【正文】 ， 即 t=2 ， 由 (37) 式得 ，? ? %)( ?ox PP ， 也 就 是 說 ， 光 束 橫 截 面 內(nèi) ? ? PP x ? ，? ? PP x ? 所對應(yīng)的位置 1x ， 2x 之差的二分之一 (即 2)( 21 xx ? )就是此處光斑半徑。 然而 ， 在具體實驗過程中我們?nèi)?0)( 1 PP x ?， 0)( 2 PP x ?進行研究時并沒有得到較好的結(jié)果?？赡苁谴朔N情況下 1x 、 2x 位置太靠近光斑邊沿 ， 以 致 于 引 起 的 測 量 誤 差 太 大 。 故 我 們 取 0)( %901 PP x ?，0)( %102 PP x ? ， 即采用 90/10 刀口法 。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 計算理論 由式 (37)、 (35)得： ),)((m in 0P xPvnort ? …… 正態(tài)分布逆累計分布函數(shù) (38) ??????? txz ddw 2)( (39) 即2121z tt xxw ???）（ (310) 由 (38)、 (39)、 (310)式得 ： 只要在 光束的某一位置 Z 處測得兩點1x 、 2x 處的功率 )(1xP 、 )(2xP 及其所對應(yīng)的 )( 21 xx ? 就可以求得此處的光斑直 徑。 實驗數(shù)據(jù)處理 我們對一 型號為 330290 的 連續(xù)激光器 的光束光斑進行測量 。 將激光器、刀口及功率計按圖 21 放置在實驗臺上。如圖 22 所示，選取適當(dāng)單位長度移動刀口，記錄能量計上的數(shù)值。 1. 對連續(xù)激光器 光斑能量進行測量， 0P =，根據(jù)上文 90/10 刀口 法 ， 找 到 0)( %901 PP x ?， 0)( %102 PP x ?的 兩 點 ， 1x = ，2x =。可得光斑直徑 r=。 2. 測量 數(shù)據(jù) 輸入 Origin 進行處理繪圖， 用相對強度體現(xiàn)出能量分布趨勢，并對其進行擬合，如圖 32。 根據(jù)光斑直徑定義，在能量分布圖上找出 20 eII? 所對應(yīng)的兩個橫坐標(biāo)點做差值，可得 r’=。與 90/10 法結(jié)果相符。 012345相對強度 (.)刀口移動距離 (mm) 相對強度 Gauss Fit of 相對強度 圖 32 激光光斑能量分布 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 讓 該激光穿過透鏡 1M （焦距為 30cm），測的 一組 數(shù)據(jù) ， 做能量分布如圖 33： 0 5 0 5 0 5 001234567相對強度 (.)刀口移動距離 (mm) 相對強度 Gauss Fit of 相對強度 圖 33 經(jīng)過透鏡 1M 后激光光斑能量分布圖 根據(jù)上述處理方法，分別得到兩種算法的光斑直徑： r=，r’=。 讓 該激光經(jīng)過透鏡 2M （焦距為 15cm）， 測得一組數(shù)據(jù)， 做圖 34： 0 2 4 6 8 0 2012345相對強度 (.)刀口移動距離 (mm) 相對強度 Gauss Fit of 相對強度 圖 34 經(jīng)過透鏡 2M 后激光光斑能量分布圖 根據(jù)上述處理方法，分別得到兩種算法的光斑直徑： r=，r’= 分別用理論推導(dǎo)得到 90/10 刀口法，光斑直徑定義得到的能量分布法對激光光斑進行測量計算。兩種算法基本相符，證明了用刀口法測激光光斑尺寸 是確實可行的。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 實驗分析 從上面的實驗過程還可以看出 ： 該實驗方法過程簡單、實驗結(jié)果精確度高。但是在實驗中應(yīng)該注意以下幾點 ： 必須保證刀口質(zhì)量好 ， 刀片盡量薄。刀口必須垂直于高斯光束軸線方向 ， 否則會影響測量的精度。在測量過程中由于在 1x 、 2x 點功率計反應(yīng)比較靈敏 ， 所以應(yīng)當(dāng)小心、仔細(xì)旋轉(zhuǎn)螺旋測微器 ， 盡量減小測量誤差。束腰位置處 ， 激光功率密度比較高 ， 所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況選擇合適的激光功率 ， 不致將刀口燒壞。但是 ， 功率也不能太低 ， 否則會增大測量誤差。 由以上工作可以看出 ： 刀口法測量高斯光束光斑尺寸方法簡單 ， 對實驗器材要求低 ， 易于操作 ， 測量結(jié)果精度可達微米量級 ， 能滿足一般實驗室激光光束直徑測量的需要。所以 ， 刀口法是一種比較理想的測量高斯光束光斑尺寸大小的方法。 