專利名稱：全口徑增益測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于同時測量被測激光放大器全口徑內(nèi)的增益及增益分布全口徑增益測量儀。
背景技術(shù)：
目前，對高功率固體激光放大器，增益特性包括小信號增益系數(shù)和增益分布均勻性兩個方面。通常，小信號系數(shù)的大小決定了放大器增益能力的高低，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，包括光束近場以及增益介質(zhì)儲能的可提取效率等。通常，定義出射激光與入射激光對應(yīng)坐標(biāo)采樣點強(qiáng)度之比即為放大器的增益，定義為全口徑內(nèi)的增益的的最大值與平均值之比為小信號增益系數(shù)。
以前，常用多點探針光測量放大器在全口徑的增益，但是這種方法有如下缺陷(1)測量數(shù)據(jù)點少，無法對光束的進(jìn)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(jī)性，測量精度不高；(3)測量周期長，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)果只能反映增益分布的大致趨勢，無法反映細(xì)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)中測量精度不高、操作復(fù)雜等缺點，提供一種適宜于操作簡單而且精度很高的全口徑增益測量儀。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案全口徑增益測量儀，由光束匹配系統(tǒng)、分光鏡、兩個過濾系統(tǒng)、兩個二維面陣CCD及兩套數(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)化到光電耦合器件CCD的靶面大小，經(jīng)過分光鏡分出兩束光，分別經(jīng)過兩個過濾系統(tǒng)消除雜散光以及將被測光束的強(qiáng)度衰減到CCD可以測量的范圍內(nèi)，然后通過兩個二維面陣CCD測量二將激光光束的二維強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換為電信號，最后通過數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)從CCD轉(zhuǎn)移到計算機(jī)、CCD探測到的灰度信號到光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換、去除數(shù)據(jù)的噪聲及數(shù)據(jù)的有效性驗證、完成圖像邊界提取和圖像對準(zhǔn)和計算增益分布、小信號增益系數(shù)和相關(guān)的參量。
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)對全口徑增益分布及小信號增益系數(shù)的測量，克服現(xiàn)有技術(shù)中只能測量光束中少數(shù)點的增益分布及小信號增益系數(shù)的不足。
(2)本發(fā)明可以一次實現(xiàn)對全口徑光強(qiáng)分布的測量，克服現(xiàn)有技術(shù)中一次只能光束中的一個點的增益分布及小信號增益系數(shù)分布的不足，避免了分別測量的復(fù)雜、繁瑣、效率低下的不足。
(3)本發(fā)明可以實現(xiàn)更小尺度范圍內(nèi)光強(qiáng)分布的測量，因為光電耦合器件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)的增益分布及小信號增益系數(shù)，而現(xiàn)有方法采用細(xì)光束作為探針光，其空間尺度經(jīng)匹配系統(tǒng)后遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于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)明有較高的靈敏度，CCD的可以探測到納焦耳級的能量，而現(xiàn)有測量技術(shù)多用能量卡計進(jìn)行能量測量，只能探測到毫焦耳級的能量，其靈敏度遠(yuǎn)小于CCD。
(5)本發(fā)明可以克服現(xiàn)有方法相鄰發(fā)次之間由于噪聲等因素的隨機(jī)性導(dǎo)致的測量誤差，提高測量精度。
(6)本發(fā)明可以提高測量精度，因為現(xiàn)有測量技術(shù)多用能量卡計進(jìn)行測量能量，相對于二維光電耦合器件CCD，能量卡計精度不高。


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)明的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的軟件處理流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由光束匹配系統(tǒng)1、分光鏡2、兩個過濾系統(tǒng)3、兩個二維面陣CCD 4、兩個數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)5組成，光束匹配系統(tǒng)1將被測光束的口徑轉(zhuǎn)化到光電耦合器件CCD4的靶面大小，經(jīng)過分光鏡2分出兩束光，分別經(jīng)過兩個過濾系統(tǒng)3以消除雜散光以及將被測光束的強(qiáng)度衰減到CCD可以測量的范圍內(nèi)，然后通過兩個二維面陣CCD4測量二將激光光束的二維強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換為電信號，最后輸入到數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)5進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)5完成將測量數(shù)據(jù)從CCD轉(zhuǎn)移到計算機(jī)、CCD探測到的灰度信號到光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換、去除數(shù)據(jù)的噪聲及數(shù)據(jù)的有效性驗證、完成圖像邊界提取和圖像對準(zhǔn)和計算增益分布、小信號增益系數(shù)和相關(guān)的參量。
