设计一个CCD成像的实验系统.pdf

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1、设计一个CCD成像的实验系统，用来检测由一台激光器输出光束（光斑直径 5mm）X 经扩束（20）、滤波、准直后的光斑直径、模式、光斑的均匀性，说明设计原理，使用的仪器及光学零部件，简述实验步骤。He-Ne激光器的模式（指横模）和远场发散角是激光器的基本参数之一。在激光准直、导 航等许多应用中使用的 He Ne激光器，既要求是TEM，有要求激光束具有很好的方向性和 准直性。而激光器的远场发散角越小，输出光束准直距离越长，即准直性越好。我们能够把 共焦腔基模光束的空间分布情况，用如下的空间曲线方程表示：式中，（0）是Z=0处基模光斑半径，也就是高斯光束的束腰半径。双曲线规律变化的，包含Z轴的任何一

2、小平面，如XZ平面内，光束传播轨迹是两条双曲线包 围部分，如图I所示。在垂直于Z轴的平面内是一个圆，在横截面内，其光强分布是高斯型 3（z）代表在Z处光斑半径，即光强度下降到中心强度的 I/e2时，对应的半径 r=x2 寸 二（z）。由此可见，光斑半径 3（z）随|z|增大而增大。（1）TEM模光束沿X轴是按 的。圆的大小就是基模光斑半径（z)鉴别He Ne激光器输出光束是否是 TEM模，最简单 的方法是让激光束垂直射到距离激光器输出端 1米处 的白屏上，观察光斑的亮度分布。若是基模光斑，它 是一个圆，中心光强最大，则 He Ne激光器工作在 TEM模。精确的方法是用扫描干涉仪，在示波器上 观

3、察激光器的输出频谱，如果激光器输出光束是基横 模，那么，在示波器上就能观察到同一荧光谱线内各 个振荡纵模C/2L的频率间隔的均匀分布。本实验采用 计算机和CCD摄象机与A/D采集卡结合，记录下光斑 的强度分布，以鉴别它是否是高斯分布，从而确定激 光器是否工作在TEM模。基模光斑的强度分布是高斯 图2光強的届斯分布 式中，I为距离光斑中心为Z处的光强，I为光斑中心强度,它指强度下降到光斑中心强度 1/e=0.135时的圆的半径,则有：log I-2 啊 e x2 log I0 尬(z)我们只要测出光斑强度沿 Z轴的分布，并记录下有关曲线，经过计算，就能作出 loglx的曲 线，如果是一条直线，即

4、logI与x线性关系，这表明He Ne激光器输出光束光强是高斯分布 的。所以He Ne激光器工作在TEM基模状态。2.远场发散角的测定 激光光束尽管方向性很好，但不是理想的平行光束,场发散角来衡量激光束的准直性好坏。即方向性越好，准直性也越好。如图 这表明，当我们在距离输出端 z Zf处测量光斑半径，计算出的远场发散角误差小于分布，在一维情况下，表示为:=10 exp(z)为距离束腰Z处的光斑半径。如图2所示。对(3)式两边取对数,(4)而是有一定的发散角。常用激光器的远 远场发散角越小，表明激光束的能量在方向上越集中，1中，基模高斯光束的远场发散角定义为两条双曲线间 的夹角0，即：班Z)二d

5、(z)dz(5)在远场，即z 0时,lim(z)-)口(6)式中，0是z=0处的光斑半径，即为通常所说的激光光束的腰粗。因此，对 Z很大时，我们 -.?(z)还可以用下式定义远场发散角：v(r)=lim(z)=lim z no (7)而实际测量远场发散角时，不可能在无穷远处去测量,只能采用近似的方法。为了又能较准 确地测量 班：)由方程 和式，我们定义一个参数 Zf 0=0.99(8)由(8)式可以求得:2：-0 Zf 2 z70(9)1%。式中L是待测He-Ne激光器腔长，R是凹面镜之曲率半径。在实验中，对于 .（zf）的测量是 和TEMoo模式鉴别结合起来的。利用logl X2曲线，如是高

6、斯分布的TEMoo模，则曲线就是 一条直线。根据公式（4）,求得直线的斜率 a为：2loge,、2 log e 将（11）式代入（7）式中，便求得d（Zf）。如图3所示，分别测量z1,z2两处的光斑尺寸（乙）和-（z2），也能直接算出光束的远场发 光学谐振腔的振荡模式可分布为纵模和横模两类。谐振腔内部沿轴向形成稳定的驻波花样成 为纵模。光场在横向不同的稳定分布通常称为不同的横模。即谐振腔内的每一种激光模，它 的一个主要性质是在它的横截面上的振幅分布的图样不应随时间而改变。所以激光器的横模 实际就是谐振腔所允许的能保持稳定不变的光场的各种横向分布。对于不同的横模，光场在 上式中的-.0，对于凹面

7、腔：-.0=R-1(11)散角。T tg V(z2)_(J Z2 乙(12)垂直光传播方向（即腔轴方向）的横截面上就有不同的强度分布。横摸花样如图 4所示。(a)TEMoo(b)TEMio(eTEMu 图斗橫模花杆 实验装置 本实验系统由三部分组成：光学系统、CCD摄象机和计算机处理部分，实验光路如图5所示:实验步骤 1按实验原理图调整光路，注意对杂散光的屏蔽；2 打开激光器电源，激光点燃后预热 30分钟，使其输出稳定；3 打开计算机电源，熟悉 CCD控制软件的操作过程，切记在 CCD工作过程中，避免任何强 光照射CCD接收芯片，否则会引起 CCD信号饱和直至CCD芯片烧毁。4.用计算机桌面上

8、的“CAPTURE图标进行激光束截面光强的 CCD摄像，把铺获的光强存入 计算机；点击实时显菜单，调节两偏振片之间的角度，直至呈现一圆形、中心无光饱和光斑，按停止菜单。记录光斑中心最亮点I0的灰度值，并记录其坐标值。在光斑上寻找三个不同的 0.13510点，分另U记录其坐标。并记录下此时 CCD的位置Zi。5.把CCD移动10cm左右，重复上述测量。最后按下 ctrl+s键，保存图像文件，关闭 OKDemo 软件。6.打开桌面上的LaserEditor软件，在其中打开刚才所保存的图像文件，寻找图像中心灰度 值最高的一点，记录其坐标，点击软件界面右边的灰度按钮，输入最亮点的坐标 x、y值，即可观察到一维强度分布曲线，与图 4比较，鉴别其模式。