專利名稱：全口徑光強測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光強測量儀，特別是一種全口徑光強測量儀。
背景技術(shù)：
光強特性主要包括強度本身的大小以及光強分布均勻性兩個方面。對高功率固體激光放大器，由兩個很重要的和光強以及光強分布密切相關(guān)的指標(biāo)小信號增益系數(shù)以及增益分布的均勻性。小信號增益系數(shù)的大小決定了放大器光強能力的高低；而增益分布的均勻性好壞對總體輸出光束質(zhì)量有很大的影響，包括光束近場以及光強介質(zhì)儲能的可提取效率等。增益的均勻性定義為全口徑的小信號的峰值與平均值之比。
要實現(xiàn)對高功率激光其的小信號增益系數(shù)和光強分布均勻性的測量，就需要對其全口徑的光強以及光強的均勻性的測量。目前，最常用的測量小信號增益系數(shù)和光強分布均勻性的方法是借助能量卡計測量多點探針光在放大器在全口徑的光強，但是該方法有如下一些缺點(1)無法對光束的進行全口徑測量，只能測量極少的區(qū)域；(2)相鄰發(fā)次之間存在隨機性，測量精度不高；(3)操作復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理方式煩瑣；(4)發(fā)次的限制使測量的結(jié)果只能反映光強分布的大致趨勢，無法反映細微的變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠測量全口徑光強、操作簡單且精度高的全口徑光強測量儀。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案全口徑光強測量儀，其特征在于它由光束匹配系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)和二維面陣CCD、以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成，光束匹配系統(tǒng)將被測光束的口徑轉(zhuǎn)化到二維面陣CCD的靶面大小，再經(jīng)過過濾系統(tǒng)消除雜散光以及將被測光束的強度衰減到二維面陣CCD可以測量的范圍內(nèi)，二維面陣CCD可以同時測量被測激光放大器全口徑內(nèi)的光強分布，將過濾系統(tǒng)過濾后的激光光束的二維光強信號，經(jīng)過灰度信號到光強的轉(zhuǎn)換、圖像對準(zhǔn)后轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)采集二維面陣CCD的測量數(shù)據(jù)并進行存儲，同時計算并輸出全口徑內(nèi)的光強和光強分布的均勻性，也完成和光強以及光強分布均勻性相關(guān)參量的計算。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明可以實現(xiàn)對全口徑光強分布的測量。被測量光束經(jīng)過光束匹配系統(tǒng)后，口徑不大于二維面陣CCD的感光靶面大小，因此，用二維面陣CCD可以一次完成對全口徑內(nèi)光強的測量，克服現(xiàn)有技術(shù)中只能測量光束中少數(shù)點的光強分布的不足。
(2)本發(fā)明可以一次實現(xiàn)對全口徑光強分布的測量，克服現(xiàn)有技術(shù)中一次只能完成對被測量光束中的一個點的光強測量的不足，而要測量全口徑內(nèi)的光強分布，需要分別測量不同點上的光強，此過程十分復(fù)雜、繁瑣、效率低下。
(3)本發(fā)明可以實現(xiàn)更小尺度范圍內(nèi)光強分布的測量，因為二維面陣CCD的像素非常微小而且像素很多，因此可以測量相當(dāng)于像素尺寸大小的空間尺度內(nèi)的光強分布，而現(xiàn)有方法采用細光束作為探針光，其空間尺度經(jīng)匹配系統(tǒng)后遠遠大于二維面陣CCD像素大小，因此本發(fā)明可以克服現(xiàn)有技術(shù)空間分辨率不高的缺點。
(4)本發(fā)明可以提高測量精度，因該發(fā)明使用二維面陣CCD探測光強信號，相對于現(xiàn)有能量測量技術(shù)多用能量卡計作為能量探測器，CCD有更高的靈敏度低、精度更高。


圖1為本發(fā)明的組成原理框圖；圖2為本發(fā)明的光束口徑匹配系統(tǒng)原理圖；圖3為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集硬件框圖；
圖4為本發(fā)明的軟件處理流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由它由光束匹配系統(tǒng)1、過濾系統(tǒng)2、二維面陣CCD3以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)4組成。CCD測量的是激光能量的相對分布，而輸出的是灰度值，因此研究CCD輸入-輸出光電轉(zhuǎn)換特性、線性動態(tài)范圍的標(biāo)定方法，是測量光強的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。本發(fā)明的核心技術(shù)是用二維面陣CCD將激光光束的二維強度分布轉(zhuǎn)換為電信號，由計算機進行數(shù)據(jù)處理。依次經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、去除噪聲、邊緣提取以及灰度到能量的轉(zhuǎn)換四個主要過程。
如圖2所示，光束口徑匹配系統(tǒng)1由兩片共焦點的透鏡構(gòu)成，主要完成將被測量光束口徑等比例調(diào)整到不大于CCD靶面大小以便于進行探測。
如圖3所示，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)4由CCD、采集卡、外觸發(fā)電路和計算機組成，數(shù)據(jù)采集過程完成將測量數(shù)據(jù)從CCD到計算機的轉(zhuǎn)移，本過程由和CCD匹配的數(shù)據(jù)采集卡完成。
