CN102486402A

CN102486402A - 一种测量脉冲激光能量的方法及系统

Info

Publication number: CN102486402A
Application number: CN2010105689347A
Authority: CN
Inventors: 达争尚; 田新锋; 董晓娜; 刘力; 孙策
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: Chongqing Zhongke Rowing Ship Information Technology Co ltd
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: CN102486402B

Abstract

本发明涉及一种采用科学级CCD进行脉冲激光能量测量的方法及系统，该方法包括以下步骤：1)建立已知激光光场的强度分布的灰度与激光能量之间的转换关系；2)获取待测激光光场的强度分布的灰度；3)根据步骤1)所得到的转换关系将待测激光光场的强度分布的灰度转化成待测激光能量。本发明提供了一种测量精度高、系统简化以及成本低廉的测量脉冲激光能量的方法及系统。

Description

一种测量脉冲激光能量的方法及系统

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种激光能量的测量方法，尤其涉及一种采用科学级CCD进行脉冲激光能量测量的方法及系统。

背景技术

激光能量是脉冲激光的一个重要的基本指标，尤其对高功率激光系统，需要确切的知道其输出的脉冲能量是多少，同时也需要知道激光光场的强度分布，因此在用于高功率激光的参数测量组件中，一般均配置有能量测量的能量计和进行光场均匀性测试的科学级CCD器件，分析比较两类器件的测量本质，均是对光场的强度进行测量，系统设计繁琐，成本居高不下。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种测量精度高、系统简化以及成本低廉的测量脉冲激光能量的方法及系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种测量脉冲激光能量的方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)建立已知激光光场的强度分布的灰度与激光能量之间的转换关系；

2)获取待测激光光场的强度分布的灰度；

3)根据步骤1)所得到的转换关系将待测激光光场的强度分布的灰度转化成待测激光能量。

上述步骤1)的具体实现方式是：

1.1)将已知激光能量经过积分球后输入科学级CCD；

1.2)经科学级CCD输入步骤1.1)中已知激光的光场的强度分布的灰度；

1.3)根据已知激光能量和激光光场的强度分布的灰度建立关系曲线。

上述步骤1)的具体实现方式中还包括：

1.4)重复步骤1.1)～1.3)；

1.5)对已建立的已知激光能量和激光光场的强度分布的灰度的关系曲线进行拟合和校正。

上述步骤1.5)中对关系曲线进行拟合的实现方式是最小二乘法。

上述步骤3)的具体实现方式是：

3.1)获取经科学级CCD中每个像元所输出的待测激光光场的强度分布的灰度；

3.2)通过对经科学级CCD中每个像元的激光光场的强度分布的灰度求和来获取经科学级CCD中整体像元所输出的待测激光光场的强度分布的灰度：

3.3)将已经求和的激光光场的强度分布的灰度根据步骤1)所建立的关系曲线获取待测激光的总能量。

上述步骤3)的具体实现方式还包括：

3.4)扣除杂光能量，所述杂光能量是泵浦光、光学表面的剩余反射以及科学级CCD图像中不可避免的杂光。

上述步骤2)的具体实现方式是：待测激光经过积分球后输入科学级CCD并输出待测激光的光场的强度分布的灰度。

一种用于测量脉冲激光能量的系统，其特殊之处在于：所述用于测量脉冲激光能量的系统包括入射激光器、光学劈板、标准能量计、积分球以及科学级CCD；所述光学劈板设置与入射激光器的出射光路上；所述标准能量计设置于光学劈板的反射光路上；所述积分球设置于光学劈板的透射光路上；所述科学级CCD的敏感面和积分球内表面平齐。

上述积分球内表面球面积与科学级CCD的敏感面的面积之比不低于100倍。

上述光学劈板的劈角小于5°。

本发明的优点是：

本发明主要给出一种采用科学级CCD进行脉冲激光能量测量的方法，其目的是替代能量计，将二者进行功能合成，简化系统设计，降低成本，实现能量测量的一种新途径。本发明采用一种能量基准传递装置，将标准能量计的基准传递到CCD输出的灰度单位；采用经过标定的CCD器件进行能量测量，经过特定的数据处理方法，得到输入到CCD靶面的能量值，本发明采用基准转化的思路对CCD进行标定，采用标准能量计、积分球、不镀膜的光学劈板对CCD进行了标定，将标准能量计的基准准确传递到CCD的灰度上，并对CCD的线形动态范围进行了标定，得到CCD光电响应的特征参量；分析了采用CCD的输出灰度——能量测量结果之间的数学表达式；给出了在实际使用中存在背景光噪声情况下的CCD能量测量数据处理方法，给出了测量结果所能达到的精度。在不增加硬件情况下采用数据处理方法扣除背景杂光的影响；以上CCD能量测量方法其误差是确定的，即选定CCD的线性度误差。

