u l tt om e a s u r em 2 d i r e c t l y w eh a v et h u sd e s i g n e das e to f e x p e r i m e n t t om e a s u r et h em 2o f t w oo r t h o g o n a ld i r e c t i o n sa td i f f e r e n tp u m pc u r r e n t sb yu s i n g l e n s e st r a n s f o r m a t i o n sa n dt h ek n i f e e d g es c a n n i n gm e t h o dw i t hl a b v i e ws o f t w a r e t h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h em 2h a sg r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h e h o r i z o n t a ld i r e c t i o na n dt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n i ti sa l s of o u n dt h a tt h el a s e rb e a m h a sb e t t e rq u a l i t ya tl o w e rp u m pc u r r e n t , a n dt h eb e a mq u a l i t yd e c r e a s e sa st h e p u m pc u r r e n ti n c r e a s e s 2 ) e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n to ft h el a s e rb e a mp r o f i l e t od e t e c tt h el a s e ri n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n ，t w os e t so fe x p e r i m e n t a ls y s t e m sa r eb u i i t , o n ei sc c dm e a s u r e m e n t s y s t e m w h i c hu s eac c d c a m e r aa n da ni m a g ec a r dt oc a p t u r eb e a mp r o f i l e b y u s i n gt h i sc c dm e a s u r e m e n ts y s t e m ，w eh a v es t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s p a t i a l b e a mp r o f i l eo fa4 0g wf e m t o s e c o n dl a s e ra m p l i f i e r t h eo t h e r m e a s u r e m e n ts y s t e mi sf i b e r - s c a n n i n gs y s t e m ，w i t hw h i c ht h el a s e rb e a mp r o f i l e sa t d i f f e r e n tp u m pp o w e r sa r eo b t a i n e d 3 ) c o m p a r i s o no ft h er e s u l t so b t a i n e dw i t ht h et w om e a s u r e m e n ts y s t e m s i ti sf o u n d t h a tt h er e s u l t so f t h et w ot y p e so f m e a s u r e m e n t sa r ea l m o s ta c c o r d a n t t h eb e a mp r o f i l e sn l e a s u r e dw i t ht h et w os y s t e m sp r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nf o r u 、 英文摘要 m i c r o m a c h i n i n ge x p e r i m e n t s ，a n dt h u sc a nh e l pt h er e s e a r c h e r st og e tb e t t e r m i c r o m a c h i n i n gr e s u l t s k e y w o r d s ：l a b v i o w ，b e a mq u a l i t yf a c t o rm 2 c c dc a m e r a , l a s e rb e a mp r o f i l e i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：铡j 南 弘。