高精度激光光束参数(M2因子)测量系统的研究
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"#$光束传输%
控制及光束质量用张量方法研究部分相干光的传输特性蔡阳健林强谢先闻&浙江大学物理系光学研究所’杭州()**+,-&浙江教育学院物理系’杭州()**)+-对于非轴对称的部分相干光束’以往人们一直借助于./0123分布函数来处理它的传输和变换’但这是一种间接的方法4本文引入了一个565阶张量78)&称为部分相干复曲率张量-来描写一般的部分相干非轴对称高斯9谢尔模&:;<-光束’导出了适用于部分相干光传输的张量=>?@定律4该定律形式简洁’可方便地处理:;<光束的各种传输问题4利用该定律研究了:;<光束经过薄透镜的聚焦特性’并与完全相干光的聚焦特性作了对比4结果表明’部分相干光的聚焦特性与完全相干光有很大区别’聚焦后焦平面上光斑的大小依赖于光束的相干度’聚焦位置则与部分相干光的波前曲率参数有关4部分相干非轴对称:;<光束经过聚焦后的近场光斑会发生旋转’旋转的快慢与扭曲因子密切相关4&#$A -用于B ?C 的分频光栅的三维耦合波分析陈德伟王炜
李永平&中国科学技术大学物理系’合肥+(**+D -严格的耦合波理论作为矢量理论的典型代表被广泛地用于光栅的分析设计’这种理论具有适用范围广%收敛性好%精确度高等优点4作者曾用严格的耦合波理论分析了用于分频的闪耀光栅’分析过程中仅限于E F 模偏振光正入射到固定参数的光栅上的情形4但由于工艺水平和惯性约束核聚变&B ?C -系统实际条件的限制’良好的分频效果并不能保证其最终能够用于B ?C 系统4本文继续采用严格的耦合波理论讨论用于分频的闪耀光栅的遗留问题G )-讨论入射光束非正入射的情况’分析入射倾斜角对分频效果的影响4+-讨论具有任意偏振的光束入射的情况’分析不同偏振的入射光对分频效果的影响4(-进一步分析光栅各参数对分频效果的影响’包括光栅周期%沟槽深度和光栅面形等4&#$H -激光大气传输相位不连续性的数值计算I 范承玉王英俭
龚知本&中国科学院安徽光学精密机械研究所’合肥+(**()-利用激光大气传输及其校正四维程序对激光大气传输相位不连续性问题进行了数值计算’分析了相位不连续点密度与湍流强度%传输距离的关系和不同波长信标情况下的相位不连续性及其对校正结果的影响4根据计算结果表明G )-在一定的传输距离情况下’大气湍流较弱时’相位不连续点对的数密度随湍流强度的增强变化很缓慢’但当湍流强度增强到一定值后’相位不连续点对的数密度随湍流强度的增强而迅速增加J +-相位不连续点对的数密度不仅与大气相干长度有关’与传输距离也密切相关’在相同的大气相干长度条件下’传输距离越远’光强起伏越强’相位不连续点对密度越大’对自适应光学相位校正效果的影响也越大J (-在同样的大气湍流和传输距离条件下’信标光波长越长’相位不连续点对的数密度越小’对主激光的校正效果也越好4综合上述计算结果说明’用大气相干长度&或K L M *-以及自适应光学系统带宽’并不能完全描述自适应光学相位校正效果4尤其是在长距离激光大气传输中’
自适应光学相位校正需要考虑闪烁的影响4&#$N
-I 国家,D (计划激光技术主题资助4高精度激光光束参数&7+因子-
测量系统的研究高春清孙伟高明伟魏光辉
&北京理工大学光电工程系’北京)***,)-
报道了高精度光束参数&7+因子-测量系统的研究结果4选用O P Q R S 数字化制冷面阵??@作为系
统的探测器’其像元数为)T (D 6)*+5’像元大小为U V W 6U V W ’)D 位=L @
4本系统采取调节两组平行平T 5激光与光电子学进展
+**)年第U 期&总第5+U 期-万方数据
面反射镜的位置获得被测光束在沿光轴传输不同位置上的光斑分布!为了对所测光斑进行精确的计算
分析"按照国际标准化组织#$%&’
的规定研制了一套高精度的光束处理软件"该软件包含图像背景扣除(噪声确定(光斑能量分布的二维和三维显示(直方图像(光束宽度(发散角()*因子等光束参数的计算功
能和测量系统电机控制(++,曝光时间控制(
与脉冲激光的同步控制(误差传递分析及测量结果误差估计等功能!为测量高功率激光器的光束质量"研制了一套大衰减倍数的石英光楔分束器和一组具有楔角的中性定量衰减片"该衰减器抗破坏阈值-.//01"光学衰减倍数-2//345采用该测量系统对多种灯抽运(6,抽运固体激光器进行了实验测量!
