【正文】 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文激光光斑尺寸的測量和研究摘要激光光斑尺寸是標(biāo)志激光器性能的重要參數(shù)，也是激光器在應(yīng)用中的重要參量。本文主要介紹了兩種測量激光光斑尺寸的方法：刀口掃描法，CCD法。分析了利用刀口法測量高斯光束腰斑大小的測量實(shí)驗(yàn)裝置，并闡述了具體的測量過程。此方法對激光光斑大小測量是可行的。實(shí)驗(yàn)裝置簡單實(shí)用。CCD法是利用CCD作為探測傳感器，可以更精確地測出激光器的光斑尺寸和束腰光斑尺寸，克服了傳統(tǒng)測量的繁雜過程，并用計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理，測量精度得到提高，為激光器性能研究和光信息處理提供了一種新的方法。本文給出了這兩種方法測得的數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。結(jié)果表明，刀口掃描法對高能量光束半徑的測量特別實(shí)用，裝置簡單，可在普通實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測量。CCD法檢測的直觀性好，不需要輔助的逐行掃描機(jī)械移動，成像精度和檢測精度高。關(guān)鍵詞　激光光斑尺寸；Matlab；CCD 傳感器；刀口法The Measurement and Research of Laser Spot Size AbstractThe size of Laser spot is not only one important parameter of laser performance, but also in laser application.This paper introduces two methods of measuring laser spot diameter: scanning method, CCD: knife method. We analyze of measurement is cut the size of the gaussian beam waist measurement device spot, and elaborates on process of the measurement. Using this method of laser spot size measurement is feasible. The experiment device is simple and practical. CCD method uses the CCD sensor as a detection can be more accurate to measure the size of the laser spot and waist size spot, overing traditional measurement process and using puter control to deal with data processing, and the measurement accuracyis improved, providing a new method for laser performance study and light information processing. At the same time, it gives two methods of measured data and processing results.The results show that the method of blade scanning is practical for highenergy beams radius’s measurement. Simple device can be operated in ordinary laboratory. CCD detection method is visually good, and do not need to manufacture progress ivescan auxiliary of the machine movement, the imaging accuracy and precision is the higherKeywords　Laser spot size。 Matlab。 CCD sensor。 knifeedge method.不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 II 目錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 論文研究的內(nèi)容 4第2章 激光光斑測量方法探究 5 刀口掃描法測激光光斑直徑研究 5 CCD測激光光斑直徑方法 9 本章小結(jié) 17第3章 激光光斑尺寸的測量與數(shù)據(jù)分析 18 刀口法測光斑直徑 18 90/10刀口法理論及方法 18 計(jì)算理論 20 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 20 實(shí)驗(yàn)分析 22 CCD法測激光光斑方法 22 用CCD拍攝光斑圖像 22 Matlab的圖片處理 23 圖像處理結(jié)果 23 實(shí)驗(yàn)分析 26 本章小結(jié) 27結(jié)論 28致謝 29參考文獻(xiàn) 30附錄A 英文原文 31附錄B 中文譯文 35附錄C Matlab程序 39千萬不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 III 第1章 緒論 課題背景激光技術(shù)對國民經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展有著重要作用，激光技術(shù)是二十世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的四項(xiàng)重大發(fā)明之一。三十多年來，以激光器為基礎(chǔ)的激光技術(shù)在我國得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、通訊、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、文化教育以及科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對國民經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展將發(fā)揮愈來愈重要的作用。 