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1、第9卷 第4期强激光与粒子束Vol.9,No.41997年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.,1997用二维CCD系统测量光束质量的实验研究冯国英 吕百达 孔繁龙 蔡邦维 黄永忠 徐天华(四川大学激光物理与化学研究所,成都610064)(西南技术物理研究所,成都610041) 摘 要 建立了一套二维面阵CCD光束质量诊断系统,测量了磷酸盐钕玻璃板条激光2器自由振荡和调Q输出激光的光束质量因子M。该测量系统经过数据校核,所得测量结果是正确的。2 关键词 二维CCD光束质量诊断系统 最小二乘拟合法 光束质量因子M 光
2、束质量的测量可归结为束宽的测量。通常,可用变光阑、小孔光阑、移动狭缝、刀口法等[1]2来测量激光束宽度,从而测量激光光束质量。束宽有“光强1öe”,“86.5%环围能量”和“二[2]阶矩”等不同定义。通过理论分析可以知道,对于理想基模高斯光束,以上三种束宽的定义2是一致的,但对高阶高斯光束则不然;另外,以光强1öe定义的束宽和以86.5%环围能量定义的光束在光束传输过程中不满足ABCD定律。Siegman基于空间频谱分析,证明了对于光束横截面上任意分布的实际光束,当用光束强度分布的二阶矩表示束宽时,ABCD定律成[3]立,是较为严格和自洽的理论。 迄今,对光束质
3、量的测量已进行了许多研究。在国内,已研制出用于连续工作(CW)He-+[4,5]Ne和Ar激光以及准连续工作化学激光的光束质量诊断系统。但对于既能作CW又能作脉冲工作激光光束质量测量系统则有一些关键技术需要解决。二维CCD相机结合微机数据处理系统可对连续、单次脉冲发射或低重复率激光瞬态测量和记录光强分布,能方便地进行一阶矩定光束“重心”、二阶矩定束宽的计算。本文报道了利用我们建立的一套二维面阵CCD光束质量诊断系统测量磷酸盐钕玻璃板条激光器光束质量的实验结果和对相关问题的分析。Fig.1Aschematicdiagramofthebeamqualitydiagno
4、sticcystem图1 激光光束质量测量系统示意图国家863惯性约束聚变领域和强辐射重点实验室基金资助课题1997年6月16日收到原稿,1997年9月3日收到修改稿。冯国英,女,1969年5月出生,硕士,副研究员©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.492强激光与粒子束第9卷1 光束质量的测量方法 激光光束质量的测量方法有两点法(包括透镜聚焦两点法、调焦两点法、快速法等)、三点[1]法和多点拟合法等。我们采用多点拟合法和光腰两点法。测量系统如图1所示,在光路中加入一透镜,像
5、空间中可得到一个束腰。光束质量因子不随光束所经过的理想光学系统而变。对2多点拟合法,原则上用三个不同位置的束宽就可以计算出M因子,更多位置的测量是用来相互校核以减小误差。沿传播轴z测量光束在不同位置处的束宽wx和wy,用最小二乘法拟合22出双曲线以确定光束的传输轮廓,最后确定光束质量因子Mx和My。为了保证测量精度,测量次数应足够多,一般至少测10次。束宽w的双曲线拟合公式为22w=A+Bz+Cz(1)式中A、B、C为双曲线拟合系数。求出双曲线的系数A、B、C后,束腰半宽度w0及位置z0由下式确定:2w0=A-Bö4C(2)z0=-Bö2C,H=C(3)2于是,光
6、束质量因子:M=Pw0HöK(4) 对光腰两点法,只要知道光腰处的束宽w0和距光腰距离为z处的束宽wz,利用式(5)2Pw022M=wz-w0(5)Kz22就可求出光束质量因子。对像散光束,应分别在xoz和yoz面用(1)～(5)式求出Mx、My。2 关键技术CCD是将所采集到的光图像一帧帧连续送入图像卡,为了得到较为真实的脉冲激光器2输出光束的相对光强分布及进一步准确计算出光束质量因子M,我们解决了以下关键技术:2.1 面阵CCD系统的线性响应和激光的衰减 自动增益控制对CCD的线性响应影响较大,我们作了比较研究。当关掉和开启CCD的自动增益控制时,测量了C
7、CD的光强响应曲线(见图2)。从图2a可见,当关掉CCD增益时,其响应近似为线性的;而当自动增益开启时,出现了明显的非线性(见图2b)。因此,关掉自动增益控制是非常重要的。另外,将图2a的结果作插值处理后,对CCD的每一个灰度值作校正,就可根据所得的灰度分布还原出光束的相对光强的分布;而针对图2b的情况,使用时应保证光斑的最大灰度值小于200,也可根据所得的灰度分布还原出较为真实的光束相对光强分布。CCD相机属弱光探测器,需在光路中加入适当衰减率的光学质量高且不引入畸变的衰减器。实验中所得光斑的最大灰度值为256,为防止CCD工作在饱和区,需调整衰减,使光斑最大灰
8、度值保持在