为了检验以上系统的测量精度"我们研制了6,抽运的固体激光标准横模发生器并用以上光束参
数测试系统对其输出光束的)*因子进行了测量!测量结果表明"
所测各阶横模)*因子的测量值与它们的理论值完全吻合"从而验证了测量系统的真实性和测量精度!#789
’平面光波导高阶模的:,;<,法研究
=黄重庆2"*张国平*刘靖2
2’岳阳师范学院物理系"岳阳>2>//?
*’华中师范大学物理系"武汉@A
>B //C D
以前对光波导光场的研究一般是用解析法"且局限于研究结构规则的波导器件"而对于结构不规则的波导器件解析法则无能为力!随着光波器件的发展"E /年代以来"
出现了各种各样结构复杂的光波导"
精确求解其电磁场边值问题能给光波器件性能的优化和设计提供理论基础!由于任意光波导的复杂性"通常难以得到精确的解析解"需采用数值计算方法!时域有限差分#:,;<,
’法具有直观(快捷(程序简单(
节省内存和计算时间(所得数据和图像物理概念清晰等一系列优点!本课题组将这种方法引入光波导光场的计算"已经分别用标量和矢量:,;<,法分析了平面光波导基模# 自适应光学技术与激光光束质量 姜文汉凌宁 #中国科学院光电技术研究所"成都?2/*/D ’ 在许多应用中"亮度是对激光光束的最重要指标"光束质量因子甚至比激光功率更为重要!自适应光学技术实时测量和校正光束波前误差"从而可以改善光束质量!在激光传输的不同环节"采用自适应光学技术可以进行光束稳定(净化和大气湍流校正! 2D E .年我们研制了世界上首套用于$+:的激光波前校正系统!研制了数套光束稳定系统用于校正强激光的方向漂移"又进行了强激光光束净化试验! 还研制了B C 和?2单元两套自适应光学系统" 先后完成室内湍流模拟池校正试验(公里级水平光路大气补偿试验和上行传输试验! 从2D E 2年起研制了多种变形反射镜和高速倾斜镜! 在光束质量诊断方面研制了紫外(可见到红外波段的哈特曼传感器系列"采样频率从*.H I 到*D //H I "已用于光束质量诊断(光学系统检验(强光下的镜面变形测量和大气湍流测量!#78J ’傍轴光系统衍射计算的柯林斯公式及其计算方法的研究 李俊昌 #昆明理工大学理学院激光所"昆明?.//D B ’ 为便于实际应用"本文提出三种计算柯林斯公式的方法并给出实验证明! 2’菲涅耳衍射调制函数法!将柯林斯公式表为入射光波场与K 菲涅耳衍射调制函数L 的积"给出计算菲涅耳衍射调制函数的代数式"将衍射积分转换为代数运算M *’衍射传递函数法!将柯林斯公式表示为入射光波场的频谱与K 柯林斯衍射传递函数L 乘积的逆傅里叶变换"利用快速傅里叶变换进行计算M B ’高精度快速傅里叶变换计算法!将柯林斯公式表示为可以用小容量::<程序完成的高精度离 ?>激光与光电子学进展*//2年第D 期#总第>*D 期’万方数据 高精度激光光束参数(M2因子)测量系统的研究 作者：高春清， 孙伟， 高明伟， 魏光辉 作者单位：北京理工大学光电工程系, 刊名： 激光与光电子学进展 英文刊名：LASER & OPTRONICS PROGRESS 年，卷(期)：2001(9) 本文链接：https://www.wendangku.net/doc/609068618.html,/Periodical_jgygdzxjz200109148.aspx 实验三 高斯光束的透镜变换实验 一 实验目的 1.熟悉高斯光束特性。 2.掌握高斯光束经过透镜后的光斑变化。 3.理解高斯光束传输过程. 二 实验原理 众所周知，电磁场运动的普遍规律可用Maxwell 方程组来描述。对于稳态传输光频电磁场可以归结为对光现象起主要作用的电矢量所满足的波动方程。在标量场近似条件下，可以简化为赫姆霍兹方程，高斯光束是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以足够好地描述激光光束的性质。使用高斯光束的复参数表示和ABCD 定律能够统一而简洁的处理高斯光束在腔内、外的传输变换问题。 在缓变振幅近似下求解赫姆霍兹方程，可以得到高斯光束的一般表达式： ()2 2 2() [ ]2() 00 ,() r z kr i R z A A r z e e z ωψωω---= ? （6） 式中，0A 为振幅常数；0ω定义为场振幅减小到最大值的1的r 值，称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值；()z ω、()R z 、ψ分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数，其具体表达式分别为： ()z ωω=（7） 000()Z z R z Z Z z ?? =+ ??? （8） 1 z tg Z ψ-= （9） 其中，2 00Z πωλ =，称为瑞利长度或共焦参数（也有用f 表示）。 （A ）、高斯光束在z const =的面内，场振幅以高斯函数2 2() r z e ω-的形式从中心向 外平滑的减小，因而光斑半径()z ω随坐标z 按双曲线： 22 00 ()1z z Z ωω-= （10） 规律而向外扩展，如图四所示 高斯光束以及相关参数的定义 图四 （B ）、 在（10）式中令相位部分等于常数，并略去()z ψ项，可以得到高斯光束的等相面方程： 2 2() r z const R z += （11） 因而，可以认为高斯光束的等相面为球面。 （C ）、瑞利长度的物理意义为：当0z Z = 时，00()Z ω=。在实际应用中通常取0z Z =±范围为高斯光束的准直范围，即在这段长度范围内，高斯光束近似认 第24卷第6期 2000年12月激光技术LASERTECHNOLOGYVol.24,No.6December ,2000 激光光束质量参数测量的实验研究 赵长明 (北京理工大学光电工程系,北京,100081) 摘要:采用CCD系统实验测量了LD泵浦Nd∶YAG激光器的光束质量参数,研究了CCD系 统的背景噪声特性和积分区域选取对光束质量参数测量的影响,从实验数据中得到以下结论:(1)在有、无背景光两种条件下,背景记数强烈地依赖于曝光时间和像素的合并,温度影响可以忽略不计;(2)为获得M2合理的测量结果,至少要选择5%积分区域。 关键词:M2因子CCD摄像机光束质量Investigationontheexperimentalmeasurementoflaserbeamquality ZhaoChangming (Dept.ofOpticalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing,100081) Abstract:ThebeamqualityofaLDpumpedNd∶YAGlaserismeasuredwithCCDcamerasyst em. ThebackgroundcharacteristicsoftheCCDsystemandtheinfluenceofthesizeofintegralboxup onmeasurementresultsareinvestigated.Thefollowingconclusionscanbederivedformexperi mentalresults:(1)Backgroundisstronglydependuponexposuretimeandpixelbinning,whilet emperaturehasanignorableeffectuponit,whetherwithorwithoutambientlight.(2)A5%2cuti stheminimumvalueinordertogetareasonableresult. Keywords:M2factor CCDcamera beamquality 引言 激光光束质量参数,即M2因子的测量是近几年研究的一个热点。ISO建议的测量方法包括两维面阵探测系统或二维单元扫描系统、套孔法、移动刀口法和移动狭缝法[1]。用以电荷耦合器件(CCD)为代表的面阵探测器件测量激光光束质量参数具有速度快、数据量大和易于计算机处理的优点,特别是对于脉冲激光的测量具有 湖南工业大学科技学院 毕业设计（论文）开题报告 （2012届） 教学部：机电信息工程教学部 专业：电子信息工程 学生姓名：肖红杰 班级： 0801 学号 0812140106 指导教师姓名：杨韬仪职称讲师 2011年12 月10 日 题目：基于单片机的数据采集系统的控制器设计 1.结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述。 近年来，数据采集及其应用技术受到人们越来越广泛的关注，数据采集系统在各行各业也迅速的得到应用。如在冶金、化工、医学、和电器性能测试等许多场合需要同时对多通道的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送、再由上位机进行数据分析和处理，信号波形显示、自动报表生成等处理，这些都需要数据采集系统来完成。但很多数据采集系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对操作环境要求高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统，基于单片机的数据采集系统具有实现处理功能强大、处理速度快、显示直观，性价比高、应用广泛等特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化，智能家居等诸多领域。