CN101728753B - 激光谐振腔的调腔系统及其调腔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光谐振腔的调腔系统，该调腔系统包括输出导引光的激光器、激光谐振腔和辅助装调设备，辅助装调设备包括CCD摄像机、图像采集处理系统和数据显示设备，图像采集处理系统包括采集单元和图像处理单元，CCD摄像机、采集单元、图像处理单元和数据显示设备通过数据线依次连接，激光器、激光谐振腔和辅助装调设备的CCD摄像机沿光路方向依次布设。调腔时激光器发出的导引光经衰减片衰减后进入激光谐振腔，多次往返后输出的光束经缩束后入射到CCD摄像机的光敏面上形成干涉条纹图像信息，该图像信息由图像采集处理系统进行采集和处理后得到对称度数据，最后根据获取的对称度数据对激光谐振腔中的腔镜进行调节。

Description

激光谐振腔的调腔系统及其调腔方法

技术领域

本发明涉及一种光学谐振腔的配套组件及使用方法，尤其涉及一种光学谐振腔调腔系统及其调腔方法。

背景技术

激光谐振腔是激光器中实现激光能量提取和输出的关键器件，激光谐振腔的准直与否将直接影响激光器的输出光束质量和输出功率的稳定性，因此激光器在安装或运行时都要进行激光谐振腔腔镜的装调，使其腔镜位置达到设计要求才能实现预定的输出指标。

激光谐振腔分为非稳腔和稳定腔两大类，采用非稳腔的激光器输出光束波前为球面波或平面波，一般用于高能激光器；采用稳定腔的激光器输出为高斯光束，一般用于低能量输出的激光器。目前，非稳腔的调腔方法一般如图1所示，先采用He-Ne激光器1输出的高斯光束作为导引光，经过凹面镜21上的小孔注入到非稳腔2中，导引光在非稳腔2中经凸面镜22和凹面镜21多次往返扩束后，经输出耦合镜23输出腔外，使输出光束通过透镜3聚焦在焦平面4上观察焦斑图样，最后通过如图2所示的焦斑的干涉条纹形状的对称性来判断非稳腔2是否准直，再根据观察结果反复调节非稳腔2中的各个腔镜，直到获得对称的干涉图样。目前，稳定腔的调腔方法一般如图3所示，采用He-Ne激光器1输出的高斯光束作为导引光，导引光通过分光镜51后进入稳定腔5，先经输出镜52部分反射形成部分反射光束，透过输出镜52的部分光束再经反射镜53反射后，形成反射光束。反射光束又一次透过输出镜52，之后与部分反射光束一起经过分光镜51反射后到达观察屏6，产生的干涉条纹如图4所示，通过干涉条纹的对称性来判断稳定腔5是否准直。

现有技术中，无论是稳定腔还是非稳腔的装调，都需要通过人眼观察条纹的对称性来判断激光谐振腔中的腔镜是否准直。然而在实际的调腔过程中，由于人眼观察的主观性，无法定量判别干涉条纹的对称性，因此不同操作人员对干涉条纹是否对称的判断是具有主观不确定性的，这将导致调腔的精度和可重复性降低。此外环境振动和空气扰动会使干涉条纹图像出现图像模糊、吞吐现象，这就使人眼观察判断的准确性和重复性进一步降低。

CN100555772C号中国专利文献公开了一种采用基于自准直反馈光路的调腔方法，其可以实现共焦非稳腔的高精度装调，但这种方法需要使用像差探测系统，该像差探测系统较为昂贵，且该方法也仅适用于非稳腔的装调，具有一定的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能有效克服现有调腔方法中人眼判断的主观性和随机性、且调腔精度更高、重复性更好、成本更小的激光谐振腔调腔系统，同时还提供一种步骤简单、操作方便、成本小、可大范围推广应用的激光谐振腔的调腔方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种激光谐振腔辅助装调设备，其特征在于：所述辅助装调设备包括CCD摄像机(即电荷耦合元器件)、图像采集处理系统和数据显示设备，所述图像采集处理系统包括采集图像信息的采集单元和对采集后的图像信息进行干涉条纹图像数字处理的图像处理单元，所述CCD摄像机、采集单元、图像处理单元和数据显示设备通过数据线依次连接。所述激光谐振腔输出的、且经过缩束后的光束入射在所述CCD摄像机的光敏面上。

上述的激光谐振腔辅助装调设备中，所述CCD摄像机优选为不带镜头的CCD摄像机，这样能更好地避免镜头及其光阑所引起的杂光。

本发明还提供一种激光谐振腔的调腔系统，其特征在于：所述调腔系统包括输出导引光的激光器、激光谐振腔和上述的辅助装调设备，所述激光器、激光谐振腔和辅助装调设备的CCD摄像机之间依次通过光路形成配合。即由激光器发出的导引光经激光谐振腔多次往返后输出，最后入射到辅助装调设备的CCD摄像机光敏面上。

上述的调腔系统中，所述激光器与激光谐振腔之间优选设置有一具有连续可调衰减倍率的衰减片。激光器发射出的导引光细光束经衰减片后作为激光谐振腔光轴，衰减片垂直于该激光谐振腔光轴，该衰减片面向所述激光器的一面镀有增透膜，另一面镀有衰减吸收膜，使所述激光器发出的导引光的透过率从99.9％～0的范围内连续可调。衰减片的主要作用是控制导引光的强度，使所述CCD摄像机光敏面上的光强最终达到更合适的强度，不至于使CCD饱和或光强不足。

