設(shè)計一個CCD成像的實驗系統(tǒng)

1、 5mm) 設(shè)計一個CCD成像的實驗系統(tǒng)，用來檢測由一臺激光器輸出光束(光斑直徑 經(jīng)擴束(20 )、濾波、準(zhǔn)直后的光斑直徑、模式、光斑的均勻性，說明設(shè)計原理， 使用的儀器及光學(xué)零部件，簡述實驗步驟。 He - Ne激光器的模式(指橫模)和遠場發(fā)散角是激光器的基本參數(shù)之一。在激光準(zhǔn)直、導(dǎo)航等許多 應(yīng)用中使用的He- Ne激光器，既要求是TEM,有要求激光朿具有很好的方向性和準(zhǔn)直性。而激光 器的遠場發(fā)散角越小，輸出光朿準(zhǔn)直距離越長，即準(zhǔn)直性越好。我們能夠把共焦腔基模光束的空間 分布情況，用如下的空間曲線方程表示： =1 (1) x? + y2 2(o) 式中，(0)是Z二0處基模光斑半徑，也就是高

2、斯光束的束腰半徑。TEM模光束沿X軸是按 雙曲線規(guī)律變化的，包含Z軸的任何一小平面，如XZ平面內(nèi)，光束傳播、 軌跡是兩條雙曲線包圍部分，如圖I所示。在垂直于Z軸的平面內(nèi)是一個圓，在橫截面內(nèi)，其光強分 布是高斯型 的。圓的大小就是基模光斑半徑( z)=001：1 + 丫二 1 2丿 3 (z)代表在Z處光斑半徑，即光強度下降到屮心強度的I/e2時，對應(yīng)的半徑 r 鑒別He - Ne激光器輸出光朿是否是TEM模，最簡單 的方法是讓激光束垂直射到距離激光器輸出端1米處 的白屏上，觀察光斑的亮度分布。若是基模光斑，它是 一個圓，中心光強最大，則He Ne激光器工作在TEM 模。精確的方法是用掃描干涉儀

3、，在示波器上觀察激光 器的輸出頻譜，如果激光器輸出光束是基橫模，那么， 在示波器上就能觀察到同一熒光譜線內(nèi)各個振蕩縱模 C/2L的頻率間隔的均勻分布。本實驗采用 計算機和CCD 攝象機與A/D采集卡結(jié)合，記錄下光斑的強度分布，以 鑒別它是否是高斯分布，從而確定激光器是否工作在TEM 模?；９獍叩膹姸确植际歉咚?式中，I為距離光斑中心為Z處的光強，I為光斑中心強度，(z)為距離束腰Z處的光斑半徑。 它指強度下降到光斑屮心強度l/e= 0. 135時的圓的半徑，如圖2所示。對)式兩邊取對數(shù), 則有：log I 紳一& x： log L腕(z)(4) 我們只要測出光斑強度沿Z軸的分布，并記錄下有關(guān)

4、曲線，經(jīng)過計算，就能作出loglx的曲 線，如果是一條直線，即logl與x線性關(guān)系，這表明He Ne激光器輸岀光束光強是高斯分布的。 所以He Ne激光器工作在TEM基模狀態(tài)。 2.遠場發(fā)散角的測定 激光光束盡管方向性很好，但不是理想的平行光束， 場發(fā)散角來衡量激光束的準(zhǔn)直性好壞。而是有一定的發(fā)散角。常用激光器的遠 即方向性越好，準(zhǔn)直性也越好。如圖遠場發(fā)散角越小，表明激光束的能量在方向上越集中，1 中，基模高斯光朿的遠場發(fā)散角定義為兩條雙曲線間 l%o 的夾角0,即：班Z) - d, (z) dz lim (z)- n Z很大時，我們 式屮，。是z二0處的光斑半徑，即為通常所說的激光光束的腰粗

5、。因此，對 lim (z) 還可以用下式定義遠場發(fā)散角：v(r)二lim (z) 而實際測量遠場發(fā)散角時，不可能在無窮遠處去測量, 只能采用近似的方法。 為了又能較準(zhǔn) 確地測量班：)由方程和式，我們定義一個參數(shù)Zf =0. 99 2 - 0 ，Zf 由(8)式可以求得: 這表明，當(dāng)我們在距離輸出端z Zf處測量光斑半徑，計算出的遠場發(fā)散角誤差小于 上式中的對于凹面腔：一丄 式中L是待測He-Ne激光器腔長，R是凹面鏡之曲率半徑。在實驗中，對于 .(zj的測量是 和TEMoo模式鑒別結(jié)合起來的。利用logl X2曲線，如是高斯分布的TEM。模，則曲線就是一條 直線。根據(jù)公式(4),求得直線的斜率

6、a為： 21oge ,、2 log e“八 將(11)式代入(7)式中，便求得d (Zf )。 如圖3所示，分別測量zl, z2兩處的光斑尺寸(乙)和-(zj，也能直接算出光束的遠場發(fā) 散角。 T tg V(Z2) (J Zz 乙 (12) 圖3發(fā)散角的直接測就法 光學(xué)諧振腔的振蕩模式可分布為縱模和橫模兩類。諧振腔內(nèi)部沿軸向形成穩(wěn)定的駐波花樣成 為縱模。光場在橫向不同的穩(wěn)定分布通常稱為不同的橫模。即諧振腔內(nèi)的每一種激光模，它 的一個主要性質(zhì)是在它的橫截面上的振幅分布的圖樣不應(yīng)隨時間而改變。所以激光器的橫模 實際就是諧振腔所允許的能保持穩(wěn)定不變的光場的各種橫向分布。對于不同的橫模，光場在 4所不

7、。 垂直光傳播方向（即腔軸方向）的橫截面上就有不同的強度分布。橫摸花樣如圖 (a)TEMoo(b)TEMio(eTEMu 圖斗橫模花桿 實驗裝置 本實驗系統(tǒng)由三部分組成：光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝象機和計算機處理部分，實驗光路如圖5所示: 實驗步驟 1按實驗原理圖調(diào)整光路，注意對雜散光的屏蔽； 2 打開激光器電源，激光點燃后預(yù)熱 30分鐘，使其輸出穩(wěn)定； 3 打開計算機電源，熟悉CCD控制軟件的操作過程，切記在CCD工作過程中，避免任何強光照射 CCD接收芯片，否則會引起CCD信號飽和直至CCD芯片燒毀。 4. 用計算機桌面上的“CAPTURE圖標(biāo)進行激光朿截面光強的CCD攝像，把鋪獲的光強存入計算 機；點擊實時顯菜單，調(diào)節(jié)兩偏振片之間的角度，直至呈現(xiàn)一圓形、中心無光飽和光斑，按停止菜 單。記錄光斑中心最亮點Io的灰度值，并記錄其坐標(biāo)值。在光斑上尋找三個不同的0. 1351。點，分 另U記錄其坐標(biāo)。并記錄下此時CCD的位置Zio 5. 把CCD移動10cm左右，重復(fù)上述測量。最后按下ctrl+s鍵，保存圖像文件，關(guān)閉OKDemo軟