多年f 月彩日 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：刎i 局 形年蔓月日 第一章绪论 第一章绪论 第一节光束质量概述 在激光发展的历史上。曾对不同应用目的提出多种参数以评价激光柬的光束 质量，常用的有光束远场发散角0 、焦斑尺寸、衍射极限倍数6 、光束质量因子( m 2 因子) 、斯特列尔比和环围功率比b q 值等。二十世纪九十年代初，s i e g m a n 建 议采用m 2 因子统一地描述激光光束的质量闭。 s i e g m a n 基于激光束空间角谱二阶矩定义的远场发散角和束宽二阶矩来定义 光束质量因子m 2 ，相当于从描述光波的复振幅的无穷多信息中通过二阶矩形式 来抽取组合出埘2 因予，因而可以证明它是一自由空间传输不变量0 , 3 】。 m 2 因子反映了光束的基本特性，能在物理上客观反映光束远场发散角和高 阶模含量，而且这一方式定义的光束质量当具有最小值时，对应于理想的高斯 光束。对基模高斯激光光束m 2 = l ，表明任意光束的光束质量不可能优于衍射转 换极限( 3 1 。 激光光束质量因子m 2 为合理地比较不同激光系统的光束质量提供了一个统 的标准，是激光光束质量的评估和控制的理论基础。m 2 可以解析地表示任意 激光光束束宽的传输变换关系，它也可以将高斯光束的a b c d 定律推广至任意 光束，它在光学系统的设计中有着重要的应用价值 4 1 。 ( a )( b ) ( a ) 理想的激光腔输出的光强分布图像 ( b ) 不理想的激光腔输出的光强分布图像 图1 1 激光束横截面的光强分布图像”1 第一章绪论 在许多激光应用领域，激光束光强的空问分布充当着非常重要的角色，特别 是在飞秒激光超精细加工中，接近基模高斯光强分布的激光束( 如图1 1 ( a ) ) 能取得较好的加工效果，丽一些非高斯分布的激光束的光强分布中有可能会出 现尖峰( 如图1 1 ( b ) ) ，这些尖峰引起的非线性效应会严重地影响加工的效果1 6 l 。 这也就使测量不同条件下的激光束光强的空间分布显得非常重要，以便根据需 要选择合理的激光输出参数以给出合适的激光束空间分布来满足不同的加工要 求。 第二节光束质量因子m 2 和光强空间分布的测量 1 光束质景因子m 2 的测量方法 光束质量因子m 2 的测量方法按照原理可以分为两种【3 ，1 ：一是傅立叶变换法， 在光束柬腰截面上同时测出光场强度分布和相位分布，由傅立叶变换取得空间 频谱，计算出强度分布宽度和频谱宽度的乘积就可以得到m 2 ；另一种方法是基 于光束传播方程( 1 1 ) 的束宽测量方法， r，、，1 d 2 ：d o ：i 1 + ( 孕i ( 1 1 ) l 二r j r 。 m 2 ：型垡二墅d n 7 2 f 1 2 ) z z o 。4 五 其中d 为光束传输方向上z 点的光束直径，d o 为柬腰直径，z o 为柬腰位置， z r = d 0 2 1 2 为瑞利距离，它表征光束的聚焦特性啪。光束质量为m 2 的光束的 瑞利距离是理想高斯光束的1 m 2 。 由于对实际的激光束而言往往难以确定它的束腰的具体位置，所以在实际测 量中需要借助一个透镜将激光束进行聚焦，然后在像方空间测量有关参划8 1 。 实验中m 2 的测量可以归结为光束宽度的测量。通常束宽定义为光强分布曲 线上相对光强为峰值1 e 2 的两点间的距离。公认的最严格的束宽定义为“4 0 准 则”，它适用于任何光强分布m 。在i s o 标准中推荐了几种测量方法【9 】： 1 ) 可变光阑法：在束宽测量的同时可以测得束宽范围的总能量，但这种方 法要求光阑中心对准光束轴线，这往往比较困难。 2 ) 刀口切割法：特点是结构简单，易操作，但是这种方法对低阶模激光束 第一章绪论 测量精度较高，而对高阶模激光束的测量误差较大。 3 ) 移动狭缝法：与刀口切割法类似，区别是利用狭缝代替了刀口，狭缝宽 度应不大于被测光束宽度的1 2 0 。 另外，也有借助c c d 测量激光束传播方向上不同点处的光斑图像，用计算 机处理系统得到各点的光束半径后，得到激光束的m 2 【1 0 ，1 1 】。 