设计一个CCD成像的实验系统.doc

设计一个CCD成像的实验系统，用来检测由一台激光器输出光束（光斑直径5mm）经扩束（20X）、滤波、准直后的光斑直径、模式、光斑的均匀性，说明设计原理，使用的仪器及光学零部件，简述实验步骤。HeNe激光器的模式（指横模）和远场发散角是激光器的基本参数之一。在激光准直、导航等许多应用中使用的HeNe激光器，既要求是TEM，有要求激光束具有很好的方向性和准直性。而激光器的远场发散角越小，输出光束准直距离越长，即准直性越好。我们能够把共焦腔基模光束的空间分布情况，用如下的空间曲线方程表示：（1）式中，（0）是Z0处基模光斑半径，也就是高斯光束的束腰半径。TEM模光束沿X轴是按双曲线规律变化的，包含Z轴的任何一小平面，如XZ平面内，光束传播轨迹是两条双曲线包围部分，如图l 所示。在垂直于Z轴的平面内是一个圆，在横截面内，其光强分布是高斯型的。圆的大小就是基模光斑半径（z）：（2）（z）代表在Z处光斑半径，即光强度下降到中心强度的le时，对应的半径。由此可见，光斑半径（z）随|z|增大而增大。鉴别HeNe激光器输出光束是否是TEM模，最简单的方法是让激光束垂直射到距离激光器输出端1米处的白屏上，观察光斑的亮度分布。若是基模光斑，它是一个圆，中心光强最大，则HeNe激光器工作在TEM 模。精确的方法是用扫描干涉仪，在示波器上观察激光器的输出频谱，如果激光器输出光束是基横模，那么，在示波器上就能观察到同一荧光谱线内各个振荡纵模C/2L的频率间隔的均匀分布。本实验采用计算机和CCD摄象机与A/D采集卡结合，记录下光斑的强度分布，以鉴别它是否是高斯分布，从而确定激光器是否工作在TEM模。基模光斑的强度分布是高斯分布，在一维情况下，表示为：（3）式中，I为距离光斑中心为Z处的光强，I为光斑中心强度，（z）为距离束腰Z处的光斑半径。它指强度下降到光斑中心强度1/e0.135时的圆的半径，如图2所示。对（3）式两边取对数，则有：（4）我们只要测出光斑强度沿Z轴的分布，并记录下有关曲线，经过计算，就能作出logIx的曲线，如果是一条直线，即logI与x线性关系，这表明HeNe激光器输出光束光强是高斯分布的。所以He一Ne激光器工作在TEM基模状态。2.远场发散角的测定激光光束尽管方向性很好，但不是理想的平行光束，而是有一定的发散角。常用激光器的远场发散角来衡量激光束的准直性好坏。远场发散角越小，表明激光束的能量在方向上越集中，即方向性越好，准直性也越好。如图1中，基模高斯光束的远场发散角定义为两条双曲线间的夹角，即：（5）在远场，即时，（6）式中，是z=0处的光斑半径，即为通常所说的激光光束的腰粗。因此，对Z很大时，我们还可以用下式定义远场发散角：（7）而实际测量远场发散角时，不可能在无穷远处去测量，只能采用近似的方法。为了又能较准确地测量由方程(5)和(6)式，我们定义一个参数（8）由（8）式可以求得：（9）这表明，当我们在距离输出端处测量光斑半径，计算出的远场发散角误差小于1。上式中的，对于凹面腔：（10）式中L是待测He-Ne激光器腔长，R是凹面镜之曲率半径。在实验中，对于的测量是和TEMoo模式鉴别结合起来的。利用logI x曲线，如是高斯分布的TEM00模，则曲线就是一条直线。根据公式（4），求得直线的斜率为：（11）将（11）式代入（7）式中，便求得。如图3所示，分别测量z1，z2两处的光斑尺寸和，也能直接算出光束的远场发散角。（12）光学谐振腔的振荡模式可分布为纵模和横模两类。谐振腔内部沿轴向形成稳定的驻波花样成为纵模。光场在横向不同的稳定分布通常称为不同的横模。即谐振腔内的每一种激光模，它的一个主要性质是在它的横截面上的振幅分布的图样不应随时间而改变。所以激光器的横模实际就是谐振腔所允许的能保持稳定不变的光场的各种横向分布。对于不同的横模，光场在垂直光传播方向（即腔轴方向）的横截面上就有不同的强度分布。横摸花样如图4所示。实验装置本实验系统由三部分组成：光学系统、CCD摄象机和计算机处理部分，实验光路如图5所示：实验步骤1按实验原理图调整光路，注意对杂散光的屏蔽；2打开激光器电源，激光点燃后预热30分钟，使其输出稳定；3打开计算机电源，熟悉CCD控制软件的操作过程，切记在CCD工作过程中，避免任何强光照射CCD接收芯片，否则会引起CCD信号饱和直至CCD芯片烧毁。4用计算机桌面上的“CAPTURE”图标进行激光束截面光强的CCD摄像，把铺获的光强存入计算机；点击实时显菜单，调节两偏振片之间的角度，直至呈现一圆形、中心无光饱和光斑，按停止菜单。记录光斑中心最亮点I0 的灰度值，并记录其坐标值。在光斑上寻找三个不同的0.135I0 点，分别记录其坐标。并记录下此时CCD的位置Z1。5把CCD移动10cm左右，重复上述测量。最后按下ctrl+s键，保存图像文件，关闭OKDemo 软件。6打开桌面上