附图说明

图1是本发明能量基准-CCD灰度传递示意图；

图2是本发明的CCD能量测量示意图；

图3是科学级CCD得到的一幅典型的近场图像。

具体实施方式

本发明提供了一种测量脉冲激光能量的方法，该方法包括以下步骤：

1)建立已知激光光场的强度分布的灰度与激光能量之间的转换关系：

1.1)将已知激光能量经过积分球后输入科学级CCD；

1.4)重复步骤1.1)～1.3)；

1.5)对已建立的已知激光能量和激光光场的强度分布的灰度的关系曲线采用最小二乘法进行拟合和校正。

2)待测激光经过积分球后输入科学级CCD并输出待测激光的光场的强度分布的灰度

3)根据步骤1)所得到的转换关系将待测激光光场的强度分布的灰度转化成待测激光能量：

3.3)将已经求和的激光光场的强度分布的灰度根据步骤1)所建立的关系曲线获取待测激光的总能量；

参见图1，本发明还提供了一种用于测量脉冲激光能量的系统，该系统包括入射激光器、光学劈板3、标准能量计4、积分球1以及科学级CCD2；光学劈板3设置与入射激光器的出射光路上；标准能量计4设置于光学劈板3的反射光路上；积分球1设置于光学劈板3的透射光路上；科学级CCD2的敏感面和积分球1内表面平齐。

积分球1内表面球面积与科学级CCD2的敏感面的面积之比不低于100倍，光学劈板3的劈角小于5°。

本发明所提供的用于测量脉冲激光能量的系统在进行工作时，为了获取建立已知激光光场的强度分布的灰度与激光能量之间的转换关系，该系统就包括入射激光器、光学劈板3、标准能量计4、积分球1以及科学级CCD2；标准能量计4测量向积分球1所输出的能量，为已知能量，通过科学级CCD2后的灰度可以从科学级CCD2直接读出，因此，对于已知能量和可以从科学级CCD2直接读出的灰度就可以建立已知激光光场的强度分布的灰度与激光能量之间的转换关系。

为了获取待测激光能量时，该系统仅仅包括入射激光器、积分球1以及科学级CCD2；读出科学级CCD2的灰度后，根据已经建立好的已知激光光场的强度分布的灰度与激光能量之间的转换关系就可以直接得到待测激光能量，使用非常方便。

下面以一个较佳的实施例来对本发明进行具体说明：

第一步：能量基准到CCD灰度传递：

参见图1，科学级CCD2采用进行光场均匀性测量的科学级低噪声器件，积分球1内表面球面积与其出口，也就是科学级接CCD2面积之比大于100倍以上；标准能量计4，厚度小于8mm、材料为ubk7的不镀膜的光学劈板3、入射的脉冲激光；

科学级CCD2与积分球1连接时务必使科学级CCD2的敏感面和积分球内表面平齐，为此需要取掉科学级CCD2的外壳；标定时采用科学级CCD2工作波长的准直激光作为光源输入积分球1；

入射激光小角度入射到光学劈板的前表面(夹角小于5°)，光学劈板前表面反射光采用标准能量卡计接收，其透射光入射到积分球中；

假设入射激光能量为一个单位，劈板的分光系数为r，透过系数为t，积分球的内表面面积为S_s，CCD靶面面积为S_c，标准能量计读数为N，材料的吸收忽略不计(理论计算表明在材料厚度小于10mm时，对工作波长的激光吸收小于0.1％)，则实际入射到CCD靶面的能量为：

对于不镀膜的光学表面，在小角度入射情况下，其反射率由菲捏尔公式唯一确定，因此公式中r是确定的，而积分球的内表面积及CCD的靶面也是确定已知的，则由公式可以得到CCD靶面接收到的能量值，同时CCD像元输出的灰度也是已知的；