2 光强空间分布的测量方法 对激光束光强空间分布的测量，一般是借助于c c d 和图像采集卡组成的测 量系统来测量和记录激光束的光强分布图像，利用计算机图像处理系统对光强 分布图像进行处理得到各种光束特性参数1 1 2 , 1 3 。这种方法能非常直观地得到光斑 图像，但是由于c c d 本身的特性，在测量高功率、短脉冲、大光斑的激光束时 需要进行大幅度的衰减光强并需要对光斑进行缩束，这就有可能会引起激光束 的畸变而造成测最结果的偏差，同时在图像处理过程中对计算机编程技术要求 很高。 第三节本论文的主要内容 尽管在市面上已经有商品化的光束质量因子测量仪和激光束光强分布测量 仪，像s p i r i c o n 公司就生产多种检测光束质量的测量仪。但是这些测量仪往往比 较昂贵，而且考虑到实验室激光系统能量商，光斑尺寸大，脉冲宽度短的特点， 采用现成的测量仪无法满足我们的要求，自行搭建测量系统更能方便完善地研 究该飞秒系统的激光束特性。 本文介绍了实验中搭建的光束质量因子m 2 自动测量装置以及测量飞秒激光 空阅光强分布的装置。通过对光束质量因子和光强空问分布的测量，研究了实 验室里的飞秒激光系统输出激光束的特性，为飞秒激光超精细加工提供了一个 参考，可以根据精细加工的要求选择相应条件的激光束以达到最佳的加工效果。 本文的主要内容： 第二章，飞秒激光系统简介。主要介绍了飞秒激光系统的基本组成和激光系 统的基本参数，介绍了飞秒激光放大器中用到的c p a 技术。 第三章，l a b v i e w 系统、l a b v i e w 数据采集及其仪器控制。对l a b v i e w 系统 的特点和功能做了一系列介绍，着重阐述了l a b v i e w 中的数据采集功能和仪器 控制功能。 第一章绪论 第四章，激光光束质量因子m 2 的测量。介绍了测量激光束质量因子h f 的 实验方案和实验结果，实验采用透镜变换法和刀口切割法，利用l a b v i e w 系统 编写了一套程序，测量了飞秒激光系统输出的飞秒激光束正交两个方向上的光 柬质量因子m 2 以及在不同泵浦电流下的光束质量因子m 2 。从实验结果能够看 出激光束在水平方向和竖直方向上的光束质量因予m 2 有较大的差异，而且在不 同的泵浦电流下激光束的光束质量因子m 2 也呈现出了较大的变化。 第五章，飞秒激光光束空间分布的测量。介绍了测量激光柬空间分布的两种 方法。 种方法是利用c c d 和图像采集卡搭建测量激光束光强分布测量系统，利 用这套c c d 测量装置我们得到了激光束横截面的图像，研究了4 0g w 飞秒激光 系统输出光柬的空间光强分布特性。通过对飞秒激光放大系统在不同工作状态 下输出光束光强分布的分析比较，发现飞秒放大系统输出激光柬在低泵浦电流 下的光斑质量较好，而在高泵浦电流下光斑质量变差，这与光束质量因子m 2 随 泵浦电流的变化基本一致。同时在高泵浦电流时，观察到光束横截面中心区域 的光强与低泵浦电流情况下相比反而减小的情况。实验结果还表明在多通放大 过程中泵浦光的光斑质量对飞秒激光束空间分布有非常大的影响。 另外还介绍了利用光纤扫描来获得激光束横截面上的光强分布的方法，利用 这套光纤扫描系统，我们得到了在不同泵浦电流下的光斑图像。 第六章，总结与展望。本章对作者开展的工作进行了总结，并对未来的工 作做了展望。 第二章飞秒激光系统简介 第二章飞秒激光系统简介 实验室拥有一台美国光谱物理公司的高能量、短脉冲掺钛蓝宝石飞秒激光放 大系统。该系统包括小于5 0f s 的飞秒振荡器( t s u n a m i ) ，再生放大和两通放大装 置的飞秒放大器( i p - s p i t f i r e ) 及其相应的连续绿光( m i l l e n n i a ) 和脉冲绿光 ( e v o l u t i o n3 0 ) 泵浦光源几个主要部件。其系统图如图2 1 。飞秒振荡器由m i l e v a n i a 提供泵浦，飞秒放大器由e v o l u t i o n3 0 提供泵浦。在飞秒放大器中，e v o l u t i o n3 0 泵浦激光分为两束，一束用于泵浦再生放大器，另一束泵浦多通放大器。放大 器首先采用高增益的再生放大，使激光脉冲的能量增加1 0 6 的量级，然后让激光 束再通过两次单通放大使激光脉冲能量放大两倍左右，最后经脉冲压缩器压缩 得到高能量、短脉宽的飞秒激光脉冲。本章主要介绍该系统各部分的功能及主 要性能参数。 回惆 j l p u l s es t r e t c h e rp u l s ec o m p r e s s o rj i p u l s e dp u m pl a s e r ；( 耻p i t f i r e ) ( e v o l “0 1 1 ) 。广一i 三二二孟一。1 - 强 r d “，。