上述的调腔系统中，所述激光谐振腔包括现行激光器研究领域定义的各类非稳腔及稳定腔，但优选为下述的非稳腔或稳定腔；

所述非稳腔包括凹面镜、凸面镜和输出藕合镜，所述凹面镜上开设有一使所述导引光注入非稳腔内的通孔，所述输出耦合镜置于凹面镜和凸面镜之间并靠近凸面镜，所述输出耦合镜为中心开孔的平面反射镜，且非稳腔光轴过输出耦合镜的中心；所述非稳腔外设有对非稳腔输出光束进行缩束的透镜，所述透镜的光轴过输出耦合镜的中心；

所述稳定腔包括反射镜和输出镜，所述稳定腔组件与所述衰减片之间设有一分光镜，且稳定腔光轴过分光镜的中心，所述输出镜位于所述分光镜与反射镜之间；所述稳定腔外设有对稳定腔输出光束进行缩束的透镜，所述透镜的光轴过所述分光镜的中心。所述分光镜面向导引光的一侧镀有对导引光增透的膜层，以避免光束在分光镜两个界面处的反射引起干涉条纹图像质量的下降。

上述的调腔系统中，所述输出耦合镜的镜面与非稳腔光轴优选呈45°夹角α；所述分光镜的镜面与稳定腔光轴优选成45°夹角β；所述透镜优选为消像差透镜，所述消像差透镜可以为单透镜或透镜组，所述透镜的光轴与所述非稳腔光轴或稳定腔光轴垂直，且该透镜的光轴过所述CCD摄像机的光敏面中心并与该光敏面垂直。所述消像差透镜的主要功能是可以将调腔导引光经激光谐振腔往返后输出的光束放大或缩小，以便使激光谐振腔输出光束的横截面可以占据所述CCD摄像机光敏面的80％～90％的区域，以更利于所述的图像处理单元对干涉条纹图像信息的识别与提取。

本发明还提供一种激光谐振腔的调腔方法，该方法与上述的激光谐振腔辅助装调设备及调腔系统属于同一发明构思，且上述的激光谐振腔辅助装调设备及调腔系统可用于本发明的调腔方法中，该调腔方法包括以下步骤：首先，激光器发出的导引光经衰减片衰减后进入激光谐振腔，经激光谐振腔多次往返后输出的光束经透镜缩束后入射到一CCD摄像机的光敏面上形成多光束干涉条纹图像信息，该图像信息由一图像采集处理系统进行采集和处理后得到干涉条纹图像骨架线，根据该干涉条纹图像骨架线获取调腔干涉条纹的对称度数据并使该数据信息显示在一数据显示设备上，最后根据显示出的对称度数据对激光谐振腔中的腔镜进行调节，直至显示的对称度数据满足要求，调腔结束。

上述的激光谐振腔的调腔方法中，所述图像采集处理系统优选包括采集所述图像信息的采集单元和对采集后的图像信息进行干涉条纹图像数字处理的图像处理单元，所述图像处理单元的处理流程优选包括读入图像、变换灰度、去除背景、二值化、形态学开运算、提取干涉条纹图像骨架线、获取调腔干涉条纹的对称度数据七个步骤。

上述的激光谐振腔的调腔方法中，所述图像处理单元的处理流程中所包括的各个功能步骤均可通过现有成熟的数字图像处理算法自行编程予以实现，优选通过matlab软件制作的干涉条纹图像数字处理程序在计算机系统中实现，其中：

所述去除背景步骤优选是通过以“disk”结构元素作为参数的下述matlab函数(见下式(1))实现：

background＝imopen(J，strel(′disk′，x))；    (1)

J₁＝imsubtract(J，background)

上式(1)中J为变换灰度步骤后所得的函数值；J₁为去除背景步骤后所得的函数值；

所述形态学开运算步骤优选是通过以“disk”结构元素作为参数的下述matlab函数(见下 式(2))实现：

SE＝strel(′disk′，x)；

J₃＝imerode(J₂，SE)；    (2)

J₄＝imdilate(J₃，SE)；

上式(2)中J₂＝im2bw(J₁，x)；J₃、J₄分别为腐蚀、膨胀运算后所得的函数值；

所述提取干涉条纹图像骨架线步骤是通过下述matlab函数(见下式(3))实现：

J₅＝bwmorph(J₄，′thin′，Inf)；    (3)

上式(3)中J₅为提取干涉条纹图像骨架线步骤后所得的函数值。(具体实施方式中的J、J₁、J₂、J₃、J₄、J₅各参数的含义与上述各参数的含义相同)

上述的激光谐振腔的调腔方法中，所述获取调腔干涉条纹的对称度数据的具体方法可以是：先过所述干涉条纹图像骨架线的中心建立一直角坐标系，取水平向右方向为x轴正方向，取竖直向上方向为y轴正方向，然后以干涉条纹图像骨架线在所述直角坐标系中的条纹间距数据为基础建立对称度评价模型，最后所述的图像采集处理系统根据该对称度评价模型实时得出对称度数据信息并显示在所述数据显示设备上；所述的对称度评价模型为：

$\mathrm{\Δx}={\exp }^{-\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DX}}_i\right|/i}$ (4)

