CN1731112A - 全口径光强测量仪 - Google Patents

Abstract

全口径光强测量仪由光束匹配系统、过滤系统和二维面阵CCD、以及数据采集和处理系统组成，光束匹配系统将被测光束的口径转化到二维面阵CCD的靶面大小，再经过过滤系统消除杂散光以及将被测光束的强度衰减到二维面阵CCD可以测量的范围内，二维面阵CCD可以同时测量被测激光放大器全口径内的光强分布，将过滤系统过滤后的激光光束的二维光强信号，经过灰度信号到光强的转换、图像对准后转换为电信号，数据采集和处理系统采集二维面阵CCD的测量数据并进行存储，同时计算并输出全口径内的光强和光强分布的均匀性，也完成光强以及和光强分布均匀性相关参量的计算。本发明结构简单、稳定可靠、测量精度高，能够克服实验过程中相邻两次发射之间的随机性而导致的测量误差，能够简化实验过程，加快测量速度并提高测量精度。

Description

全口径光强测量仪

技术领域

本发明涉及一种光强测量仪，特别是一种全口径光强测量仪。

背景技术

光强特性主要包括强度本身的大小以及光强分布均匀性两个方面。对高功率固体激光放大器，由两个很重要的和光强以及光强分布密切相关的指标：小信号增益系数以及增益分布的均匀性。小信号增益系数的大小决定了放大器光强能力的高低；而增益分布的均匀性好坏对总体输出光束质量有很大的影响，包括光束近场以及光强介质储能的可提取效率等。增益的均匀性定义为全口径的小信号的峰值与平均值之比。

要实现对高功率激光其的小信号增益系数和光强分布均匀性的测量，就需要对其全口径的光强以及光强的均匀性的测量。目前，最常用的测量小信号增益系数和光强分布均匀性的方法是借助能量卡计测量多点探针光在放大器在全口径的光强，但是该方法有如下一些缺点：(1)无法对光束的进行全口径测量，只能测量极少的区域；(2)相邻发次之间存在随机性，测量精度不高；(3)操作复杂，数据处理方式烦琐；(4)发次的限制使测量的结果只能反映光强分布的大致趋势，无法反映细微的变化。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够测量全口径光强、操作简单且精度高的全口径光强测量仪。

本发明的技术解决方案：全口径光强测量仪，其特征在于：它由光束匹配系统、过滤系统和二维面阵CCD、以及数据采集和处理系统组成，光束匹配系统将被测光束的口径转化到二维面阵CCD的靶面大小，再经过过滤系统消除杂散光以及将被测光束的强度衰减到二维面阵CCD可以测量的范围内，二维面阵CCD可以同时测量被测激光放大器全口径内的光强分布，将过滤系统过滤后的激光光束的二维光强信号，经过灰度信号到光强的转换、图像对准后转换为电信号，数据采集和处理系统采集二维面阵CCD的测量数据并进行存储，同时计算并输出全口径内的光强和光强分布的均匀性，也完成和光强以及光强分布均匀性相关参量的计算。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明可以实现对全口径光强分布的测量。被测量光束经过光束匹配系统后，口径不大于二维面阵CCD的感光靶面大小，因此，用二维面阵CCD可以一次完成对全口径内光强的测量，克服现有技术中只能测量光束中少数点的光强分布的不足。

(2)本发明可以一次实现对全口径光强分布的测量，克服现有技术中一次只能完成对被测量光束中的一个点的光强测量的不足，而要测量全口径内的光强分布，需要分别测量不同点上的光强，此过程十分复杂、繁琐、效率低下。

(3)本发明可以实现更小尺度范围内光强分布的测量，因为二维面阵CCD的像素非常微小而且像素很多，因此可以测量相当于像素尺寸大小的空间尺度内的光强分布，而现有方法采用细光束作为探针光，其空间尺度经匹配系统后远远大于二维面阵CCD像素大小，因此本发明可以克服现有技术空间分辨率不高的缺点。

