激光光束特性参数测量技术研究

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随着激光技术的快速发展与广泛应用,合理地评估激光光束质量已成为激光光学领域的前沿课题,客观地测量激光光束特性参数,对激光器的设计、制造、检测和应用具有极其重要的意义。因此,迫切需要研制出能够定量、快速、客观、综合评价激光光束质量的测量仪器,为此,本文针对激光光束特性参数的测量技术开展了相关研究。  本文在了解与综合分析激光光束特性参数测量技术的国内外现状基础上,针对激光光束的束腰几何尺寸、发散角、质量因子等特性参数的测量问题,开展了相关基础理论、激光光束特性参数测量方法研究,设计了激光光束特性参数测量系统,着重对其超消色差聚焦光学系统、光强连续调节技术、光轴对准技术等关键技术进行了深入研究,从理论上分析了系统误差,并通过实验对所研究的系统可行性与正确性进行了验证。  深入研究了高斯光束的基本性质及其传输与变换特性,阐述了激光光束质量特性参数及其测量方法,从矩阵理论和光束参数计算两个方面论述了光束质量因子(M2)的评价理论,探讨了激光光束特性参数的高斯-牛顿迭代法和拉格朗日-高斯-牛顿迭代法两种拟合方法,为激光光束特性参数测量奠定了理论基础。  设计了一种激光光束特性参数测量系统,给出了测量系统的组成与总体方案,论述了测量系统的工作原理。通过超消色差光学系统、光强连续调节系统、光轴调节系统和CCD图像采集与数据处理系统,实现了工作波段400~1100nm的激光光束特性参数测量。  研究了CCD图像采集与数据处理过程中的关键技术问题。系统分析了光斑边界的判定、光斑中心的定位和光斑尺寸的标定方法,通过激光光斑图像噪声的分析研究了图像的预处理算法;通过软件设计实现了系统的控制、图像的采集与预处理、激光光束特性参数测量数据的处理。  采用四象限探测器与CCD相结合技术,研究了光轴调节系统,提出了一种被测光束光轴与测量系统光轴同轴的精密测量与调整方法,缩短了测量系统光路调整时间。  针对测量过程中激光光斑的峰值强度适于CCD信号探测问题,对光强连续调节技术进行了研究,基于电光调制原理,采用偏振光变换与电光相位延迟技术,提出了一种被测激光束强度的连续调节方法,消除了光强调节器对光束偏振态的依赖性,实现了任意偏振态被测激光束的强度连续调节,增大光强调节的范围。  为解决不同波长被测激光束成像质量问题,基于波像差理论,优化设计了一种400~1100nm的超消色差聚焦光学系统,确定了光学系统的结构与参数,给出了相关像差曲线,设计结果表明光学系统在整个工作波段的焦移为44.3μm,在CCD探测面上的光斑最大变化量为2.77μm,远小于CCD像元尺寸4.65μm,可满足不同波长被测激光束的测量要求。  搭建了激光光束特性参数测量的实验装置,并对本装置进行了校准测试,校准结果表明本系统的不确定度U为4%;对比研究了两种不同的灰度采样范围情况下M2因子的测量结果,结果表明采样范围较小时其多次测量的重复精度较高;针对同一台测试激光源,采用本测量装置与美国SPIRICON公司的M2-200S光束质量测量仪进行比对测量,验证了本测量系统测量结果的可信度;理论分析了影响本系统测量精度的误差来源,并求取光束质量因子M2的测量误差。
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