、i lr 、o 一 一一i 图2 1 飞秒激光系统示意图 第一节飞秒振荡器( t s u n a m i ) 飞秒振荡器产生飞秒激光脉冲，它除了泵浦源、增益介质( 掺钛蓝宝石 第二章飞秒激光系统简介 。h - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ l _ _ _ h - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 t i ：s a p p h i r e ) 和光谐振腔三个部分外还要有专门的色散补偿装置，如b r e w s t e r 角棱镜对或者是特殊设计的光啁啾反射镜。利用锁模技术将激光器内的激光脉 冲的相位锁定从而产生超短脉冲，如图2 2 所示。 h q l a 。口b m m 1 ( 嘞 ( 3 2o r 5 1 4m 吣 o c 口) 图2 2 掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器典型光路结构 ( 全反镜m l ，m 2 ，m 3 ，和输出镜o c 构成激光谐振腔： 掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r e ) 为增益介质；p 1 ，p 2 ，色散补偿棱镜) 实验室的飞秒振荡器( t s u r m m i ) 利用了克尔透镜锁模( k e r rl e n sm o d el o c k i n g ) 技术。该技术是种独特的被动锁模方法，实际上是利用了材料的折射率随光 强变化的特性使得激光器运转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光增 益，从而最终实现短脉冲输出盼1 4 1 。 t s u n a m i 振荡器输出3 5f s ，8 2m h z 的激光脉冲序列，中心波长为8 0 0n n ， 光束直径小于2m l n ，输出平均功率为4 0 0m w 。 t s u n a m i 由m i l l e n n i a 提供泵浦能量，m i l l e n n i a 激光器输出波长为5 3 2n n 连 续绿光，功率可咀达到5 w 。 第二节飞秒激光放大器 实验室的飞秒激光系统中，飞秒放大器用到了c p a 技术【1 5 】。从飞秒激光振 荡器出来的激光脉冲宽度大约为3 5f s ，平均功率约为4 0 0m w ，由飞秒激光振荡 器( t s u n a m i ) 产生的激光脉冲的单脉冲能量通常比较低，为了得到高能量的飞秒 激光脉冲，需要用飞秒激光放大器( h p s p i t f t r e ) ：对飞秒激光振荡器( t s u n a m i ) 输出 的飞秒激光脉冲进行能量放大。由振荡器输出的激光脉冲宽度为3 5f s ，如果直 接放大这样的激光脉冲会产生极高的峰值功率打坏光学元件，所以在对激光脉 冲放大前需要将振荡器输出的激光脉冲进行展宽。将展宽后的激光束进行放大， 然后再将经过放大的激光脉冲压缩回飞秒激光脉冲，这就是啁啾脉冲放大( c p a ) 箜三兰3 型塑娄墨堕笪盆 技术。 该 2 2 1 展宽器 1 6 , 1 7 图2 3 飞秒放大器结构示意图 展宽器原理如图2 4 。展宽器内两块光栅之间有一套放大率为1 的无焦系 统，该系统使经过的红光和蓝光位置倒换，使得红光经过的光学路径要比蓝光 经过的光学路径要短，从而使入射的激光脉冲被展宽。通过展宽器后，飞秒量 级的激光束能被展宽到几百皮秒。 2 2 2 放大器 图2 4 展宽器原理图 在放大过程中，如果放大器增益介质的激发态寿命大于其它过程所需要的时 间，那么就可以得到放大器的小信号增益系数： = ：( 2 1 ) j 第二章飞秒激光系统简介 上m 是储存在增益介质里的能量密度，。k 是饱和能量密度，是增益介质的本 征参数。j k 可以通过实验的方法并利用下面公式锝到： 屯：竽阜 ( 2 2 ) 巴是进入放大器的泵浦能量，d 是吸收系数，s 是泵浦激光束的横截面面积， 如，屯分别是泵漓激光波长和放大器输出波长。种子光经过放大器后链量由e 。 变为e 0 u t ， e 。= e 。e x p ( g 。) ( 2 3 ) 上面这个公式适用于种子光的能量较小时的情况。如果种子光的能量密度可 以和放大器增益介质的能量密度相比较时，则有： 寺一，汕 g o e x p 专斗咕 ， 。厶。是放大后的输出激光脉冲的能量密度。本征参数j 厶决定了放大器增益介 质的选择。液体增益介质和气体增益介质具有较低的厶，而固体增益介质具有 较高的。五。实验室购买的激光器是利用掺钛蓝宝石作为增益介质，在种子光每 经过蓝宝石以后得到的增益比较小，为了让种子光得到更多储存在增益介质里 的能量，就需要让种子光多次通过增益介质，这由两项技术来实现；多通放大”8 】 和再生放大1 1 9 1 。 