激光光束質(zhì)量參數(shù)測量的實驗研究講解_第1頁
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文檔簡介

1、第24卷第6期2000年 12 月激 光 技 術(shù) LASERTECHNOLOGYVol.24,No.6December,2000激光光束質(zhì)量參數(shù)測量的實驗研究 趙長明(北京理工大學光電工程系,北京,100081)摘要:采用CCD系統(tǒng)實驗測量了 LD泵浦Nd : YAG激光器的光束質(zhì)量參數(shù),研究 了 CCD 系統(tǒng)的背景噪聲特性和積分區(qū)域選取對光束質(zhì)量參數(shù)測量的影響,從實驗數(shù)據(jù)中得到 以下結(jié)論:(1)在有、無背景光兩種條件下,背景記數(shù)強烈地依賴于曝光時間和像素 的合并,溫度影響可以忽略不計;(2)為獲得M2合理的測量結(jié)果,至少要選擇5%積分 區(qū)域。關鍵詞:M2因子 CCD攝像機光束質(zhì)量Inv es

2、tigatio non theexperime ntalmeasureme ntoflaserbeamqualityZhaoCha ngming(Dept.ofOpticalE ngi neeri ng,Beiji ngI nstituteofTech nology,Beiji ng,100081) Abstract:ThebeamqualityofaLDpumpedNd : YAGlaserismeasuredwithCCDcamerasyst em.Thebackgro un dcharacteristicsoftheCCDsystema ndthe in flue nceofthesiz

3、eofi ntegralboxup onm easureme ntresultsarei nvestigated.Thefollowi ngcon clusio nscan bederivedformexperi men talresults:(1)Backgro un disstr on glydepe ndup on exposuretimea ndpixelb innin g,whilet emperaturehasa nig norableeffectup on it,whetherwithorwithoutambie ntlight.(2)A5%2cuti sthemi nimu m

4、valuei nordertogetareas on ableresult.Keywords:M2factor CCDcamera beamquality引 言激光光束質(zhì)量參數(shù),即M2因子的測量是近幾年研究的一個熱點。ISO建議的測量 方法包括兩維面陣探測系統(tǒng)或二維單元掃描系統(tǒng)、套孔法、移動刀口法和移動狹 縫法1。用以電荷耦合器件(CCD)為代表的面陣探測器件測量激光光束質(zhì)量參數(shù) 具有速度快、數(shù)據(jù)量大和易于計算機處理的優(yōu)點,特別是對于脈沖激光的測量具有特殊的優(yōu)勢。CCD器件用于定量測量存在的問題是:直流基線漂移和隨機噪聲。 因為基于二階矩方法定義的束寬是以距離平方作為積分權(quán)重的,遠離光束中心的

5、隨機噪聲會對積分結(jié)果產(chǎn)生較大的影響2,為此,測量中要適7Zha ngShL,LuM,WuMXetal.OptCommu n,1993;96 :245 2488 韓艷梅,張書練,李克蘭1激光技術(shù),1997;21(2):1111149 ZhangShL,LiKL,WuMXetal1OptCommun,1992;90:279 282333作者簡介:李 巖,男,1963年5月出生。博士,副教授。從事激光及光電系統(tǒng)的研究 和光電儀器設計。傅 杰,男,1973年10月出生。碩士研究生?,F(xiàn)主要從事頻率分裂雙頻激光器技術(shù)及其應用方面的研究。張書練,男,1945年10月出生。教授,博士生導師,美國OSA會員。現(xiàn)

6、主要的研究領 域為光學與激光,光電技術(shù)及系統(tǒng)的理論其應用。收稿日期:1999209206 收到修改稿日期:1999210211? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.342激 光 技 術(shù)2000年12月當選擇積分區(qū)域的大小。一些理論研究結(jié)果給出過選擇積分區(qū)域的準則 3,即 以束寬的某一倍數(shù)作為積分區(qū)域,而束寬正是欲測參數(shù)。所以,對于一個未知的待 測光束如何選擇積分區(qū)域,還沒有可以應用的測量準則。因此,有必要從實驗上研 究光束質(zhì)量的測量問題。下面報道了作者在德國柏林技術(shù)大學物理系光學研究所