$\mathrm{\Δy}={\exp }^{-\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DY}}_i\right|/i}$

上式(4)中，Δx、Δy分别表示激光谐振腔调腔干涉条纹在x轴、y轴方向上的对称度数据；如附图7所示，DX_i＝XR_i-XL_i或XL_i-XR_i，DY_i＝YR_i-YL_i或YL_i-YR_i，其中i＝1、2、3、4、5、6、......、n-1为所述干涉条纹图像骨架线上出现的完整圆环的数目，XR_i、XL_i分别表示x轴正、负方向上第i个完整圆环的环间距，单位为像素(Pix)，YR_i、YL_i分别表示y轴正、负方向上第i个完整圆环的环间距，单位为像素(Pix)；

所述根据显示出的对称度数据对激光谐振腔中的腔镜(非稳腔对应为凹面镜，稳定腔则对应为反射镜)进行调节的具体方法优选为：如果所述数据显示设备上显示出的Δx＜0.99，则调节激光谐振腔中凹面镜或反射镜的左右角直至Δx≥0.99，此时可认为干涉条纹在x方向上达到对称，不需再调节该方向上的镜面倾斜量；如果所述数据显示设备上显示出的Δy＜0.99，则调节激光谐振腔中凹面镜或反射镜的俯仰角直至Δy≥0.99，此时可认为干涉条纹在y方向上达到对称，不需再调节该方向上的镜面倾斜量。调节完毕后，激光谐振腔准直。在实际调腔过程中，由于受杂光影响，所得到的干涉条纹图像骨架线上形成的完整圆环数目可能较少(即n的值可能较小)，但只要满足n的取值n≥2，即可根据上述对称度评价模型进行干涉条纹对称度的分析和判断(对称度数据的值越接近1，对称度越好)。

上述各技术方案中，所述数据显示设备用于显示调腔过程中干涉条纹原始图像、干涉条纹图像数字处理后的干涉条纹图像骨架线以及干涉条纹的对称度数据信息，以便调腔者能够在调节腔镜的同时观察到相应的对称度数据信息，实时指导调腔过程。该数据显示设备一般为计算机显示器。

与现有技术相比，本发明的激光谐振腔辅助装调设备、调腔系统及调腔方法最显著的优点在于：以计算机系统代替人眼，对干涉条纹的对称性进行定量分析和判断，既消除了人眼判断带来的主观不确定性，又使过去的定性判断转变为定量判断，从而大大提高了激光谐振腔调腔的可重复性和调腔精度。本发明优选的技术方案中采用了可调式衰减片、可变焦透镜或透镜组，可以更好地改善图像质量，为干涉条纹图像的处理提供方便。

此外，本发明的激光谐振腔辅助装调设备、调腔系统及调腔方法中，只需增设CCD摄像机、透镜、可调式衰减片等常规组件，再配备计算机和相应的软件系统即可实现本发明的技术方案，成本小，操作方便，效果明显，便于推广应用。

附图说明

图1为现有技术中非稳腔的调腔方法原理图；

图2为现有技术中导引光经非稳腔多次往返后形成的干涉条纹图像；

图3为现有技术中稳定腔的调腔方法原理图；

图4为现有技术中导引光经稳定腔多次往返后形成的干涉条纹图像；

图5为本发明具体实施方式中用于非稳腔辅助装调的原理图；

图6为本发明具体实施方式中图像处理单元的处理流程图；

图7为本发明具体实施方式中干涉条纹骨架线条纹间隔的取法示意图；

图8为本发明具体实施方式中用于稳定腔辅助装调的原理图；

图9为本发明实施例1中调腔前非稳腔的干涉条纹图；

图10为本发明实施例1中调腔前非稳腔的干涉条纹图经处理后得到的干涉条纹图像骨架线；

图11为本发明实施例1中调腔后准直情况下非稳腔的干涉条纹图；

图12为本发明实施例1中调腔后准直情况下非稳腔的干涉条纹图经处理后得到的干涉条纹图像骨架线；

图13为本发明实施例2中调腔前稳定腔的干涉条纹图；

图14为本发明实施例2中调腔前稳定腔的干涉条纹图经处理后得到的干涉条纹图像骨架线；

图15为本发明实施例2中调腔后准直情况下稳定腔的干涉条纹图；

图16为本发明实施例2中调腔后准直情况下稳定腔的干涉条纹图经处理后得到的干涉条纹图像骨架线。

图例说明：

1、激光器              11、衰减片

2、非稳腔              21、凹面镜

22、凸面镜             23、输出耦合镜

3、透镜                4、焦平面

5、稳定腔              51、分光镜

52、输出镜             53、反射镜

6、观察屏              7、CCD摄像机

8、图像采集处理系统    81、采集单元

82、图像处理单元       9、数据显示设备

具体实施方式

非稳腔调腔具体实施方式

一种如图5所示的本发明激光谐振腔的调腔系统及其调腔方法，该调腔系统包括输出导引光的激光器1、激光谐振腔和本发明的辅助装调设备，该辅助装调设备包括CCD摄像机7、图像采集处理系统8和数据显示设备9，图像采集处理系统8包括采集图像信息的采集单元81和对采集后的图像信息进行干涉条纹图像数字处理的图像处理单元82，CCD摄像机7、采集单元81、图像处理单元82和数据显示设备9通过数据线依次连接。激光器1、激光谐振腔和辅助装调设备的CCD摄像机7之间依次通过光路形成配合，即经激光器1发出的导引光在激光谐振腔内多次往返输出后，再经过缩束入射在CCD摄像机7的光敏面上。