CCD法測激光光斑方法 在進行激光的空間整形的實驗的時候 ， 我們需要對整形前和整形后的激光光斑圖像進行分析 ， 得到相應(yīng)光斑的能量分布 ， 評估整形的效果 ， 這就需要我們建立一個有效的測量光斑能量密度的方法 ， 但是人們一般是針對激光光斑的灰度圖像進行研究 ， 由于人眼對不同灰度級的分辨能力有限 ， 因此難以充分利用激光光斑灰度圖像中包含的光斑能量分布信息 ， 但是人的眼睛對色彩相當(dāng)敏感 ， 能區(qū)分不同的亮度 ， 色彩和飽和度等各種顏色。根據(jù)這個特點 ， 我們借助 MATLAB 這個強大的平臺 ， 利用偽色彩變換和空間灰度插值運算 ， 實現(xiàn)了光斑能量分布的三維偽彩色可視化 ， 可以較直觀的顯示出光斑的能量分布。 并用 Origin 軟件進行了數(shù)據(jù)的后期處理。 用 CCD拍攝光斑圖像 我們使用敏通公司的 MTV1881EX 型號 CCD 采集的原始光斑圖像，圖像的獲取是為了得到激光光斑的原始圖像 ， 該部分主要是由激光 ， 衰減系統(tǒng) ， 導(dǎo)軌 ， 和 CCD 攝像頭 ， 圖像 卡和計算機組成 如圖 24， 實驗中衰減器的主要作用是將出射激光的光強衰減到自然光的光強 ， 為的是不損壞CCD 的感光部分 ， 將 CCD 在與激光光束平行的導(dǎo)軌上移動 ， 感光面與激光光軸垂直 ， CCD 可以在不同的界面上采集到激光光斑的原始圖像。同理在經(jīng)過激光的空間整形后我們用同樣的方法我們可以得到整形后的光斑圖像。圖像如圖 35 所示 。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 圖 35 CCD 拍攝的激光光斑 圖片 Matlab 的圖片處理 Matlab軟件是一種廣泛使用的工程軟件，利用 Matlab中的圖像工具箱可以方便的進行數(shù)字圖像處理 [11]。由于中值濾波能有效濾 除脈沖干擾及圖像掃描噪聲，我們首先對光斑圖像進行二維中值濾波，濾波窗口選擇為34，其圖像噪聲的平均值下降為 7。然后再使用自適應(yīng)濾波來消除白噪聲， 圖像噪聲的平均值僅為 4。 可以看出，原始圖像中的噪音基本被濾除，圖像噪聲的平均值由 16下降到了 4，所以用這種方法去除噪音的效果比較明顯。 Matlab 圖片處理程序 見附錄 C，運行流程圖如圖 36 所示 ： 清 屏 讀 取 圖 像 的 R G B 取 R G B 的 第 一 維將 u i n t 8 轉(zhuǎn) 換 成 雙 精 度讀 取 R B G 作 三 維 圖找 出 峰 值 點 ， 作 X 軸 切 面 圖 找 峰 值 點 并 作 y 軸 切 面 圖 圖 36 程序運行流程圖 圖像處理結(jié)果 用 Matlab 處理光斑圖片，將圖片三維可視化 [13]。 輸出結(jié)果如圖 37 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 37 光斑能量三維可視圖 把光斑的能量分布圖三維可視化后，可以很明顯的看出激光光斑的能量分布。 由于三維圖像不方便計算， 用 Matlab 找出 取最高點能量，并分別做出x 軸與 y 軸的二維切面圖，如圖 38 和 39 所示 ： 圖 38 光斑能量分布二維 x 軸切面圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 圖 39 光斑能量分布二維 y 軸切面圖 將圖 38 數(shù)據(jù)提取出來，導(dǎo)入 Origin 軟件做出相對能量分布圖 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160050100150200相對強度 (.)像素 相對強度 圖 310 光斑相對強度分布圖 經(jīng)過噪音濾除后，光強分布曲線還不夠平滑，有強度調(diào)制 造成的影響，為此需要進一步處理。由于圖 310 的光強分布非常接近高斯型，我們直接使用 Origin 軟件的高斯擬合功能來進行平滑，如圖 311 所示。使用高斯平滑后， Origin 軟件還會給出光斑直徑（按光強最大值的 e2）和擬合誤差等參數(shù)，極大的方便了我們分析高斯型的光強分布情況。但是對于非高斯分布的情況，高斯平滑就不適用了，此時我們使用 Origin 軟件的 FFT平滑來進行處理。 FFT 平滑是普遍適用的方法，無論對于高斯分布還是非高斯分布。對于高斯分布，使用高斯平滑和 FFT 平滑的處理結(jié)果基本一致，但是 FFT 平滑能夠保 留更多的細(xì)節(jié)。獲得了較為平滑的光強分布曲線哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 后，就可以使用各種處理方法進一步分析，以獲得激光光斑的相關(guān)參數(shù)。如果高斯擬合的結(jié)果與 FFT 平滑的結(jié)果一致或者相差很小，就說明光斑的光強分布是高斯型或者近高斯型；如果高斯擬合的結(jié)果與 FFT 平滑的結(jié)果相差較大，就說明光斑的光強分布不是高斯型。 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160050100150200相對強度 (.)