7、H.Weber教授的研究組訪 問期間,在激光光束質(zhì)量參數(shù)測量方面的一些實驗結(jié)果Nd:YAGHR 11164outputCCD camear withvariable attenuatorcoupler attenuator口于口H0 II G |=| foruising knsecnntrolkt*fibre coupled IJ)cimputer|1實驗裝置實驗是在一臺LD泵浦的Nd : YAG激光 器上進行的丄D泵浦光通過光纖直接耦合到Nd : YAG晶體上,諧振腔由鍍在Nd : YAG晶體 上的高反膜和獨立的輸出鏡構(gòu)成,通過機械平 移機構(gòu)改變泵浦光在晶體上的位置,或通過調(diào) 節(jié)輸出鏡,都可

8、以獲得基橫?;蚋鞣N階次的高 階單橫模,在大多數(shù)情況下獲得的是矩形對稱已 Inx乙 puncMocjNJEq J= USSH_20-*-with Ambience light -*-witKout ambience light0 10 20leniperaturc ( C )Fig.1 Laserbeamqualityparametermeasurementexperimentalset的厄米 2 高斯 模,經(jīng)過仔細調(diào)整也可以獲得圓對稱的拉蓋爾2高斯模。光強 的衰減由中性玻璃衰減片和PHO2Fig.2 Varia nceofbackgro un dco un tswith05 0 5 0$ O

9、54 33 2 2 11temperatureFig.3 VarianceofRMSDofback2groundwithtemperatureTON 公司的可變 衰減器共同完成。CCD攝像機采用Princetonlnstruments公司的MicroMAX 系統(tǒng), 圖像的采集采用 Winview軟件,光束參數(shù)計算采用B.Eppich博士編寫的 BEAMPROF軟件。實驗裝置見圖1.without ambience lightambitnce lightI 23exposure time( IOnms)2實驗結(jié)果 首先測量了不同 情況下CCD攝像機 的背景噪聲特性。圖2為有、無背景光照射條件下,

10、背 Fig.4 VarianceofbackgroundwithFig.5 VarianceofRMSDofback2景噪聲記數(shù)隨溫度的 exposuretime(15C ,568 17groundwithexposuretime (15C,568 Qixels)517pixelswith unibient light -卓-without nmbient light01234exposure tinie( J 0nms)變化情況。圖3為有、無背景光照射條件下,背景噪聲記數(shù)的標準方差隨溫度的變化情況,可見,在本 實驗條件下,背景光并不增加背景記數(shù)及其標準方差,溫度的影響亦可忽略。圖4 為有、無

11、背景光照射條件下,背景噪聲記數(shù)隨曝光時間的變化情況,圖5為有、無 背景光照射條件下,背景噪聲記數(shù)的標準方差隨曝光時間的變化情況,同樣,背景光 的影響可以忽略,而曝光時間的影響是很顯著的。圖 6和圖7則顯示了像素的合并 (binning)對背景噪聲記數(shù)及其方差的影響。? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.05 H) 15202530pixel numbers of binning第24卷 第6期趙長明激光光束質(zhì)量參數(shù)測量的實驗研究34 3其次,測量并計算了各種模式(TEM00,donut,

12、TEM7,0350pixel numbers of binning和TEM10,0)的光束質(zhì)量參數(shù)。這些實驗的目的是研究如何選擇積分區(qū)域的大小,以獲得合理的測量結(jié)果。實驗中對同一個測量光斑選取不同大小的積分區(qū)域。 積分cut n % of peak value( % )Fig.6 Varia nceofbackgro un dwith binning(15 C ,100ms)Fig.7 Varia nceofRMSDofback2 groundwithbinning(15 C ,100ms)區(qū)域的選取和標記根據(jù)以下方法:使區(qū)域外的最大值是整個圖像上最大值的一個固 定百分比,并稱其為百分之幾積分

13、區(qū)域。Fig.8 Varia nceofM2with n%2cutforTEM00(15 C,100ms,1136 X1034pixels)Fig.9 Varia nceofw0with n%2cut2 forTEM00(15 C ,100ms,1136X034pixels)不加任何限制時即為 零積分區(qū)域,計算中積分區(qū)域從0取到15ulmJq0246810 12 14 ltcut n % penk value (% )%,觀察其對光束-direction j-dire*tion質(zhì)量參數(shù)測量的影響。圖8至圖12分別顯示出當積分區(qū)域改變時,對TEM00模的M2因子、束腰w0及其位置Z0、發(fā)散角a瑞