总之，无论在那个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就超高，取得的经济效益就越大。 数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的信号，并送入计算机，然后将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测，其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统的市场需求量大，特别是随着技术的发展，可用数据器为核心构成一个小系统,而目前国内生产的主要是数据采集卡，存在无显示功能、无记忆存储功能等问题，其应用有很大的局限性，所以开发高性能的，具有存储功能的数据采集产品具有很大的市场前景。 随着电子技术的迅速发展，，一些高性能的电子芯片不断推出，为我们进行电子系统设计提供的更多的选择和更多的方便，单片机具有体积小、低功耗、使用方便、处理精度高、性价比高等优点，这些都使得越来越广泛的选用单片机作为数据采集系统的核心处理器。一些高性能的A/D转换芯片的出现也为数据采集系统的设计提供了更多的方便，无论是采集精度还是采样速度都比以前有了较大的提高。其中一些知名的大公司如MAXIM公司、TI公司、ADI公司都有推出性能比效突出的 A/D转换芯片，这些芯片普通具有低功耗、小尺寸的特点，有些芯片还具有多通道的同步转换功能。这些芯片的出现，不仅因为芯片价格便宜，能够降低系统设计的成本，而且可以取代以前繁琐的设计方法，提高系统的集成度。 数据采集器是目前工业控制中应用较多的一类产品，数据采集器的研制已经相当成熟，而且数据采集器的各类不断增多，性能越来越好，功能也越来越强大。 在国外，数据采集器已发展的相当成熟，无论是在工业领域，还是在生活中的应用，比如美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、使用灵活的数据采集器，它既可单独使用又可和计算机连接使用，它具有多种测量 He-Ne 激光器高斯光束腰斑测量 一、实验目的 1、加深对高斯光束物理图像的理解； 2、加强对高斯光束传播特性的了解； 3、掌握用CCD 法和刀口法测量高斯光束光斑大小； 4、了解并掌握远场发散角的定量测量方法； 二、实验设备 He-Ne 激光器、激光电源、光功率计、滤光片、衰减片、CCD 相机、光学光具座、示波器、数据采集卡、计算机等。 三、实验原理 （一）CCD 测量法 实验系统结构如右图所示： 实验中，将光具座导轨上的CCD 相机沿着激光传播方向均匀移动，实时地记录CCD 相机在光具座标尺上的不同位置以及对应的纵向平面上的光斑尺寸。 光斑半径ω(z )---定义为在光束传播方向上z 处的横截面内圆形光斑半径，可表示为 ()2 201,z z λωωπω?? =+ ? ?? （1） 利用公式（1）可得 ()2 2001,z z ωπωλω?? =- ??? （2） 对于两个不同的位置12,z z ，有 2 2 2012120011,z z πωωωλωω???? ????-=--- ? ????????? （3） 即： ()2222010200.z g ωπωωωωωλ???= ---? ? （4） 以 () () 000.01z g z g ωω?- 光束质量分析仪的使用 一、实验目的 1、学会使用光束质量分析仪 BeamScope-P7探头测量激光光束M 2 2、学会使用激光质量分析仪WinCamD 探头观察和测量激光光斑。 二、实验原理 2M 是一个描述激光光束的不完善程度的无量纲参数。2M 值越小（即光束越接近衍射极限的00TEM 的理想光束），光束就越能够紧聚焦成一个小光斑。 没有激光光束是完全理想的。由于光学谐振腔、激光介质和输出/辅助光学元件的影响，大多数光束都不是书本上介绍的“理想的”、衍射极限的、高斯截面的单一的00TEM 模式。复杂的光束可能包含多个xy TEM 模式的贡献，导致了较大的2M 因子，即使是较好的实验室用的He-Ne 激光也有1.1到1.2左右的值，而不是具有理想的00TEM 模式下的1.0的2M 值。 简单的说2M 可以定义为：实际的光束与具有相同束腰大小的、理论上的衍射极限的光束的发散程度之比为：测量2M 因子的前提条件是得到或形成一个可以测量的光束束腰。 