在不同的输入能量下，得到一系列的能量——靶面灰度均值测量点，经过最小二乘法可以拟合出光电响应曲线

x为输入激光能量由第4)步得到，

为光电响应的斜率，

是器件响应的本底，

为CCD的像元灰度均值输出，得到光电响应曲线即得到了能量基准-灰度基准的传递关系；

第二步：CCD进行脉冲激光能量测量的实现：

附图2是激光参数测量组件的光路示例，在该组件中即包含有能量卡计，也包含有进行光场强度分布测量的科学级CCD，以该图为例说明采用科学级CCD进行能量测量的实现；

假设将能量为x的激光投射到CCD靶面，对每一个CCD像元均存在光电响应的关系式，因此有：

\{\begin{matrix} (y_{1} - b_{1}) = k_{1} x \\ (y_{2} - b_{2}) = k_{2} x \\ KK \\ (y_{n} - b_{n}) = k_{n} x \end{matrix}

对上式进行左右两边求和及整理可以得到入射激光的能量x表达式为：

x = \frac{(Σ_{i = 1}^{n} y_{i} - Σ_{i = 1}^{n} b_{i})}{n \overset{&OverBar;}{k}} = \frac{(Σ_{i = 1}^{n} y_{i} - n \overset{&OverBar;}{b})}{n \overset{&OverBar;}{k}}

为“第一步”第5)求解得到，y_i为CCD像元的灰度输出，n为CCD的像元个数，该关系式为CCD进行能量测量的数学表达；

CCD靶面中间的图像表示激光的作用区域，在实际中，由于激光系统的泵浦光及光学表面的剩余反射，CCD图像中不可避免的存在杂散光，对于CCD的输出而言，是包含杂光和信号的综合输出，假设杂光的强度为x_杂，信号强度为x_信，则CCD的输出是x_杂+x_信的结果，由第3)步的数学表达式有：

需要知道杂光信号的能量x_杂才能由计算出x_信；

由杂光产生的机理知道，其作用在CCD上的效果等同于积分球作用的效果，而图象区域外的CCD靶面正好实时的记录了每一发次杂光的“信号”，因此有：

其中

为由图象区域外的像元统计得到的杂光均值灰度，代入第4)步关系式得：

即得到了输入激光的能量；

测量的误差分析：由以上关系式知道影响能量测量准确性的因素包括

是CCD所有像元的灰度累积和，而机理分析和实验研究表明CCD像元电学噪声符合正态分布特性，因此

能够消除随机的电子学噪声影响，可以认为该项对能量测量的影响忽略不计；同样

代表了图像区域外的背景“信号”，其特性和

相同，也可以认为该项对能量测量的影响忽略不计；

代表的是光电响应曲线的斜率，该值对能量测量结果有影响，对第5)步式两边取微分得：

对上式两边同除x_信得：

表示能量测量的相对误差，

即表示了CCD器件的非线性度，因此能量测量的误差由CCD器件的非线性度表示。

Claims

1.一种测量脉冲激光能量的方法，其特征在于：所述测量脉冲激光能量的方法包括以下步骤：

2)获取待测激光光场的强度分布的灰度；

2.根据权利要求1所述的测量脉冲激光能量的方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现方式是：

1.1)将已知激光能量经过积分球后输入科学级CCD；

3.根据权利要求2所述的测量脉冲激光能量的方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现方式中还包括：

1.4)重复步骤1.1)～1.3)；

4.根据权利要求3所述的测量脉冲激光能量的方法，其特征在于：所述步骤1.5)中对关系曲线进行拟合的实现方式是最小二乘法。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的测量脉冲激光能量的方法，其特征在于：所述步骤3)的具体实现方式是：

6.根据权利要求5所述的测量脉冲激光能量的方法，其特征在于：所述步骤3)的具体实现方式还包括：

7.根据权利要求1所述的测量脉冲激光能量的方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方式是：待测激光经过积分球后输入科学级CCD并输出待测激光的光场的强度分布的灰度。

8.一种用于测量脉冲激光能量的系统，其特征在于：所述用于测量脉冲激光能量的系统包括入射激光器、光学劈板、标准能量计、积分球以及科学级CCD；所述光学劈板设置与入射激光器的出射光路上；所述标准能量计设置于光学劈板的反射光路上；所述积分球设置于光学劈板的透射光路上；所述科学级CCD的敏感面和积分球内表面平齐。

9.根据权利要求8所述的用于测量脉冲激光能量的系统，其特征在于：所述积分球内表面球面积与科学级CCD的敏感面的面积之比不低于100倍。

10.根据权利要求8或9所述的用于测量脉冲激光能量的系统，其特征在于：所述光学劈板的劈角小于5°。