图2 。5 多通放大示意图 多通放大过程中，激光束每次通过增益介质的路径是分开的，如图2 5 。激 光束通过增益介质的次数受到光腔设计的限制，并且必须保证每次多通的激光 束聚焦到增益介质的同一点。一般放大器内有4 到8 次多通。多通放大是一种 比较简单的技术并且比较廉价，只是准确地调节光学元件比较麻烦。增益介质 一般都在比较接近损坏溺值的情况下工作，主要是为了充分利用增益介质内的 第二章飞秒激光系统简介 能量。 图2 6 再生放大示意图 再生放大过程中，一个激光脉冲被捕获到激光腔内，激光脉冲在激光腔内来 回振荡，直到激光脉冲的能量达到最大后被释放( 图2 6 ) 。捕获和释放激光脉 冲的工作是由普克尔盒和偏振片完成的。最初，普克尔盒被设置成一个四分之 一波片，当激光脉冲被捕获到激光腔内时，普克尔盒被加上电压面变成一个二 分之一波片，激光脉冲在激光腔内来回振荡直到达到饱和。而后普克尔盒加上 另一个电压将激光脉冲释放出来。 多通放大和再生放大的不同主要是在种子光进入激光腔的路径不同，多通放 大主要是由激光腔的几何设计来控制，而再生放大是利用激光束的偏振特性来 控制激光柬。 放大器内的增益介质由绿光脉冲激光器e v o l u t i o n3 0 提供泵浦光源，e v o l u t i o n 3 0 输出的lk h z 的调q 绿光( 5 2 7 n m ) ，功率可以达到2 0 w 。在飞秒放大器中， e v o l u t i o n3 0 泵浦光分为两束，一束泵浦再生放大器，另一束泵浦多通放大器， 泵浦功率的分数比为9 ：6 。由飞秒振荡器产生的3 5f s 飞秒脉冲经过脉冲展宽器 展宽至1 3 0p s 的脉冲，再通过高增益的再生放大器获得1 0 6 的量级放大。由再生 放大器输出的激光脉冲进入到一个两通放大器，使激光脉冲能量进一步增加两 倍左右。 2 2 3 压缩器 2 0 , 2 t 从放大器输出的激光束是经过展宽的激光脉冲，这时激光脉冲宽度大约为几 百皮秒量级。为了得到飞秒激光脉冲，必须将放大器输出的激光束压缩回飞秒 激光脉冲。 如图2 7 ，压缩器原理与展宽器原理类似，区别是展宽器中加入了一套放大 率为一1 的无焦系统使红光和蓝光位置倒换。在压缩器内没有这套无焦系统，光 寸圣嘶一 i j l 卜 娜 第二章飞秒激光系统筒介 栅对使红光经过的光学路径比蓝光经过的光学路径要短，这样就对激光脉冲弓 入了一个负群速度色散，从而使激光脉冲宽度减小。 b l u e + r e d b l u e 图2 7 压缩器原理圈 如果不考虑色差和几何像差，压缩器里的光栅对，如果与展宽器里的光栅对 完全平行且光栅间距完全相等，那么压缩器就可以完全补偿展宽器引入的色散。 但在实际中，由于各种原因，压缩器里的光栅对产生的负相位不会完全抵消掉 展宽器引入的色散，压缩得到的激光脉冲宽度往往要大于种子光的脉冲宽度。 经过h p - s p i t f i r e 放大器放大后的激光脉冲经过压缩器压缩后得到单脉冲能 量为2m j 、脉宽5 0f s ，中心波长为8 0 0n n l 的飞秒激光脉冲序列。 飞秒激光放大器输出脉冲的重复频率为lk h z ，光斑直径大约1 0r a i n 。该系 统输出功率大小既可以通过改变放大器的泵浦激光e v o l u t i o n3 0 的泵浦电流进行 控制，也可以通过旋转插入在两通放大器与脉冲压缩器之间的半波片来调节。 对单个激光脉冲而言，其最大峰值功率可达4 0g w 。飞秒激光放大器( h p s p i t f i r e ) 的输出参数如表2 1 。 表2 1 飞秒激光放大器系统( h p s p i t n r e ) 典型输出参数 中心波长 8 0 0 l i r a 脉冲能量 2 m j 脉冲稳定性1 5 ( p e a kt op e a k ) 标准重复频率 lk h z 脉冲宽度 2 5 0 ：l 带宽一脉宽积1 1 5 偏振度 5 0 0 ：1 ( 水平方向) 光斑尺寸直径约为1 0 m m c p a 技术存在的问题一是压缩后的激光束脉冲宽度不能达到种子光的脉冲 宽度，另一个就是光束质量变差。除了弥补展宽器带来的色散，压缩器还必须 餐 第二章飞秒激光系统简介 弥补放大器本身引入的色散效应，这就要求压缩器里的光栅对距离要比展宽器 里的光栅对距离要大，光栅对距离上的这种差异可以消除整个放大系统的二阶 色散效应而得到较短的激光脉冲，但是这也使得更高阶色散效应的影响变大， 从而产生前置脉冲和脉冲尖峰，这对高能量激光应用非常不利 2 2 - 2 4 1 。 激光脉冲在放大器内的热沉淀引起透镜效应和自聚焦效应，使得激光束横截 面大大增加并损失掉一部分能量，光束质量变差。实验室的飞秒激光系统中， 从振荡器输出的激光光斑直径大约为2m m ，而从放大器输出的激光束光斑直径 达到1 0r 眦，光斑尺寸被大大增加了。 