由于激光具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度，它已滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，形成了新的學(xué)科。例如：激光信息存儲與處理、激光材料加工、激光醫(yī)學(xué)及生物學(xué)、激光通訊、激光印刷、激光光譜學(xué)、激光化學(xué)、激光分離同位素、激光核聚變、激光檢測與計(jì)量及軍用激光技術(shù)等，極大地促進(jìn)了這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和前所未有的發(fā)展。在國民經(jīng)濟(jì)中形成新的產(chǎn)業(yè)部門。激光產(chǎn)業(yè)正在我國逐步形成，其中包括激光音像、激光通訊、激光加工、激光醫(yī)療、激光檢測、激光印刷設(shè)備及激光全息等，這些產(chǎn)業(yè)正在作為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)而引起高度重視。對傳統(tǒng)工業(yè)的改造將發(fā)揮愈來愈顯著的作用，激光加工作為先進(jìn)制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造等國民經(jīng)濟(jì)重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。促進(jìn)醫(yī)療技術(shù)進(jìn)步，提高人民健康水平，激光醫(yī)療技術(shù)目前已在眼科、外科、內(nèi)科、婦科、耳鼻喉科、心血管科、皮膚科等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，激光醫(yī)療設(shè)備已進(jìn)入縣以上的醫(yī)院，這對醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步和提高人民健康水平起著重要作用。加速我國國防技術(shù)的現(xiàn)代化，激光技術(shù)在軍事上已應(yīng)用于測距、指向、制導(dǎo)、通訊及戰(zhàn)術(shù)武器等，為改善武器裝備的性能，提高命中率和可靠性，起到重要的作用，并有一定數(shù)量的產(chǎn)品出口。激光光斑尺寸是標(biāo)志激光器性能的重要參數(shù)，也是激光器在應(yīng)用中的重要參量。在工業(yè)上的金屬精加工，在醫(yī)療上的激光縫合技術(shù)，在軍事上的激光定位等等，這些激光的應(yīng)用都要依靠調(diào)節(jié)激光光斑尺寸和能量參數(shù)。因此，對激光尺寸的精確測定是有意義的。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀激光以全新的姿態(tài)問世已二十余年。然而，發(fā)明激光器的歷程卻鮮為人知，至于發(fā)明者如何從事艱難曲折的探索，就更少人問津了。其實(shí)，每一項(xiàng)重大發(fā)明，都是科學(xué)家們智慧的結(jié)晶，里面包涵著他們的汗水和心血。自然，激光器的發(fā)明也不例外。說得準(zhǔn)確些，對激光的研究，只是到了20世紀(jì)50年代末才出現(xiàn)一個(gè)嶄新階段[1]。在此之前，人們只對無線電波和微波有較深研究。科學(xué)家們把無線電波波長縮短到十米以內(nèi)，使得世界性的通訊成為可能，那是30年代的事情。后來，隨著速調(diào)管和空穴磁控管的發(fā)明，科學(xué)家便對厘米波的性質(zhì)進(jìn)行研究。二次世界大戰(zhàn)中，由于射頻和光譜學(xué)的發(fā)展，輻射波和原子只間的聯(lián)系又重新被強(qiáng)調(diào)。大戰(zhàn)期間，科學(xué)家們發(fā)明并研制了雷達(dá)（戰(zhàn)爭對雷達(dá)的制造起了推動的作用）。從技術(shù)本身來說，雷達(dá)是電磁波向超短波、微波發(fā)展的產(chǎn)物。大戰(zhàn)以后，科學(xué)家又開創(chuàng)了微波波譜學(xué)，目的是探索光譜的微波范圍并把其推廣到更短的波長。當(dāng)時(shí)，哥侖比亞大學(xué)有一個(gè)由湯斯領(lǐng)導(dǎo)的輻射實(shí)驗(yàn)小組，他們一直從事電磁方面以及毫米輻射波的研究。1951年，湯斯提出了微波激射器的概念。經(jīng)過幾年的努力，1954年湯斯和他的助手高頓、蔡格發(fā)明了氨分子束微波激射器并使其正常運(yùn)行。這為以后激光器的誕生奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)，湯斯希望微波激射器能產(chǎn)生波長為半毫米的微波，遺撼的是。微波激射器問世以后，科學(xué)家就希望能制造輸出更短波長的激射器。湯斯認(rèn)為可將微波推到紅外區(qū)附近，甚至到可見光波段。1958年，肖洛與湯斯合作，率先發(fā)表了在可見光頻段工作的激射器的設(shè)計(jì)方案和理論計(jì)算。這又將激光研究推上了一個(gè)新階段?，F(xiàn)在，人們都知道，產(chǎn)生激光要具備兩個(gè)重要條件：一是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二是諧振腔。值得注意的是，自1916年愛因斯坦提出受激輻射的概念以后，1940年前后就有人在研究氣體放電實(shí)驗(yàn)中，觀察到粒子反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。按當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)，就具備建立某種類型的激光器的條件。但為什么沒能造出來呢?因?yàn)闆]有人，包括愛因斯坦本人沒把受激輻射，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，諧振腔聯(lián)系在一起加以考慮。因而也把激光器的發(fā)明推遲了若干年。在研究激光器的過程中，應(yīng)把引進(jìn)諧振腔的功勞歸于肖洛。肖洛長期從事光譜學(xué)研究。諧振腔的結(jié)構(gòu)，就是從法——珀干涉儀那里得到啟示的。