如图一所示： 图2-1 M 2“嵌入高斯光束”的概念 2M 因子定义为： θωλ π024=??=远场发散角光束束腰直径理想远场发散角实际光束束腰直径Gauss M (2.1) 式中—0W 为实际光束的光腰宽度； —θ为实际光束的远场发散角。 光束质量2M 因子是表征激光束亮度高、空间相干性好的本质参数。它将光场在空域及频域的分布来表示光束质量2M 因子,即S M σπσ024=,便可知道2M 因子能够反映光场的强度分布与相位分布的特性。用2M 因子作为评价标准对激光器系统进行质量监控及辅助设计等具有十分重要的意义： （1）2M 因子表示实际光束偏离基模高斯(00TEM ) 光束(衍射极限) 的程度。 （2）2M 因子综合描述了光束的质量,包括光束远场和近场特性。 （3）光束通过理想光学系统后2M 因子不变。 尽管利用2M 因子来评价激光束的质量也有其局限性, 2M 因子仍不失为一种较为完善、合理的光束质量的评价标准。相对其它评价方法来说, 2M 因子能较好地反映光束质量的实质,具有较强的普适性,充分地反映了光强的空间分布，并且得到国际标准化组织( ISO) 的认可。近年来,国际标准化组织( ISO) 多次组织公布文件,足以说明其重要性。 图2-2 具有相同M 2值不同束腰宽度和不同发散角的曲线 三、实验仪器设备 光束质量分析仪BeamScope-P7探头、光束质量分析仪WinCamD 探头、计算机、激光光源 多路高精度数据采集系统 无线电技术的快速发展，A/D 和D/A 向射频端靠近，对ADC、DAC的性能有了更高的要求：需要实现高速度、大的带宽、需要较大的动态范围，ADC技术是系统设计的难点，数据采集系统是数字信号处理系统的输入端，系统的模拟输入带宽、采样速率和动态范围等系统性能指标对电子系统的方案设计起着极其重要的影响，现在，越来越多的工程应用中，不只是单路采集系统要求高性能，多路采集系统也提出了更高的要求。 1研制背景及意义当今时代，微电子技术的快速发展，随着时间发展，数据采集及其应用越来越受到人们的广泛关注，数据采集系统得以迅速发展，它被广泛的应用于各个领域。在工厂及实验室等应用中的高精度数据采集装置在信号进行转换之前会有单级或多级的放大装置，放大装置的作用是把传感器检测到的微弱的模拟信号放大到进行将模拟信号转换为数字信号的要求，但数据采集系统的前置放大装置容易引起干扰，导致数据采集系统采集到的数据存在一定范围的误差，影响了采集系统采集信号的精度，对系统后面的运行有较大的不利影响，通常信号的采集是用多路模拟开关来对需要检测的信号进行分类选择，另外。采集系统的主要控制芯片用来模拟采样开关并控制A/D 转换芯片，造成了系统采集的误差，对系统性能产生了不利影响。选用单片机AT89S51为主要控制芯片大大减少了数据采集系统的成本，并且不需要外置的前置放大装置，避免了使用前置放大装 置使系统抵抗外界扰动的作用大大提高，使用单片机AT89S51使数据采集系统变的构造更加简单，并且使系统控制精度变的更高，系统的工作也更加稳定，便于维护、维修，大大提高改善了以往的数据采集系统的弊端。 2系统设计原理 多路高多路高精度数据采集系统的设计必须考虑以下问题： ①输入模拟信号特征。 ②输出的数字信号需求。 ③电路的抗干扰问题。 ④高速数字电路部分的信号完整性分析。输入模拟信号的特征 包括模拟信号的带宽和频段等性能特 征，这些系统性能的特征参数决定了A/D 转换器及外围电路的选取，输出数字信号的特定需求决定采样数据处理的方式，前置放大电路易引起扰动。 本设计中以单片机AT89S51为系统的控制核心，该系统从机负责数据采集并应答主机的命令。8路被测电压通过模数转换器ADC0809进行模数转换，实现对采集到的数据进行模拟量到数字量的转换，并将转换后的数据通过串行口MAX232专输到上位机， 由上位机负责数据的接受、处理和显示，并用LED数码显示器来显示所采集的结果。软件部分应用VC++编写控制软件，对数据采集系统、模数转换系统、数据显示、数据通信等程序进行了设计。系统采集段可分为十六个不同的部分，每个部分有检测系统数据参数的传 激光束的特征参数与测量方法 专业：学号： 学生姓名：指导教师： 摘要 自我国自主研发出第一台激光器后，我国的激光技术得到了快速发展，由于激光具有独特的特性使其得以在许多行业被应用及发挥着重要作用。如：科学研究、军事应用、日常生活等。在研发激光的时我们很关心激光的参数及测量方法。研究激光的基本参数有光斑的大小、激光功率、发散角、2 M因子等。 光束质量是衡量激光光束优劣的一项重要指标。历史上光束质量有多种定义，曾针对不同的应用目的提出过不同的评价方法。