图5中所示的激光谐振腔为非稳腔2，非稳腔2与输出导引光的激光器1之间设置有一具有连续可调衰减倍率的衰减片11，激光器1发射出的导引光细光束作为非稳腔2的光轴a，衰减片11垂直于非稳腔2的光轴a。非稳腔2组件包括凹面镜21、凸面镜22和输出藕合镜23，凹面镜21靠近衰减片11，其上开设有一使导引光进入非稳腔2内的通孔，输出耦合镜23置于凹面镜21和凸面镜22之间并靠近凸面镜22，输出耦合镜23为中心开孔(椭圆形孔或矩形孔)的平面反射镜，其镜面与非稳腔2的光轴a呈45°夹角α，且非稳腔2的光轴a过输出耦合镜23的中心；非稳腔2外设有一对非稳腔2输出光束进行缩束的透镜3，该透镜为消像差透镜，透镜3的光轴b过输出耦合镜23的中心，并与非稳腔2的光轴a垂直，且该透 镜3的光轴b过CCD摄像机7的光敏面中心并与该光敏面垂直。CCD摄像机7为不带镜头的CCD摄像机，这样能更好地避免镜头及其光阑所引起的杂光。

使用图5所示的激光谐振腔调腔系统对非稳腔进行调腔的方法和步骤如下：

1.安装激光器和衰减片：按照如图5所示的激光谐振腔调腔系统的内部结构及各组件连接关系安装好发射导引光的激光器1及衰减片11，打开激光器1并调节其方位，使激光器1输出的导引光细光束作为非稳腔2的光轴a，以便对后续各构件的安装位置进行指示。

2.安装凸面镜：按照如图5所示的激光谐振腔调腔系统的内部结构及非稳腔2中各腔镜的设计位置，先进行凸面镜22的安装，调节凸面镜22使入射到其上的导引光沿原路返回；凸面镜22的位置调整好后，在以后的调节过程中其位置固定不动，这样可以保证非稳腔2的光轴a在以后的调节过程中不再发生变化。

3.安装凹面镜：按照如图5所示的激光谐振腔调腔系统的内部结构及非稳腔2中各腔镜的设计位置，进行凹面镜21的初步安装及调试，以使信号光束能无阻碍地通过凹面镜21中心开设的通孔，初步调节凹面镜21的俯仰角和左右角，使导引光在非稳腔2内往返振荡。

4.安装输出耦合镜、透镜和CCD摄像机：按照如图5所示的激光谐振腔调腔系统的内部结构及非稳腔2中各腔镜的设计位置，安装非稳腔2的输出藕合镜23，使其镜面与非稳腔2的光轴a呈45°夹角α，且非稳腔2的光轴a过输出耦合镜23的中心；与此同时，安装透镜3，使透镜3的光轴b过输出耦合镜23的中心，并与非稳腔2的光轴a垂直；安装不带镜头的CCD摄像机7，使透镜3的光轴b过CCD摄像机7的光敏面中心并与该光敏面垂直。

5.组装辅助装调设备：按照如图5所示的激光谐振腔辅助装调设备的内部结构及各组件连接关系，用数据线依次连接CCD摄像机7、采集单元81、图像处理单元82和数据显示设备9，采集单元81是一图像采集卡，用于图像采集的程序包由CCD摄像机生产厂家提供，图像处理单元82为一安装有干涉条纹图像处理软件程序的计算机，干涉条纹图像处理软件程序可通过现有成熟的数字图像处理算法由本领域普通技术人员自行编程予以实现，本具体实施方式是通过matlab软件中提供的程序包进行制作完成。

6.图像采集：图像采集处理系统8中的采集单元81开始进行图像的采集，观察数据显示设备9上的干涉条纹图像，调节透镜3与CCD摄像机7之间的距离，使干涉条纹图像大小合适(约占据光敏面80％左右的面积)，调节衰减片11的衰减倍率，使干涉条纹图像最亮位置接近饱和光强。

7.图像数字化处理：图像采集处理系统8中的图像处理单元82按照图6所示的图像处理流程开始对干涉条纹图像信息进行处理，具体包括读入图像、变换灰度、去除背景、二值 化、形态学开运算、提取干涉条纹图像骨架线、获取调腔干涉条纹的对称度数据七个步骤。以下是本实施方式中图像处理流程各主要步骤所用的matlab函数，其使用方法在matlab软件说明中已有公开，各函数的参数取值可根据具体非稳腔所产生的干涉条纹图像质量的特点进行合理选取。

变换灰度：通过灰度变换可以使干涉条纹图像动态范围加大，图像对比度扩展，图像清晰，特征明显，灰度变换是图像增强的重要手段，其对应的matlab函数为：

J＝imadjust(I.[low_in high_in].[low_out high_out].γ)