14、利長度ZR的影響。一個共同特征Fig.10 Varia nceofthetawith n%2 cutforTEM00(15 C ,100ms,1136 X034pixels)Fig.11 Varia nceofZ0with n%2cutfor TEM00(15 C ,100ms,1136 W34pixels246*1() 12 14 16cut “ of peak value( % )是:當積分區(qū)域選擇過大時,上述參數(shù)均呈現(xiàn)劇烈變化的態(tài)勢,隨著積分區(qū)域的縮小,各種參數(shù)趨于穩(wěn)定。圖 13至圖 15分別顯示出當積 Fig.12 VarianceofZRwithn%2cutforFig.13 Var

15、ia nceofM2with n%2cutforTEM00(15 C,100ms,1136 分區(qū)域改變時,對環(huán) donu tmode(15C ,100ms,1136 xi034pixels)1034pixels)形模(donu tmode)、TEM7,0模和TEM10,0模的M2因子的影響,變化趨勢與TEM00模情況相同。? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.4035一一 ydirection0 246810 12 14 16cut / % of peak value( % )344激

16、光 技術(shù)2000年12月3討 論從圖2至圖5可見,背景光對背景記數(shù)及其方差沒有影響,這是由于背景光比激光的功率密度低 Fig.14 VarianceofM2withn%2Fig.15 VarianceofM2withn%2cutfor 至少 3 個數(shù)量級,實 cutforTEM7,0(15 C ,TEM10,0(15 C ,100ms,568 X100ms,568 g17pixels)517pixels3()25一一 a-direction 一4- v-ilircvtioiiz 2( 15工10*r土亠_5粗024681 12 14 16cut n % of peak value( % )驗中

17、用衰減器選擇激光束的峰值接近CCD飽和狀態(tài),此時背景光強已低于CCD探測閾值。實驗中溫度 的變化范圍是-15C20C ,在此范圍內(nèi)溫度對背景記數(shù)及其方差也沒有影響,所以, 實驗測量中沒有必要將溫度設置過低。但曝光時間對背景記數(shù)及其方差影響很大 背景記數(shù)及其方差隨曝光時間增長,實驗中應盡量縮短曝光時間。像素的合并 (binning)是將相鄰幾個像素相加,可以起到平滑的作用,同時也將顯著地增加背景記 數(shù)及其標準方差。對于待測的激光束,M2因子的真值是未知的;對于M2因子測量儀器的準確性,目前 還沒有公認的檢測方法。實驗測量中通過選擇不同的積分區(qū)域大小,視其對M2因子的影響,以便找出合適的積分區(qū)域,

18、在此區(qū)域內(nèi),測量結(jié)果應保持穩(wěn)定,不隨積分區(qū) 域的變化而劇烈起伏。從圖8可見,對TEM00,模當積分區(qū)域改變時,其M2因子可 從3.0變化到1.0,而理論值應為1.0,表明積分區(qū)域的選取對于獲得合理測量結(jié)果是 非常重要的。對束腰 w0及其位置Z0、發(fā)散角從瑞利長度ZR的測量表現(xiàn)出共 同特征。對環(huán)形模(donutmode)、TEM7,0模和TEM10,0模的測量也顯示出相同的 變化趨勢。4結(jié) 論從上述實驗結(jié)果中可以得出幾點結(jié)論:(1)在有、無背景光兩種條件下,溫度對背景 記數(shù)及其標準方差的影響可以忽略不計;(2)在有、無背景光兩種條件下,背景記數(shù) 及其標準方差強烈地依賴于曝光時間;(3)像素的合并(binning)將極大地增加背景記 數(shù)及其標準方差。(4)積分區(qū)域的選擇對測量非常關鍵,錯誤的選擇可導致荒謬的 結(jié)果;(5)為獲得合理的測量結(jié)果,至少要選擇5%積分區(qū)域。積分區(qū)域小于5%時,測 量結(jié)果劇烈起伏。積分區(qū)域在 5%10%變化時,測量結(jié)果的起伏小于10%。作者衷心感謝德國柏林技術(shù)大學物理系光學研究所H.Weber教授的指導,感謝該所H丄aabs博士對實驗工作的幫助。參考文獻1 Doc

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