第三章l a b v i e w 系统、l a b v i e w 数据采集及其仪器控制 第三章l a b v i e w 系统、l a b v i e w 数据采集及其仪器控制 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，简称n i ) 的软件产品。l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t n n n e n t e n g i n e e r i n g ) 是一种图形化的编程语言，又称为“g ，语言。使用这种语言编程时， 基本上不用写程序代码，取而代之的是流程图。l a b v i e w 利用了技术人员、科学 家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，是一个面向最终用户的工具。该软件 已广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为个标准的数据采集 和仪器控制软件伫5 ，2 6 1 。本章将主要介绍l a b v i e w 的特点、l a b v i e w 数据采集及其 仪器控制的特点。 第一节l a b v i e w 简介及其特点 l a b v i e w 集成了满足g p i b 、v x i 、r s - 2 3 2 和r s 一4 8 5 协议的硬件及数据采集卡 通讯的全部功能。它还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。 这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其 图形化的界面使得编程及使用过程简单易学。它可以帮助人们构建自己的科学 和工程系统，提供实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理 研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 利用l a b v i e w ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的3 2 位编译 器。像许多重要的软件一样，l a b v i e w 提供了w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 、m a c i n t o s h 的多种版本。所有的l a b v i e w 应用程序，即虚拟仪器( v i ) ，它包括前面板( f r o n t p a n e l ) 、流程图( b l o c kd i a g r a m ) 以及图标连结嚣( i c o i 此o n n c c t o n 三部分。前面 板是图形用户界面，也就是v i 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示 输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其它控制( c o n t r 0 1 ) 和显示对 象( i n d i c a t o r ) 。流程图提侯v i 的图形化源程序。在流程图中对v i 编程，以控 制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的 连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和 第三章l a b v i e w 系统、l a b v i e w 数据采集及其仪器控制 连线等。v i 具有层次化和结构化的特征。一个v i 可以作为子程序，这里称为子 v i ( s u b v i ) ，被其它v i 调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数 2 7 , 2 8 】。 第二节l a b v i e w 数据采集系统 3 2 1 数据采集卡 2 7 , 2 8 1 一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字o 、计数器计 时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。 模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关( m u x ) 、放大器、采样 保持电路以及a 仍来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信 号。