CN1187574C - 激光光斑有效面积测试装置 - Google Patents

Abstract

一种激光光斑有效面积测试装置，其特征在于它由CCD成像测量系统与计算机构成，两者之间采用光缆进行光电信号耦合，所说的CCD成像测量系统为面阵CCD成像系统，所述的计算机应具有64位图形加速卡、显示器、和打印机，该计算机(3)安装有计算激光光斑有效面积的软件程序，该软件要求运行在中文Windows95以上环境下，同时应配有MATLAB作为辅助工具平台。本发明装置具有测试精度高、操作简单的优点。

Description

激光光斑有效面积测试装置

技术领域

本发明涉及激光光斑，特别是一种激光光斑有效面积测试装置。

背景技术

在测试光学元件与材料的激光损伤阈值时，首先需要准确地测量激光打在被测光学样品上的有效面积。

已有的技术：例如ISO11254-1.2光学表面的激光破坏阈值测试方法中，对有效面积在理论上进行了定义，但是并未做出实际的测试装置。目前测量有效面积采用的是光楔法，即借助于尖劈的多次反射，使激光束分成多束，即传播方向不同，但能量分布比例不变而强度变化可知的子光束，在场图纸上打出一列损伤斑点，经数据处理后测出有效面积。

上述方法存在的问题主要是：只能用于高斯型或近高斯型的具有对称空间分布的激光光束。在测量时由于光斑的边缘比较模糊，给准确测定带来一定的麻烦，误差比较大。例如当激光光斑直径为1mm的时候，半径误差为0.1mm，则有效面积的误差就高达36％。而且工作量较大。当激光光束的空间分布不是近高斯型的时候，就无法确定光束空间分布的函数表达式，就无法计算有效面积。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有方法所存在的缺点，提供一种激光光斑有效面积测试装置，使之可以测试激光空间任何分布形状的光束的有效面积，而且操作方便，无需人工计算，并可以直接在计算机上显示结果并打印出来。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光光斑有效面积测试装置，其特征在于它由CCD成像测量系统与计算机构成，两者之间采用光缆进行光电信号耦合，所说的CCD成像测量系统为面阵CCD成像系统，所述的计算机应具有64位图形加速显示卡、显示器，该计算机安装有计算激光光斑有效面积的软件程序，该软件要求运行在中文Windows95以上环境下，同时应配有MATLAB作为辅助工具平台。

所述的激光光斑有效面积的计算公式：

          A_eff＝(E_t-E_Background)/E_mp×A_pixel，

          其中：E_t：总能量，

                E_Background：背景能量，

                E_mp：最大能量，

                A_pixel：像元素尺寸。

所述的CCD成像测量系统为SIZE512×512全帧型CCD器件，像元素为512×512，像元尺寸24μm×24μm，图像分辨率12Bit，动态范围＞3000，成像面积12.3mm×12.3mm。

本发明的有效面积计算分析软件是根据有效面积的定义做出的：

由于光学元件的激光损伤阈值是指激光与光学材料元件相互作用后不产生损伤时的最大的激光能量密度。因此我们要计算光学材料的激光损伤阈值，关键是要知道打在被测材料上的激光总能量以及打在被测材料上的激光光斑的有效面积。有效面积的概念在激光损伤阈值测试中是至关重要的。因为实际的激光能量的空间分布并不总是均匀对称分布的，这就很难准确地计算激光光斑的面积。而在被测元件上总存在一个激光峰值能量密度，这个激光峰值能量密度是最容易对材料产生损伤的。因此就不能简单的用激光总能量除以光斑面积的方法来确定损伤阈值。而是要用激光总能量除以光斑的有效面积来确定。有效面积是这样定义的：如果激光光束的空间分布是稳定的(并不要求是均匀分布的)，则激光总能量Q，峰值能量密度H_max和光束有效面积A_eff之间的关系为：

$A_{\mathrm{eff}}=\frac{Q}{H_{\max }}=\frac{\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}H(x,y)\mathrm{dxdy}}{H_{\max }}$

换句话说，就是激光总能量除以光斑的有效面积应该等于光斑的峰值能量密度。按照这样的公式求出的损伤阈值是比较准确的。

最大能量密度I₀＝max[limA_Hole→0(E_holg/A_hole)]。其中点面积A_Hole是常数，并且不小于像元素尺寸，因此I₀＝E_{max in one pixel}/A _pixel＝E_mp/A_pixel。