像素 相對強度 Gauss Fit of 相 對強度 圖 311 高斯擬合后圖像 由 圖 311，用 Origin 軟件找到相對強度強最大值的 2?e 的點，橫坐標(biāo)1x =， 2x = 由上文分析可知光斑 直徑 r= 12 xx? = 以上數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)皆是用像素為單位。 本實驗系統(tǒng)采用感光單元為 800600 陣列的 MTV 21881EX 型 CCD 攝像 頭 ， 由于只是接受光照度而不必對光束 成像， 故攝象頭不用物鏡，圖象采集分辨率為 768576, 物體經(jīng)光學(xué)放大成象后 ， 映射到每個象元的尺寸相當(dāng)于實際尺寸的 8μm。 因此將 r 從 像素轉(zhuǎn)化為尺寸 r=。 實驗分析 本文 探討的 CCD 探測傳感器，用計算機控制和數(shù)據(jù)處理，測量激光光斑尺寸和束腰光斑尺寸及共焦參數(shù)的方法，通過實驗測量結(jié)果表明是可行的 ， 經(jīng)多次實驗測量，其數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好。由于采用了高速采樣系統(tǒng)和相對光強處理，以及無機械運動測量，因此克服了傳統(tǒng)測量中，由于光束漂移，能量起伏以及機械運動所帶來的測量誤差。本方法也有弊端，例如 CCD 法雖然精度高，但僅對低功率的光束測量適用。對于高功率激光 ， CCD 存在飽和現(xiàn)象，實驗 時 也要注意避免大功率激光對 CCD 造成損壞。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 本章小結(jié) 根據(jù)第二章的理論基礎(chǔ)，本章先設(shè)計了實驗，測得數(shù)據(jù)。對 于刀口法，首先用 90/10 刀口法，進行了理論計算，得出覺果然后用 Origin 作圖處理數(shù)據(jù)，得到結(jié)果與理論結(jié)果比較。結(jié)果相符，證明實驗真實可行。對于 CCD 法，本章介紹了光斑圖片的采集，圖像的前期處理， Matlab 軟件與 Origin 軟件對數(shù)據(jù)的提取及處理。取得了理想結(jié)果。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 結(jié)論 激光光斑尺寸和激光束腰光斑尺寸是標(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。 但是 激光光斑尺寸小、亮度高，難以用肉眼觀察測量。 本文對此 做了如下工作：分析了 刀口 描法和 CCD 法的實驗可行性與理論基礎(chǔ) 。 用刀口掃描法測的激光光斑能量數(shù)據(jù)，用 Origin 處理數(shù)據(jù)做出能量分布圖，根據(jù)分布圖計算出激光光斑直徑。用 CCD 采集激光光斑圖片，編寫 Matlab 程序，用該程序?qū)⒐獍邎D片 三維可視化作圖，根據(jù)圖片，算得光斑直徑 。 刀口掃描法測得的激光光斑數(shù)據(jù)，與理論分析中 90/10 刀口法計算得到的數(shù)據(jù)基本相同，證明了刀口法，精確可行。用 Matlab 及 Origin 成功的提取出 CCD 拍攝的光斑圖像的相對遷都數(shù)據(jù)，算得激光光斑直徑，取得理想結(jié)果。 對比文中介紹的兩種方法， CCD 法無機械動作，熟練應(yīng)用強大的處理工具得到的結(jié)果更為精確，但由于拍攝裝置的限制，這種方法對于高能量激光有一定的制約性。刀口掃描法則對高能量激光比較實用，裝置簡單。但人為誤差較大。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 致謝 仿佛還是昨天，我懷著懵懂忐忑的心情來到了哈爾濱理工大學(xué)，可是現(xiàn)在，我就要離開了。在這短暫的四年里，我感受到了許多關(guān)懷和愛，來自所有人的友好與幫助，使我雖然迷茫卻也幸福地學(xué)習(xí)和生活著。我從很多同學(xué)身上學(xué)到了許多曾經(jīng)書本上沒學(xué)過的實踐知識，更從諸位老師身上學(xué)到了足以教我一生受用的寶貴學(xué)習(xí)經(jīng)驗。所有人的謙和、努力、友好，都使 我深深感動，無法訴說我內(nèi)心那種不舍與感激。 在這里，我要特別感謝一直給予我?guī)椭?、我敬愛的?dǎo)師高瑋老師，她無論從專業(yè)上還是從職業(yè)操守上都給了我無限的啟迪，在我的論文撰寫階段，曾給過我悉心的指導(dǎo)和耐心的評閱；在我找工作的過程中，在個人學(xué)習(xí)和生活方面，曾給過我許多關(guān)心和溫暖，教我不勝感激。同時，我還要感謝在實驗與數(shù)據(jù)處理過程中給予我很多幫助的姬廣舉 老師與孫 頔 學(xué)姐。 另外我還要感謝關(guān)心我的老師，曾給予我的對于人生和未來的那些重要的中肯的啟迪，他改