a d 的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选 择合适的a d 。 模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器( d a ) 的建 立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值 改变的快慢。建立时间短、转换率高的d a 可以提供一个较高频率的信号。根 据实际需要选择d a 的参数指标。 数字y o 通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数 包括：数字口路数( 1 i n e ) 、接收( 发送) 率、驱动能力等。路数要能同控制对象 配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字 信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的r r l 电平信号去监控高电压、 大电流的工业设备。数字y o 常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录 仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、 数据转换速率、“握手”能力都是应理解的重要参数，应依据具体的应用场合而选 择有合适参数的数字i o 。 许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号： 门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作或 不工作：计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输 出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率 意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数 第三章l a b f i e w 系统、l a b v i e w 数据采集及其仪器控制 速度就越快。 实验室里的一套l a b v i e w 系统包括一块n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司数据采集 卡，型号为p c i - m i o 一1 6 x e 一1 0 ，分辨率为1 6b i t s ，最大采样率为1 0 0 ks a m p l e s s ， 参考地单端( r s e ) 1 6 通道输入或差分( d i f f e r e n t i a l ) 8 通道输入，2 通道模拟 信号输出，8 通道数字i 0 1 2 9 _ i 。 3 2 2 数据采集系统 我们利用n i 公司的p c i m 1 0 1 6 x e 1 0 数据采集卡采集功率计得到的激光束 功率值。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。也就是说如果 给定了采样频率，那么能够正确显示而不发生畸变的信号的最大频率( 也叫做 恩奎斯特频率) 应是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率 的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。 图3 1 数据采集系统结构划 图3 1 为数据采集系统的示意图。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始 化，包括设置采集卡的地址，通道数，采样频率，采样点数等。 1 1 输入信号及连接方式 从功率计1 8 1 5 c 输出模拟信号，经过b n c 电缆按到数据采集卡 卵c i m i o - 1 6 x e 1 0 ) 输入通道。在接入到数据采集卡上时采用差分测量系统，如 图3 2 ，通道c h 0 + 和c h 0 分别与b n c 电缆连线相连。一个理想的差分测量系 统仅能测出( + ) 和( 一) 输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压，可以完 篁三茎生! 塑型至竺：! 璺盟! ! ! 墼塑墨塞垦墓堡塑鳖型 全消除共模电压的影响。 图3 2 差分测量系统口9 】 2 ) 缓冲( b u f f e r ) 板卡上和内存中的b u f f e r 是数据采集存储的中间环节。这里“缓冲”的概念 是指p c 内存的一个区域( 不是数据采集卡上的f i f o 缓冲) ，它用来临时存放数 据。