根据光斑有效面积定义得到A_eff＝A_pixel×E_t/E_mp。CCD的像元素尺寸A_pixel＝24μm×24μm＝5.76×10^-4mm²。只要确定E_t/E_mp的比值就能得到A_eff。要求CCD的每一像元素和观察到的能量是线性关系；摄取时噪声背景很小；处理时噪声背景被减去；CCD动态范围要大。光斑有效面积的计算公式：

              A_eff＝(E_t-E_Background)/E_mp×A_pixel，

其中：E_t：总能量，

      E_Background：背景能量，

      E_mp：最大能量，

      A_pixel：像元素尺寸。

据此所编的程序如下：

setptr(gcf，′watch′)；

    B＝get(VsrectBnd，′UserData′)；

    hold on；

    [nx ny]＝size(B)；

    n＝0；

    for I＝1：nx

      for J＝1：ny

        if((I-nx/2)^2+(J-ny/2)^2)＜(min(nx，ny)/2)^2
           n＝n+1；

           Bt(I，J)＝B(I，J)；

        else

           B(I，J)＝0；
        <!-- SIPO <DP n="3"> -->
        <dp n="d3"/>
         BT(I，J)＝5000；

     end

  end

end

maxB＝max(max(B))；

sumB＝sum(sum(B))；

meanB＝sumB/n；

％minB＝min(min(Bt))；

fillgene(1)＝sumB/(maxB*n)；

fillgene(2)＝sumB/maxB*0.024*0.024；

本发明的优点：本发明采用CCD摄像系统；按照有效面积计算分析的准确定义；编制了有效的计算软件，并使之嵌入MATLAB软件中，成为一套完整的激光光斑有效面积测试装置。与已有的技术相比，本发明测试有效面积的精度大大提高。而且使用非常方便，操作简单。对激光光强的任何分布都可以进行有效面积的计算。

附图说明

图1为本发明激光光斑有效面积测试装置的示意图。

具体实施方式

本发明装置由CCD成像测量系统1与计算机3构成，两者之间采用光缆2进行光电信号耦合。采用光缆进行耦合的目的是为了防止杂乱信号进入计算机，避免计算机受到干扰。测试图像进入计算机后，由计算机进行计算分析后，把有效面积的测试结果在显示器4上显示出来，或由打印机5进行打印。

所说的CCD成像测量系统为SIZE512×512全帧型CCD器件。像元素为512×512，像元尺寸24μm×24μm，图像分辨率12Bit，动态范围＞3000，成像面积12.3mm×12.3mm。也可以用其它类型的面阵CCD成像系统。图像分辨率越小越好。CCD成像系统完成光束的图像摄取及存储。经过计算机处理，就可以对任何空间分布的光束进行有效面积的计算。计算机硬件配置推荐如下：

CPU：Intel Pentium 133M  内  存：16M(EDO)

硬  盘：1G以上           显示卡：64位图形加速卡

显示器：17英寸彩色监视器。

软件要求运行在中文Windows95以上环境下，同时应配有MATLAB作为辅助工具平台。

本发明最佳实施装置如图1所示，CCD成像测量系统1主要由电源、CCD摄像头、控制箱、PC接口控制卡、图像采集卡组成。计算机3为CPU 2G，内存256M，硬盘40G，显示卡为64位图形加速卡，17英寸彩色显示器。CCD成像测量系统1与计算机3之间用光纤2进行耦合。计算机3中安装有本发明编制的有效面积计算程序与MATLAB软件。被测样品上的激光光斑的能量分布经CCD成像测量系统1摄取后，通过光纤2到达计算机3，由计算机处理后，在显示器4上显示，给出光斑的有效面积。

Claims (2)

1、一种激光光斑有效面积测试装置，其特征在于它由CCD成像测量系统(1)与计算机(3)构成，两者之间采用光缆(2)进行光电信号耦合，所说的CCD成像测量系统为面阵CCD成像系统，所述的计算机应具有64位图形加速显示卡和显示器，该计算机(3)安装有计算激光光斑有效面积的软件程序，该软件程序主要包括下列激光光斑有效面积的计算公式：

A_eff＝(E_t-E_Background)/E_mp×A_pixel，

其中：E_t：总能量，E_Background：背景能量，E_mp：最大能量，A_pixel：像元素尺寸，该软件要求运行在中文Windows95以上环境下，同时应配有MATLAB作为辅助工具平台。

2、根据权利要求1所述的激光光斑有效面积测试装置，其特征在于所述的CCD成像测量系统(1)为SIZE512×512全帧型CCD器件，像元素为512×512，像元尺寸24μm×24μm，图像分辨率12Bit，动态范围＞3000，成像面积12.3mm×12.3mm。

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