CN102721467B - 一种大尺寸激光光斑实时监测方法 - Google Patents

一种大尺寸激光光斑实时监测方法 Download PDF

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Abstract

一种大尺寸激光光斑实时监测方法，其特征在于：基于分光镜之后扩束系统对主光束的线性变换，开展标定实验，计算标定线性变换因子M，通过标定线性变换因子M，以参考光光斑表征靶面光斑功率密度的相对分布；同时，对靶面光斑的局部区域进行功率采样，结合参考光光斑图像相应区域中的灰度值Di占其图像灰度总和D0的百分比，可换算获得激光到靶功率P0。本发明无须在参考光光路中再引入一套扩束系统，同时降低了对激光功率计相关技术指标的要求，减少了实验成本，降低了实验系统复杂性，能实时监测大尺寸激光到靶功率密度分布，简单易行。

Description

一种大尺寸激光光斑实时监测方法
技术领域
本发明涉及一种强激光光斑测量方法，尤其是一种大尺寸激光光斑时空分布的实时监测方法。
背景技术
激光光斑测量，特别是获取激光到靶功率密度时空分布特征，在强激光对靶目标的辐照效应研究中非常重要，它可能决定激光与靶目标相互作用过程中的主要物理机制。常用的方法，是在主光路中通过分光镜分出较弱的一束参考光，由相机实时记录参考光光斑，并通过标定靶面处激光功率占激光器输出总功率的百分比，从而获得激光到靶功率密度的绝对时空分布。应用该监测方法显然应具备以下前提：（1）在参考光光路中，存在靶面的共轭面，即相机在此位置记录的参考光光斑尺寸和光斑形态与靶面处相同。（2）可以准确标定靶面处激光功率占激光器输出总功率的百分比。
当激光辐照效应实验需要在靶面处形成大尺寸光斑时，一般需要对激光器输出光束进行扩束。现行激光到靶功率密度时空分布监测方法，在实现上述两个前提时遇到了较大的困难。(1)参考光光路上难以设立靶面的共轭面。因为考虑到分光镜的尺度限制，一般将分光镜置于主光路扩束系统之前；除非使用另一套相同的扩束系统，在参考光光路上将不存在靶面的共轭面，这无疑会增加实验成本以及系统复杂性。（2）难以找到合适口径的功率计在靶面处接收全部光束，以标定靶面处激光功率占激光器输出总功率的百分比。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现行激光到靶功率密度时空分布监测方法的不足，而提供一种能够实时监测大尺寸激光到靶功率密度分布、且较易实现的方法。
本发明采用的技术方案是：
基于分光镜之后扩束系统对主光束的线性变换，开展标定实验，计算标定线性变换因子M，通过标定线性变换因子M，以参考光光斑表征靶面光斑功率密度的相对分布；同时，对靶面光斑的局部区域进行功率采样，结合参考光光斑图像相应区域中的灰度值Di占其图像灰度总和D0的百分比，换算获得激光到靶功率P0。
上述技术方案中，在标定实验中，还可记录下相机拍摄所用衰减片的透过率值T0与D0、P0这三者之间的对应关系；辐照效应实验时，根据相机实际拍摄所用衰减片的透过率值T与参考光光斑图像灰度总值D，计算得到激光实际到靶功率值P。
上述技术方案中，具体方法步骤如下：
1）开展标定实验，整个标定系统包括分光镜、测量参考光光斑所用相机、接收参考光光束所用漫反屏、分光镜后主光路光学系统、测量靶面处主光斑所用相机、接收主光路光束所用漫反屏、靶面功率采样所用功率计，分光镜后光路分为参考光光束和主光路光束，接收主光路光束所用漫反屏上开有一孔，靶面功率采样所用功率计在其后接收透过的光束，进行局部功率采样；
同时监测两处漫反屏光斑以及采样区域激光功率，利用光斑监测数据计算靶面光斑与参考光光斑之间的线性变换因子，通过几何相似变换，确定功率采样孔在参考光光斑图像内的对应位置，此处称为孔洞映像；
2）根据参考光光斑孔洞映像内的像素灰度值Di和功率计监测数据，可得单位灰度值所表征的功率；根据Di占参考光光斑图像灰度值总和D0的百分比，可推算激光到靶功率P0；
3）记录下标定实验中，测量参考光光斑相机拍摄所用衰减片的透过率值T0；
4）用靶材替换靶面处漫反屏，进行激光辐照效应实验，实验中，选定合适透过率T的衰减片，用测量参考光光斑相机监测参考光光斑，计算其图像的灰度值总和D，根据T0-D0-P0的对应关系，由T、D可求得激光实际到靶功率，进而由参考光光斑图像获得靶面激光功率密度的分布。
上述技术方案中，所述的灰度值在一般图像处理技术中有明显的定义。
本发明突出的实质性特点和显著效果：
1、本发明提供了一种简单易行的大尺寸光斑实时监测方法，它基于参考光光斑和靶面光斑之间的线性变换关系，以参考光光斑表征靶面处激光功率密度分布，无须在参考光光路中再引入一套扩束系统以引入靶面共轭面，减少了实验成本，降低了实验系统复杂性。
2、本发明提出的靶面功率采样方式，降低了对激光功率计相关技术指标的要求，可根据功率计的量程与通光孔径，设计合适的采样区域。
3、本发明使得激光辐照效应实验中不再需要在线监测激光输出总功率，转而借助相机拍摄所用衰减片透过率值以及测得的光斑图像灰度总值，便可换算得到激光实际到靶功率。
附图说明
图1为标定实验原理示意图；
图2为靶面处漫反屏和靶面光斑示意图。
具体实施方式
标定实验是本发明实施的关键，而对于如何分光形成参考光束、如何使用相机拍摄光斑、拍摄光斑时如何选择合适的衰减片等，在现行光斑测量方法中均有相应的规定。下面结合附图，对本发明标定实验的具体实施方式作进一步的描述。
如图1所示的标定实验原理示意图，整个标定系统包括分光镜2、测量参考光光斑所用相机4、接收参考光光束所用漫反屏5、分光镜后主光路光学系统6、测量靶面处主光斑所用相机7、接收主光路光束所用漫反屏8、靶面功率采样所用功率计9。接收主光路1光束所用漫反屏8上开有一孔，靶面功率采样所用功率计9在其后接收透过的光束，进行局部功率采样。图1中3为参考光光斑。
如图2所示的靶面处漫反屏和靶面光斑示意图，漫反屏8与采样孔10均采用圆形设计，并确保漫反屏8能全部接收靶面处激光光斑11。通过旋转和移动漫反屏8，可改变采样孔10在靶面处激光光斑11中的相对位置。
具体实施过程如下：
1、开展标定实验，同时监测两处漫反屏光斑以及采样区域激光功率。利用光斑监测数据计算靶面光斑与参考光光斑之间的线性变换因子。通过几何相似变换，确定功率采样孔10在参考光光斑图像内的对应位置，此处称为孔洞映像。
2、根据参考光光斑孔洞映像内的像素灰度值Di和功率计监测数据，可得单位灰度值所表征的功率；根据Di占参考光光斑图像灰度值总和D0的百分比，可推算激光到靶功率P0。
3、记录下标定实验中，相机4拍摄所用衰减片的透过率值T0。
4、用靶材替换靶面处漫反屏8，进行激光辐照效应实验。实验中，选定合适透过率T的衰减片，用相机4监测参考光光斑，计算其图像的灰度值总和D。根据T0-D0-P0的对应关系，由T、D可求得激光实际到靶功率，进而由参考光光斑图像获得靶面激光功率密度的绝对分布。
上述根据T0-D0-P0的对应关系，由T、D可求得激光实际到靶功率，实际上就是已知功率P0对应的DO、T0，如果要求下一次试验的P,知道D和T就可以，P与D成正比，P与T成反比：P=(D/D0)×(T/T0)×P0。