如圖4所示為處理軟件流程圖，其中，去除噪聲過程將被測量數(shù)據(jù)的分離成信號和噪聲，該過程分兩個步驟首先去除奇異值，然后減去系統(tǒng)的本底噪聲(通常用暗電流對應(yīng)的灰度值代替)；邊緣提取用來確定光斑的實際位置和大小，該過程主要依據(jù)先驗知識結(jié)合邊緣提取算法(比如可用一階差分來提取方形區(qū)域的邊界等)完成；灰度到能量的轉(zhuǎn)換完成將CCD響應(yīng)到的灰度信號轉(zhuǎn)換成實際的能量，這一過程在需要事先標(biāo)定CCD的光電轉(zhuǎn)換特性，常用的方法有小孔衍射，即根據(jù)激光經(jīng)小孔衍射后在焦平面能量分布理論可知的特點，結(jié)合CCD靶面的尺寸、聚焦透鏡的焦距、標(biāo)定激光的波長等因素選擇小孔直徑，使CCD對衍射圖樣的零級譜有足夠多的采樣點，根據(jù)輸入CCD的零級譜的能量分布與采樣輸出灰度值標(biāo)定光電響應(yīng)曲線。
本發(fā)明用于對連續(xù)光的光強測量時，只需要采集和處理的頻率大于被測對象的變化頻率便可以完成對光強分布的測量，這一過程也反映了光強分布的變化。本發(fā)明用于對脈沖光的光強測量時，還需要外同步信號來確定光和采集系統(tǒng)之間的時序關(guān)系以保證CCD能采集到脈沖光信號，其余同連續(xù)光的測量。
本發(fā)明利用CCD作為光強探測器，CCD由很多細微的像素構(gòu)成，每個有效像素完成的是光強測量，但整個面上就形成了光強高低的差別，即光強分布的測量。
本發(fā)明可以根據(jù)測量的光強推算相應(yīng)的參量，比如平均光強Imean=1NΣk=1NIk,]]>調(diào)制度α=Imax-IminImean,]]>均勻性α=ImaxImean]]>等。
本發(fā)明用于不同波長時，比如紫外，就需要選用工作波長在對應(yīng)區(qū)域的CCD，同時其余硬件、軟件算法作相應(yīng)調(diào)整即可實現(xiàn)對不同波長(紫外到紅外)的光強測量。
權(quán)利要求
1.全口徑光強測量儀，其特征在于它由光束匹配系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)和二維面陣CCD、以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成，光束匹配系統(tǒng)將被測光束的口徑轉(zhuǎn)化到二維面陣CCD的靶面大小，再經(jīng)過過濾系統(tǒng)消除雜散光以及將被測光束的強度衰減到二維面陣CCD可以測量的范圍內(nèi)，二維面陣CCD同時測量被測激光放大器全口徑內(nèi)的光強分布，將過濾系統(tǒng)過濾后的激光光束的二維光強信號，經(jīng)過灰度信號到光強的轉(zhuǎn)換、圖像對準(zhǔn)后轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)采集二維面陣CCD的測量數(shù)據(jù)并進行存儲，同時計算并輸出全口徑內(nèi)的光強和光強分布的均勻性，完成光強以及和光強分布均勻性相關(guān)參量的計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全口徑光強測量儀，其特征在于可以用于連續(xù)光的光強測量還可以用于脈沖光的光強測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全口徑光強測量儀，其特征在于可以用于對光束的光強測量，而且可以用來測量光束的強度分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全口徑光強測量儀，其特征在于可以用于對光束的強度分布，還可根據(jù)測量結(jié)果，計算相關(guān)的和強度或強度分布相關(guān)的參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全口徑光強測量儀，其特征在于測量的波長范圍覆蓋紫外直到紅外。
全文摘要
全口徑光強測量儀由光束匹配系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)和二維面陣CCD、以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成，光束匹配系統(tǒng)將被測光束的口徑轉(zhuǎn)化到二維面陣CCD的靶面大小，再經(jīng)過過濾系統(tǒng)消除雜散光以及將被測光束的強度衰減到二維面陣CCD可以測量的范圍內(nèi)，二維面陣CCD可以同時測量被測激光放大器全口徑內(nèi)的光強分布，將過濾系統(tǒng)過濾后的激光光束的二維光強信號，經(jīng)過灰度信號到光強的轉(zhuǎn)換、圖像對準(zhǔn)后轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)采集二維面陣CCD的測量數(shù)據(jù)并進行存儲，同時計算并輸出全口徑內(nèi)的光強和光強分布的均勻性，也完成光強以及和光強分布均勻性相關(guān)參量的計算。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、測量精度高，能夠克服實驗過程中相鄰兩次發(fā)射之間的隨機性而導(dǎo)致的測量誤差，能夠簡化實驗過程，加快測量速度并提高測量精度。
文檔編號G01J1/42GK1731112SQ20051008625
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月19日
發(fā)明者李恩德, 段海峰, 楊澤平, 張雨東 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所