在实验过程中采用了高采样率( 8 0 ks a m p l e s s - - 1 0 0 ks a m p l e s s ) ，并且在一个 既定的时间内连续采集数据，这个数据量非常大，所以我们在内存中划分一部 分内存空间用作缓冲来处理并保存数据。 n i 公司还提供了一个数据采集卡的配置工具软件m e a s u r e m e n t a u t o m a t i o ne x p l o r e r ，它可以配置n i 公司的软件和硬件，比如执行系统测试和诊 断、增加新通道和虚拟通道、设置测量系统的方式、查看所连接的设备等。 3 2 3l a b v i e w 中的数据采集程序设计【2 7 - 3 1 】 在利用l a b v i e w 设计数据采集程序时，需要了解分辨率、电压范围及增益等 参数，这几个参数对数据采集的质量有非常大的影响。 1 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) 分辨率是指模数转换的位数。a d 的位数越多，分辨率就越高，可区分的最 第三章l a b v i e w 系统、l a b v i e w 数据采集及其仪器控制 小电压就越小。分辨率要足够高，数字化信号才能有足够的电压分辨能力，才 能比较好的恢复原始信号。目前分辨率为8 位、1 2 位、1 6 位的采集卡可以分别 将输入电压量化为2 5 6 、4 0 9 6 、6 5 5 3 份。p c i m i o 1 6 x e 一1 0 采集卡的分辨率为 1 6 位。 2 1 电压范围( r a n g e ) 电压范围由a d 能数字化的模拟信号的最高和最低的电压决定。一般情况 下，采集卡的电压范围是可调的，所以可选择和信号电压变化范围相匹配的电 压范围以充分利用分辨率范圈，得到更高的精度。比如，对于一个3 位的a d ， 在选择o 一1 0 v 范围时，它将1 0 v 进行了八等分；如果选择范围为一1 0 v 到十l o v ， 同一个a d 就得将2 0v 分为八等分，能分辨的最小电压就从1 2 5v 上升到2 5 0 v ，这样信号复原的效果就更差了。 3 ) 增益( g a i n ) 增益主要用于在信号数字化之前对衰减的信号进行放大。使用增益，可以等 效地降低a d 的输入范围，使它能尽量将信号分为更多的等份，基本达到满量 程，这样可以更好地复原信号。因为对同样的电压输入范围，大信号的量化误 差小，而小信号时量化误差大。当输入信号不接近满量程时，量化误差会相对 加大。如：输入只为满量程的1 1 0 时，量化误差相应扩大1 0 倍。一般使用时， 要通过选择合适的增益，使得输入信号动态范围与a d 的电压范围相适应。当 信号的最大电压加上增益后超过了板卡的最大电压，超出部分将被截断而读出 错误的数据。 对于n i 公司的采集卡选择增益是在l a b v i e w 中通过设置信号输a 限$ g ( i n p u t l i m i t s ) 来实现的。l a b v i e w 会根据选择的输入限制和输入电压范围的大小来自动 选择增益的大小。 一个采集卡的分辨率、范围和增益决定了可分辨的最小电压。例如，某采集 卡的分辨率为1 2 位，范围取o 1 0v ，增益取1 0 0 ，则有最小分辨电压为1 0v ( 1 0 0 4 0 9 6 ) z2 4p v 。这样，在数字化过程中，最小能分辨的电压就为2 4 “v 。 选择合适的增益和输入范围要与实际被测信号匹配。如果输入信号的改变量 比采集卡的精度低，就可以将信号放大，提高增益。选择一个大的输入范围或 降低增益可以测量大范围的信号，但这是以精度的降低为代价的。选择一个小 的输入范围或提高增益可以提高精度，但这可能会使信号超出a d 允许的电压 范围。 第三章l a b f i e w 系统、l a b 、，i e w 数据采集及其仪器拄制 3 2 4l a b v i e w 图形编程环境中模拟信号数据采集模块 l a b v i e w 中数据采集部分的模块按照难易程度分为四种类别； 1 ) 简易模块v i s ( e a s ea n a l o gv l s ) 2 ) 中级模块v i s0 n t e r m e d i m ea n a l o gi n p u tv l s ) 3 ) 通用模块v i s ( a n a l o gi n p u tu d l i wv i s ) 4 ) 高级模块v l s ( a d v a n c e da n a l o gi n p mv l s ) 简易模块v i s 可以作为单独的v i ，也可以作为s u b v i 来使用。这些模块可以 自动发出错误警告信息，在对话框中可以选择中断运行或忽略。但是比较复杂 的应用需要使用其它的类型。中级模块v