Claims (2)

1.一种大尺寸激光光斑实时监测方法，其特征在于：基于分光镜之后扩束系统对主光束的线性变换，开展标定实验，计算标定线性变换因子M，通过标定线性变换因子M，以参考光光斑表征靶面光斑功率密度的相对分布；同时，接收主光路光束所用漫反射屏上开有一孔，靶面功率采样所用功率计在其后接收透过的光束，进行局部功率采样，通过几何相似变换，确定功率采样孔在参考光光斑图像内的对应位置，此处称为孔洞映像，根据参考光光斑孔洞映像内的像素灰度值Di和功率计监测数据，可得单位灰度值所表征的功率；根据Di占参考光光斑图像灰度值总和Do的百分比，推算激光到靶功率Po；在标定实验中，测量参考光光斑相机拍摄所用衰减片的透过率值To,并记录下相机拍摄所用衰减片的透过率值To与Do、Po的对应关系；用靶材替换靶面处漫反屏，进行激光辐照效应实验，在辐照效应实验中，选定参考光光斑相机实际拍摄所用衰减片的透光率值T，计算参考光光斑图像灰度总和D，并根据To-Do-Po的对应关系，由T、D求得激光实际到靶功率P，进而由参考光光斑图像获得靶面激光功率密度的分布。
2.根据权利要求1所述的大尺寸激光光斑实时监测方法，其特征在于：具体方法步骤如下：
1)开展标定实验，整个标定系统包括分光镜、测量参考光光斑所用相机、接收参考光光束所用漫反屏、分光镜后主光路光学系统、测量靶面处主光斑所用相机、接收主光路光束所用漫反屏、靶面功率采样所用功率计，分光镜后光路分为参考光光束和主光路光束，接收主光路光束所用漫反屏上开有一孔，靶面功率采样所用功率计在其后接收透过的光束，进行局部功率采样；同时监测两处漫反屏光斑以及采样区域激光功率，利用光斑监测数据计算靶面光斑与参考光光斑之间的线性变换因子，通过几何相似变换，确定功率采样孔在参考光光斑图像内的对应位置，此处称为孔洞映像；
2)根据参考光光斑孔洞映像内的像素灰度值Di和功率计监测数据，可得单位灰度值所表征的功率；根据Di占参考光光斑图像灰度值总和D0的百分比，可推算激光到靶功率P0；
3)记录下标定实验中，测量参考光光斑相机拍摄所用衰减片的透过率值T0；
4)用靶材替换靶面处漫反屏，进行激光辐照效应实验，实验中，选定合适透过率T的衰减片，用测量参考光光斑相机监测参考光光斑，计算其图像的灰度值总和D，根据T0-D0-P0的对应关系，由T、D可求得激光实际到靶功率，进而由参考光光斑图像获得靶面激光功率密度的分布。
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