上式中的I表示获取的干涉条纹图像数据信息。

去除背景：去除背景噪声，提高图像清晰度，考虑到激光谐振腔干涉条纹中背景形态主要是环形的衍射背景，因此选用“disk”结构元素作为背景提取及去除的参数，效果较好。其对应的matlab函数为：

background＝imopen(J，strel(′disk′，x))；

J₁＝imsubtract(J，background)。

二值化：二值化是进行形态学开运算、骨架线提取的前提，其对应的matlab函数为：

J₂＝im2bw(J₁，x)。

形态学开运算：在数字图像处理技术中，对图像先进行多次的腐蚀、再进行多次的膨胀，称为形态学开运算。该运算主要填充干涉条纹内部的细小空洞，连接条纹的断点，并且可以平滑条纹边界，同时不改变原先条纹的大小。形态学开运算对应的matlab函数为：

SE＝strel(′disk′，x)；

J₃＝imerode(J₂，SE)；腐蚀

J₄＝imdilate(J₃，SE)；膨胀。

matlab的图像处理工具箱提供了膨胀函数imdilate和腐蚀函数imerode以及各种结构元素(如line、diamond、disk、ball等)，考虑到本实施方式中的干涉条纹主要是圆环状，因此选用disk结构元素作为参数，可使处理后的图像更利于后续骨架线的提取。

提取干涉条纹图像骨架线：在本发明的应用中，针对一幅干涉条纹图像，希望将图像中的所有对象简化为线条，但不修改图像的基本结构，保留图像的基本轮廓，这个过程就是干涉条纹图像骨架线的提取。本发明图像处理过程中提取干涉条纹图像骨架线，目的是在保持干涉条纹连通性条件下使粗的条纹形状细化为线，以利于后续步骤中对干涉条纹间距进行计算，其对应的matlab函数为：

J₅＝bwmorph(J₄，′thin′，Inf)。

获取调腔干涉条纹的对称度数据：在得到干涉条纹图像骨架线的基础上，过该干涉条纹图像骨架线的中心建立一直角坐标系，取水平向右方向为x轴正方向，取竖直向上方向为y轴正方向，然后以干涉条纹图像骨架线在该直角坐标系中的条纹间距数据为基础建立对称度评价模型(对称度评价模型如上式(4)所示，条纹间距的取法如图7所示)，应用该对称度评价模型计算出调腔干涉条纹沿x、y两个方向上的对称度数据Δx和Δy，并在数据显示设备9上进行实时显示。

8.根据对称度数据调腔：根据上述步骤7中的对称度数据信息，调节凹面镜21。调节凹面镜21的俯仰角(如图5所示，绕图5坐标系中的z轴旋转)可以改变干涉条纹图像骨架线中y方向的对称度数据Δy；调节凹面镜21的左右角(如图5所示，绕图5坐标系中的y轴旋转)可以改变干涉条纹图像骨架线中x方向的对称度数据Δx。通过凹面镜21俯仰角和左右角的调节，使干涉条纹图像骨架线中Δx、Δy的值均大于或等于0.99时，表明此时的非稳腔2准直，调腔结束。

非稳腔调腔具体实施方式中的一个实施例如下所示：

实施例1：

一种如图5所示的本发明用于正支共焦非稳腔的调腔系统及调腔方法，该调腔系统的结构及组成与上述非稳腔调腔的实施方式相同，在该调腔系统中，凹面镜21的曲率半径为3m，其有效口径为50mm，凸面镜22的曲率半径为-1m，腔长1m；输出耦合镜23的椭圆孔长轴半径为9.2mm，短轴半径为6.5mm；透镜3的焦距为500mm；CCD摄像机7帧频15fps，分辨率1392×1040；衰减片11透过率从99.9％～0的范围内连续可调。

按照上述非稳腔调腔具体实施方式中描述的步骤1～6完成初步安装调试后，得到的调腔干涉条纹图如图9所示。

再按照上述非稳腔调腔具体实施方式中描述的步骤7的处理流程对干涉条纹图像骨架线进行提取，各个流程所用MATLAB函数及参数选取如下：

读入图像：I＝imread(′fringe2.bmp′)

灰度变换：J＝imadjust(I)

背景提取及去除：

background＝imopen(J，strel(′disk′，10))

J₁＝imsubtract(J，background)；

二值化：J₂＝im2bw(J₁，0.01)；

形态学开运算：

SE＝strel(′disk′，1)；

先腐蚀运算6次

J₃＝imerode(J₂，SE)；

后膨胀运算2次

J₄＝imdilate(J₃，SE)；

骨架提取：J₅＝bwmorph(J₄，′thin′，Inf)。

数字图像处理后，得到的干涉条纹图像骨架线如图10所示。由于光强分布的不均匀性及杂光影响，最终得到的干涉条纹图像骨架线仅有三个完整圆环。在该干涉条纹图像骨架线中建立如图10中白线所示的x-y坐标系，可以确定沿x方向条纹间隔由左往右依次为：

XL₃＝20，XL₂＝24，XL₁＝32，XR₁＝31，XR₂＝22，XR₃＝17。

(一般三个完整圆环可以确定出两段完整的条纹间隔，但如果非完整圆环单独与x轴或y轴有交点，也可单独取更多的DX值或DY值，这样在单独一个方向上能够更加精确地调腔，因此本实施例中在x方向和y方向上获取的条纹间隔数可以有差异。)