(4)本发明可以提高测量精度，因该发明使用二维面阵CCD探测光强信号，相对于现有能量测量技术多用能量卡计作为能量探测器，CCD有更高的灵敏度低、精度更高。

附图说明

图1为本发明的组成原理框图；

图2为本发明的光束口径匹配系统原理图；

图3为本发明的数据采集硬件框图；

图4为本发明的软件处理流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由它由光束匹配系统1、过滤系统2、二维面阵CCD3以及数据采集和处理系统4组成。CCD测量的是激光能量的相对分布，而输出的是灰度值，因此研究CCD输入-输出光电转换特性、线性动态范围的标定方法，是测量光强的关键技术环节。本发明的核心技术是用二维面阵CCD将激光光束的二维强度分布转换为电信号，由计算机进行数据处理。依次经过数据采集、去除噪声、边缘提取以及灰度到能量的转换四个主要过程。

如图2所示，光束口径匹配系统1由两片共焦点的透镜构成，主要完成将被测量光束口径等比例调整到不大于CCD靶面大小以便于进行探测。

如图3所示，数据采集和处理系统4由CCD、采集卡、外触发电路和计算机组成，数据采集过程完成将测量数据从CCD到计算机的转移，本过程由和CCD匹配的数据采集卡完成。

如图4所示为处理软件流程图，其中，去除噪声过程将被测量数据的分离成信号和噪声，该过程分两个步骤：首先去除奇异值，然后减去系统的本底噪声(通常用暗电流对应的灰度值代替)；边缘提取用来确定光斑的实际位置和大小，该过程主要依据先验知识结合边缘提取算法(比如可用一阶差分来提取方形区域的边界等)完成；灰度到能量的转换完成将CCD响应到的灰度信号转换成实际的能量，这一过程在需要事先标定CCD的光电转换特性，常用的方法有小孔衍射，即根据激光经小孔衍射后在焦平面能量分布理论可知的特点，结合CCD靶面的尺寸、聚焦透镜的焦距、标定激光的波长等因素选择小孔直径，使CCD对衍射图样的零级谱有足够多的采样点，根据输入CCD的零级谱的能量分布与采样输出灰度值标定光电响应曲线。

本发明用于对连续光的光强测量时，只需要采集和处理的频率大于被测对象的变化频率便可以完成对光强分布的测量，这一过程也反映了光强分布的变化。本发明用于对脉冲光的光强测量时，还需要外同步信号来确定光和采集系统之间的时序关系以保证CCD能采集到脉冲光信号，其余同连续光的测量。

本发明利用CCD作为光强探测器，CCD由很多细微的像素构成，每个有效像素完成的是光强测量，但整个面上就形成了光强高低的差别，即光强分布的测量。

本发明可以根据测量的光强推算相应的参量，比如平均光强： $I_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k,$ 调制度： $\mathrm{\α}=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\mathrm{mean}}},$ 均匀性： $\mathrm{\α}=\frac{I_{\max }}{I_{\mathrm{mean}}}$ 等。

本发明用于不同波长时，比如紫外，就需要选用工作波长在对应区域的CCD，同时其余硬件、软件算法作相应调整即可实现对不同波长(紫外到红外)的光强测量。

Claims (5)

1、全口径光强测量仪，其特征在于：它由光束匹配系统、过滤系统和二维面阵CCD、以及数据采集和处理系统组成，光束匹配系统将被测光束的口径转化到二维面阵CCD的靶面大小，再经过过滤系统消除杂散光以及将被测光束的强度衰减到二维面阵CCD可以测量的范围内，二维面阵CCD同时测量被测激光放大器全口径内的光强分布，将过滤系统过滤后的激光光束的二维光强信号，经过灰度信号到光强的转换、图像对准后转换为电信号，数据采集和处理系统采集二维面阵CCD的测量数据并进行存储，同时计算并输出全口径内的光强和光强分布的均匀性，完成光强以及和光强分布均匀性相关参量的计算。

2、根据权利要求1所述的全口径光强测量仪，其特征在于：可以用于连续光的光强测量还可以用于脉冲光的光强测量。

3、根据权利要求1所述的全口径光强测量仪，其特征在于：可以用于对光束的光强测量，而且可以用来测量光束的强度分布。

4、根据权利要求1所述的全口径光强测量仪，其特征在于：可以用于对光束的强度分布，还可根据测量结果，计算相关的和强度或强度分布相关的参数。

5、根据权利要求1所述的全口径光强测量仪，其特征在于：测量的波长范围覆盖紫外直到红外。

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