如圖2所示，光束口徑匹配系統(tǒng)1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(jìn)行探測，它由兩片共焦點D和d的透鏡構(gòu)成。
如圖3所示，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)5由數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分處理，其中數(shù)據(jù)采集部分由與CCD匹配的數(shù)據(jù)采集卡完成(數(shù)據(jù)采集卡的類型因CCD的不同而不同)，數(shù)據(jù)處理部分主要由計算機(jī)內(nèi)的軟件處理程序構(gòu)成。當(dāng)測量光源為脈沖光時，工作時，CCD、計算機(jī)一直處于等待外同步信號狀態(tài)，收到外同步信號以后，CCD開始曝光，計算機(jī)延時一段時間等待CCD曝光結(jié)束后，通過采集卡將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計算機(jī)，至此就完成了一個周期的采集。
如圖4所示為發(fā)明的數(shù)據(jù)處理部分。由于CCD測量的是激光能量的相對分布，而輸出的是灰度值，因此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，是本測量光強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。本發(fā)明的核心技術(shù)即是采用二維面陣CCD將激光光束的二維強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換為電信號，由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理過程依次經(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)換和兩路的圖像對準(zhǔn)五個主要過程，如圖4所示，去除噪聲過程將被測量數(shù)據(jù)的分離成信號和噪聲，該過程由軟件完成，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；最后圖像對準(zhǔn)，將出射光束和入射光束對應(yīng)區(qū)域的比，即為該區(qū)域的增益，很多區(qū)域構(gòu)成面的增益及增益分布，常用的圖像對準(zhǔn)方式有特征點定位和模式匹配。
本發(fā)明用于對連續(xù)光的增益測量時，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(qiáng)分布的測量，這一過程也反映了光強(qiáng)分布的變化。本發(fā)明用于對脈沖光的增益測量時，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(qiáng)探測器，CCD由很多細(xì)微的像素構(gòu)成，每個有效像素完成的是光強(qiáng)測量，出射和入射的對應(yīng)點對除就完成該點的增益測量，整個面上就形成了增益高低的差別，即完成增益分布的測量。
本發(fā)明可以根據(jù)測量的增益推算相應(yīng)的參量，比如平均增益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)的增益及增益分布的測量。
權(quán)利要求
1.全口徑增益測量儀，其特征在于它由光束匹配系統(tǒng)、分光鏡、兩個過濾系統(tǒng)、兩個二維面陣CCD及兩套數(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)化到光電耦合器件CCD的靶面大小，經(jīng)過分光鏡分出兩束光，分別經(jīng)過兩個過濾系統(tǒng)消除雜散光以及將被測光束的強(qiáng)度衰減到CCD可以測量的范圍內(nèi)，然后通過兩個二維面陣CCD測量將激光光束的二維強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換為電信號，最后通過數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)將測量數(shù)據(jù)從CCD轉(zhuǎn)移到計算機(jī)、CCD探測到的灰度信號到光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換、去除數(shù)據(jù)的噪聲及數(shù)據(jù)的有效性驗證、完成圖像邊界提取和圖像對準(zhǔn)和計算增益分布、小信號增益系數(shù)和相關(guān)的參量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全口徑增益測量儀，其特征在于所述的光束口徑匹配系統(tǒng)由兩片共焦點的透鏡構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全口徑增益測量儀，其特征在于所述的被測光束的波長范圍從紫外到紅外。
全文摘要
全口徑增益測量儀由光束匹配望遠(yuǎn)鏡、過濾系統(tǒng)和光電耦合器件CCD以及數(shù)據(jù)采集、處理和顯示系統(tǒng)組成，系統(tǒng)采用了二維面陣CCD探測光強(qiáng)信號的二維強(qiáng)度分布，可以同時測量被測激光放大器全口徑內(nèi)的增益及增益分布。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、測量精度高，相對于現(xiàn)有的多點探針光增益測量技術(shù)，能夠克服實驗過程中相鄰兩次發(fā)射之間的隨機(jī)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G01J1/00GK1740763SQ20051008641
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月13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