沿y方向条纹间隔由上往下依次为：

YR₂＝23，YR₁＝30，YL₁＝26，YL₂＝19。

根据对称度评价模型计算，可得此时的条纹对称度数据信息为：

$\mathrm{\Δx}=e^{-\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DX}}_i\right|/i}=e^{-[(32-31)+(24-22)+(20-17)]/3}=e^{-2}=0.135$

$\mathrm{\Δy}=e^{-\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DY}}_i\right|/i}=e^{-[(30-26)+(23-16)]/2}=e^{-4}=0.02$

对称度数据信息显示，该非稳腔没有达到预设的准直条件(Δx≥0.99且Δy≥0.99)，因此需要对该非稳腔进行调节。经反复调节凹面镜21的俯仰角和左右角，同时观察数据显示设备上的对称度数据信息，直到显示出的Δx≥0.99且Δy≥0.99(本实施例中最后准直后Δx＝1、Δy＝1)，调腔结束。准直后的非稳腔干涉条纹图及数字处理后的干涉条纹图像骨架线分别如图11和图12所示。

稳定腔调腔具体实施方式

一种如图8所示的本发明激光谐振腔的调腔系统及其调腔方法，该调腔系统包括输出导引光的激光器1、激光谐振腔和本发明的辅助装调设备，该辅助装调设备包括CCD摄像机7、图像采集处理系统8和数据显示设备9，图像采集处理系统8包括采集图像信息的采集单元81和对采集后的图像信息进行干涉条纹图像数字处理的图像处理单元82，CCD摄像机7、采集单元81、图像处理单元82和数据显示设备9通过数据线依次连接。激光器1、激光谐振腔 和辅助装调设备的CCD摄像机7之间依次通过光路形成配合，即经激光器1发出的导引光在激光谐振腔内多次往返输出后，再经过缩束入射在CCD摄像机7的光敏面上。

图8中所示的激光谐振腔为稳定腔5，稳定腔5与输出导引光的激光器1之间设置有一具有连续可调衰减倍率的衰减片11和分光镜51，分光镜51位于衰减片11和稳定腔5之间，激光器1发射出的导引光细光束作为稳定腔5的光轴c，衰减片11垂直于稳定腔5的光轴c，分光镜51的镜面与光轴c呈45°夹角β，稳定腔5的光轴c过分光镜51的中心。稳定腔5组件包括反射镜53和输出镜52，输出镜52位于分光镜51与反射镜53之间，输出镜52面向反射镜53的一侧镀有对导引光部分反射的膜层，另一侧镀有增透膜；稳定腔5外设有一对稳定腔5输出光束进行缩束的透镜3，该透镜为消像差透镜，透镜3的光轴b过分光镜51的中心，并与稳定腔5的光轴c垂直，且该透镜3的光轴b过CCD摄像机7的光敏面中心并与该光敏面垂直。CCD摄像机7为不带镜头的CCD摄像机，这样能更好地避免镜头及其光阑所引起的杂光。

使用图8所示的激光谐振腔调腔系统对稳定腔进行调腔的方法和步骤如下：

1.安装激光器、衰减片和分光镜：按照如图8所示的激光谐振腔调腔系统的内部结构及各组件连接关系安装好发射导引光的激光器1及衰减片11，打开激光器1并调节其方位，使激光器1输出的导引光细光束作为稳定腔5的光轴c，以便对后续各构件的安装位置进行指示；安装分光镜51，使其镜面与稳定腔5的光轴c呈45°夹角β，且稳定腔5的光轴c过分光镜51的中心。

2.安装输出镜：按照如图8所示的激光谐振腔调腔系统的内部结构及稳定腔5中各腔镜的设计位置，先进行输出镜52的安装，调节输出镜52使入射到其上的导引光沿原路返回；输出镜52的位置调整好后，在以后的调节过程中其位置固定不动，这样可以保证稳定腔5的光轴c在以后的调节过程中不再发生变化。

3.安装反射镜：按照如图8所示的激光谐振腔调腔系统的内部结构及稳定腔5中各腔镜的设计位置，进行反射镜53的初步安装及调试，初步调节反射镜53的俯仰角和左右角，使导引光在稳定腔5内往返振荡。

4.安装透镜和CCD摄像机：按照如图8所示的激光谐振腔调腔系统的内部结构及稳定腔5中各腔镜的设计位置，安装透镜3，使透镜3的光轴b过分光镜51的中心，并与稳定腔5的光轴c垂直；安装不带镜头的CCD摄像机7，使透镜3的光轴b过CCD摄像机7的光敏面中心并与该光敏面垂直。

5.组装辅助装调设备：按照如图8所示的激光谐振腔辅助装调设备的内部结构及各组件 连接关系，用数据线依次连接CCD摄像机7、采集单元81、图像处理单元82和数据显示设备9，采集单元81是一图像采集卡，用于图像采集的程序包由CCD摄像机生产厂家提供，图像处理单元82为一安装有干涉条纹图像处理软件程序的计算机，干涉条纹图像处理软件程序可通过现有成熟的数字图像处理算法由本领域普通技术人员自行编程予以实现，本具体实施方式是通过matlab软件中提供的程序包进行制作完成。

6.图像采集：图像采集处理系统8中的采集单元81开始进行图像的采集，观察数据显示设备9上的干涉条纹图像，调节透镜3与CCD摄像机7之间的距离，使干涉条纹图像大小合适(约占据光敏面80％左右的面积)，调节衰减片11的衰减倍率，使干涉条纹图像最亮位置接近饱和光强。