正如肖洛自己所說：“我開始考慮光諧振器時(shí)，從兩面彼此相向鏡面的法——珀干涉儀結(jié)構(gòu)著手研究，是很自然的?！睂?shí)際上，干涉儀就是一種諧振器。肖洛在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的七年中，積累了大量數(shù)據(jù)，于1958年提出了有關(guān)激光的設(shè)想。幾乎同時(shí)，許多實(shí)驗(yàn)室開始研究激光器的可能材料和方法，用固體作為工作物質(zhì)的激光器的研究工作始于1958年。如肖洛所述：“我完全徹底地受到灌輸，使我相信，可以在氣體中做的任何事情，在固體中同樣可以做，且在固體中做得更好些。因此，我開始探索、尋找固體激光器的材料。”的確，不到一年，在1959年9月召開的第一次國際量子電子會議上，肖洛提出了用紅寶石作為激光的工作物質(zhì)。不久，肖洛又具體地描述了激光器的結(jié)構(gòu)：“固體微波激射器的結(jié)構(gòu)較為簡單，實(shí)質(zhì)上，它有一棒（紅寶石），它的一端可作全反射，另一端幾乎全反射，側(cè)面作光抽運(yùn)。”遺撼的是，肖洛沒有得到足夠的光能量使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因而沒獲成功?？上驳氖?，科學(xué)家邁曼巧妙地利用氙燈作光抽運(yùn)，從而獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。于是，1960年6月，在Rochester大學(xué)，召開了一個(gè)有關(guān)光的相干性的會議，會議上，邁曼成功地操作了一臺激光器。7月份，邁曼用紅寶石制成的激光器被公布于眾。至此，世界上第一臺激光器宣告誕生。激光具有單色性，相干性等一系列極好的特性。從誕生那天開始，人們就預(yù)言了它的美好前景。20多年來，人們制造了輸出各種不同波長的激光器，甚至是可調(diào)激光器。大功率激光器的研制成功，又開拓了新的領(lǐng)域。1977年出現(xiàn)的自由電子激光器，機(jī)制則完全不同，它的工作物質(zhì)是具有極高能量的自由電子，人們可以期望通過這種激光器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)大功率輸出，而且覆蓋頻率范圍可向長短兩個(gè)方向發(fā)展。高斯光束光斑半徑的精確測量對光束質(zhì)量因子的判定及激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)有非常重要的意義[4]。高斯光束光斑半徑的測量方法主要有套孔法、刀口法、CCD法、照相法、狹縫法、閾值時(shí)間法等。照相法：照相干板經(jīng)激光照射曝光，再經(jīng)顯影、定影后利用測微光度計(jì)讀出黑度值下降到極大值（或）處的對應(yīng)尺寸即為激光光斑尺寸。該方法的缺點(diǎn)是：1. 不易把握曝光時(shí)間從而容易造成曝光過度或不足，而影響準(zhǔn)確度；2. 數(shù)據(jù)處理麻煩。閾值時(shí)間法：激光照射制片、木板、塑料板等材料后，在這些材料上得到燒蝕圖形。適當(dāng)?shù)目刂普丈鋾r(shí)間，測出燒蝕后的孔徑大小來確定激光光斑。此法也稱打靶法，該方法除了有與照相法類似的缺點(diǎn)外，還要求燒蝕的靶材均勻，各處的閾值能量相同，材料閾值能量恰當(dāng)，否則可能由于能量積累燒壞靶材或閾值能量較高而影響測量的準(zhǔn)確度。它是一種比較粗略的估計(jì)方法。掃描法：在激光截面上，利用小孔、狹縫或刀口掃描光斑，使激光光斑（或探測器）沿垂直于光束的方向移動，其移動速度恒定[8]。將探測器輸出信號顯示在指示器上，得到光功率隨位移變化的分布曲線，從而找到激光光斑半徑。這種方法的特點(diǎn)是不用考慮曝光時(shí)間，可用于連續(xù)激光基模光束光斑尺寸測定，測量方便、直觀。但也存在明顯的局限性：1. 不能同時(shí)確定最小光斑位置及其尺寸；2. 測量精度受探測器響應(yīng)率及響應(yīng)時(shí)間的影響；3. 調(diào)整過程難度大。CCD法：用用線陣式CCD器件作為光探測器，拍攝光斑圖像，經(jīng)過預(yù)處理，導(dǎo)入Matlab軟件，得出能量分布圖進(jìn)而求出光斑直徑。該方法操作簡單，精度高。但對激光的能量有一定的限制。 論文研究的內(nèi)容本文共分3章，內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下：第1章介紹論文的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及主要研究內(nèi)容。第2章分別介紹了刀口掃描法和CCD法測激光光斑尺寸的理論基礎(chǔ)以及方法探究。第3章設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，給出刀口掃描法和CCD法的實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理。第2章 激光光斑測量方法探究 刀口掃描法測激光光斑直徑研究在激光技術(shù)及應(yīng)用中，激光光斑尺寸是一個(gè)重要的參數(shù)，它的精度直接影響激光光束質(zhì)量因子的判定。在激光器的設(shè)計(jì)中它的大小還會影響對晶體熱效應(yīng)的估算。激光光束直徑的測量一般有套孔法、刀口法、 CCD法等。對于套孔法，在實(shí)驗(yàn)上很難做到孔與光束同心，因而精度難以保證。而CCD 法雖然精度高，但僅對低功率的光束測量適用。而刀口法對高能量光束半徑的測量特別實(shí)用。因而，刀口法是一種測量高斯光束光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法。本節(jié)主要對用刀口法測激光光斑尺寸的方法進(jìn)行理論分析及探究。刀片通常被固定在光學(xué)平移臺上，可沿與光束傳播垂直方向切割光束[6]。圖21為刀口法測量高斯光束光斑半徑裝置示意圖。圖22為刀口垂直切割光束示意圖，當(dāng)?shù)犊谙鄬τ诠獍咧行淖鴺?biāo)為時(shí)，刀片遮擋部分激光，透過刀口邊緣激光功率占總功率百分比為（設(shè) 50%），當(dāng)?shù)犊谝苿拥脚c位置對稱的位置時(shí)，透過刀口邊緣激光功率百分比為；目前采用的90%/10%刀口測量方法為：取，測量透過刀口邊緣光功率占總功率百分比分別為90