7.本实施方式的步骤7与前述非稳腔的步骤7相同。

8.根据对称度数据调腔：根据上述步骤7中的对称度数据信息，调节反射镜53。调节反射镜53的俯仰角(如图8所示，绕图8坐标系中的z轴旋转)可以改变干涉条纹图像骨架线中y方向的对称度数据Δy；调节反射镜53的左右角(如图8所示，绕图8坐标系中的y轴旋转)可以改变干涉条纹图像骨架线中x方向的对称度数据Δx。通过反射镜53俯仰角和左右角的调节，使干涉条纹图像骨架线中Δx、Δy的值均大于或等于0.99时，表明此时的稳定腔5准直，调腔结束。

稳定腔调腔具体实施方式中的一个实施例如下所示：

实施例2：

一种如图8所示的本发明用于稳定腔的调腔系统及调腔方法，该调腔系统的结构及组成与上述稳定腔调腔的实施方式相同，在该调腔系统中，反射镜53(为一凹面镜)的曲率半径为3m，其有效口径为30mm，输出镜52为一平面镜，稳定腔腔长为1m；分光镜51对导引光的透过率、反射率均为50％；透镜3的焦距为500mm；CCD摄像机7帧频15fps，分辨率1392×1040；衰减片11透过率从99.9％～0的范围内连续可调。

按照上述稳定腔调腔具体实施方式中描述的步骤1～6完成初步安装调试后，得到的调腔干涉条纹图如图13所示。

再按照上述稳定腔调腔具体实施方式中描述的步骤7的处理流程对干涉条纹图像骨架线进行提取，各个流程所用MATLAB函数及参数选取如下：

读入图像：I＝imread(′fringe1.bmp′)

灰度变换：J＝imadjust(I)

背景提取及去除：

background＝imopen(J，strel(′disk′，10))

J₁＝imsubtract(J，background)；

二值化：J₂＝im2bw(J₁，0.01)；

形态学开运算：

SE＝strel(′disk′，1)；

先腐蚀运算1次

J₃＝imerode(J₂，SE)；

后膨胀运算1次

J₄＝imdilate(J₃，SE)；

骨架提取：J₅＝bwmorph(J₄，′thin′，Inf)。

数字图像处理后，得到的干涉条纹图像骨架线如图14所示。由于光强分布的不均匀性及杂光影响，最终得到的干涉条纹图像骨架线有四个完整圆环。在该干涉条纹图像骨架线中建立如图14中白线所示的x-y坐标系，可以确定沿x方向条纹间隔由左往右依次为：

XL₃＝29，XL₂＝36，XL₁＝54，XR₁＝50，XR₂＝33，XR₃＝27

沿y方向条纹间隔由上往下依次为：

YR₃＝30，YR₂＝35，YR₁＝50，YL₁＝44，YL₂＝30，YL₃＝22

根据对称度评价模型计算，可得此时的条纹对称度数据信息为：

$\mathrm{\Δx}=e^{-\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DX}}_i\right|/i}=e^{-[(54-50)+(36-33)+(29-27)]/3}=e^{-3}=0.05$

$\mathrm{\Δy}=e^{-\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DY}}_i\right|/i}=e^{-[(50-44)(35-30)+(30-22)]/3}=e^{-6.3}=0.002$

对称度数据信息显示，该稳定腔没有达到预设的准直条件(Δx≥0.99且Δy≥0.99)，因此需要对该稳定腔进行调节。经反复调节反射镜53的俯仰角和左右角，同时观察数据显示设备上的对称度数据信息，直到显示出的Δx≥0.99且Δy≥0.99(本实施例中最后准直后的Δx＝1、Δy＝1)，调腔结束。准直后的稳定腔干涉条纹图及数字处理后的干涉条纹图像骨架线分别如图15和图16所示。

Claims (9)

1.一种激光谐振腔的调腔系统，其特征在于：所述调腔系统包括输出导引光的激光器(1)、激光谐振腔和辅助装调设备，所述辅助装调设备包括CCD摄像机(7)、图像采集处理系统(8)和数据显示设备(9)，所述图像采集处理系统(8)包括采集图像信息的采集单元(81)和对采集后的图像信息进行干涉条纹图像数字处理的图像处理单元(82)，所述CCD摄像机(7)、采集单元(81)、图像处理单元(82)和数据显示设备(9)通过数据线依次连接；所述激光器(1)、激光谐振腔和辅助装调设备的CCD摄像机(7)沿光路方向依次布设。

2.根据权利要求1所述的调腔系统，其特征在于：所述CCD摄像机(7)为不带镜头的CCD摄像机。

3.根据权利要求1或2所述的调腔系统，其特征在于：所述激光器(1)与激光谐振腔之间设置有一具有连续可调衰减倍率的衰减片(11)。

4.根据权利要求3所述的调腔系统，其特征在于：

所述激光谐振腔为非稳腔(2)或稳定腔(5)；

所述非稳腔(2)包括凹面镜(21)、凸面镜(22)和输出藕合镜(23)，所述凹面镜(21)上开设有一使所述导引光注入非稳腔(2)内的通孔，所述输出耦合镜(23)置于凹面镜(21)和凸面镜(22)之间并靠近凸面镜(22)，所述输出耦合镜(23)为中心开孔的平面反射镜，且非稳腔(2)光轴过输出耦合镜(23)的中心；所述非稳腔(2)外设有对非稳腔(2)输出光束进行缩束的透镜(3)，所述透镜(3)的光轴过输出耦合镜(23)的中心；

所述稳定腔(5)包括反射镜(53)和输出镜(52)，所述稳定腔(5)与所述衰减片(11)之间设有一分光镜(51)，且稳定腔(5)光轴过分光镜(51)的中心，所述输出镜(52)位于所述分光镜(51)与反射镜(53)之间；所述稳定腔(5)外设有对稳定腔(5)输出光束进行缩束的透镜(3)，所述透镜(3)的光轴过所述分光镜(51)的中心。

5.根据权利要求4所述的调腔系统，其特征在于：所述输出耦合镜(23)的镜面与非稳腔(2)光轴呈45°夹角α；所述分光镜(51)的镜面与稳定腔(5)光轴成45°夹角β；所述透镜(3)为消像差透镜，所述消像差透镜为单透镜或透镜组，所述透镜(3)的光轴与所述激光谐振腔的光轴垂直，且该透镜(3)的光轴过所述CCD摄像机(7)的光敏面中心并与该光敏面垂直。

6.一种激光谐振腔的调腔方法，包括以下步骤：首先，激光器(1)发出的导引光经衰减片(11)衰减后进入激光谐振腔，经激光谐振腔多次往返后输出的光束经透镜(3)缩束后入射到一CCD摄像机(7)的光敏面上形成多光束干涉条纹图像信息，该图像信息由一图像采集处理系统(8)进行采集和处理后得到干涉条纹图像骨架线，根据该干涉条纹图像骨架线获取调腔干涉条纹的对称度数据并使该数据信息显示在一数据显示设备(9)上，最后根据显示出的对称度数据对激光谐振腔中的腔镜进行调节，直至显示的对称度数据满足要求，调腔结束。

7.根据权利要求6所述的激光谐振腔的调腔方法，其特征在于：所述图像采集处理系统(8)包括采集所述图像信息的采集单元(81)和对采集后的图像信息进行干涉条纹图像数字处理的图像处理单元(82)，所述图像处理单元(82)的处理流程包括读入图像、变换灰度、去除背景、二值化、形态学开运算、提取干涉条纹图像骨架线、获取调腔干涉条纹的对称度数据七个步骤。

8.根据权利要求7所述的激光谐振腔的调腔方法，其特征在于：所述图像处理单元(82)的处理流程是通过matlab软件制作的干涉条纹图像数字处理程序在计算机系统中实现，其中：

所述去除背景步骤是通过以“disk”结构元素作为参数的下述matlab函数实现：

background＝imopen(J，strel(′disk′，x))；                            (1)

J₁＝imsubtract(J，background)。

上式(1)中J为变换灰度步骤后所得的函数值；J₁为去除背景步骤后所得的函数值；

所述形态学开运算步骤是通过以“disk”结构元素作为参数的下述matlab函数实现：

SE＝strel(′disk′，x)；

J₃＝imerode(J₂，SE)；                            (2)

J₄＝imdilate(J₃，SE)；

上式(2)中J₂＝im2bw(J₁，x)；J₃、J₄分别为腐蚀、膨胀运算后所得的函数值；

所述提取干涉条纹图像骨架线步骤是通过下述matlab函数实现：

J₅＝bwmorph(J₄，′thin′，Inf)；                 (3)

上式(3)中J₅为提取干涉条纹图像骨架线步骤后所得的函数值。

9.根据权利要求6或7或8所述的激光谐振腔的调腔方法，其特征在于：所述获取调腔干涉条纹的对称度数据的具体方法是先过所述干涉条纹图像骨架线的中心建立一直角坐标系，取水平向右方向为x轴正方向，取竖直向上方向为y轴正方向，然后以干涉条纹图像骨架线在所述直角坐标系中的条纹间距数据为基础建立对称度评价模型，最后所述的图像采集处理系统(8)根据该对称度评价模型实时得出对称度数据信息并显示在所述数据显示设备(9)上；所述的对称度评价模型为：

$\mathrm{\Δx}={\exp }^{-\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DX}}_i\right|/i}$ (4)

$\mathrm{\Δy}={\exp }^{-\left|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{DY}}_i\right|/i}$

上式(4)中，Δx、Δy分别表示激光谐振腔调腔干涉条纹在x轴、y轴方向上的对称度数据；DX_i＝XR_i-XL_i或XL_i-XR_i，DY_i＝YR_i-YL_i或XL_i-YR_i，其中i＝1、2、3、4、5、6、......、n-1为所述干涉条纹图像骨架线上出现的完整圆环的数目，XR_i、XL_i分别表示x轴正、负方向上第i个完整圆环的环间距，YRi、YLi分别表示y轴正、负方向上第i个完整圆环的环间距；

所述根据显示出的对称度数据对激光谐振腔中的腔镜进行调节的具体方法为：如果所述数据显示设备(9)上显示出的Δx＜0.99，则调节激光谐振腔中凹面镜(21)或反射镜(53)的左右角直至Δx≥0.99；如果所述数据显示设备(9)上显示出的Δy＜0.99，则调节激光谐振腔中凹面镜(21)或反射镜(53)的俯仰角直至Δy≥0.99。

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