而光束传输(2 M)因子在无光阑限制的近轴光学系统中由光束自身的分布特性唯一确定，与光学系统参数无关，且同时反映光束的近场和远场特性，在数学上又具有严密性，所以在某些情况下，它是评价激光光束质量的一个重要参数。 本文通过对激光的特征参数及质量评估参数的定义和测量方法做系统的介绍，帮助日常生活中进行激光器的选择应用，同时对激光的质量评价有了更深的了解。 关键词：光束质量；M2因子；基本参数；测量方法 The characteristic parameters of laser beams and its measurement methods Abstract With the increasing development of laser, the application of laser has penetrated intoavariety of fields such as scienc,technology,military and social development .how to define and measure its parameters is a popular and significant topic for scholars to discuss and study .Such as the light optical spot area,laser power ,angle of divergence beam, propagation factor. Beam quality is an important index. There are many definitions of beam quality. Also there are some different evaluating ways based on different applications. While passing through a paraxial optical system without aperture, beam propagation factor is only determined by the distributing characteristics of beam itself. Beam propagation factor has nothing to do with the optical system parameter. It reflects the features of near-field and far-field and is mathematically tight. So in certain circumstances, it is an important parameter to evaluate the beam quality. This article give a reasonable guide on the choice of laser device by elaborating the definition and measure methods of the feature parameters and quality evaluation parameters of laser.as the same time,helping us have a deeper understanding on quality evaluation of laser. Keyword: beam quality; M2factor; parameter; measurement methods 实验名称：光束质量M2因子测试及分析 实验目的 1、了解M2因子的概念及M2因子评价光束质量的优越性； 2、掌握M2因子的测量原理及测量方法； 3、掌握测量激光器的腰斑大小和位置的方法。 实验原理 1988 M2 束质量的影响。在二阶矩定义下，利用与量子力学中不确定关系类似的数学证明过程可得 M2≥1，它说明小的束宽和小的发散角二者不可兼得。当M2=1时，激光束为基模高斯光束；当M2>1时，激光束为多模高斯光束。当激光光斑为圆斑时，光束质量因子M2可表示为 式中为光束束腰宽，为光束的远场发散角，A 为激光波长。 根据国际标准组织提供的ISOlll46—1的测量要求设计测试方案。采用多点法测量光束质量因子，就是在激光束的传输方向上测量多个位置处的激光参数。利用曲线拟合的方法求得各激光参数。CCD 通过数据采集卡连接到计算机，二阶矩定义的光束宽度通过编程确定，在计算机上可以读到束宽的大小。对测量结果采用多点双曲线拟法拟 合或抛物线拟合，求出按二阶矩定义束宽的传输方程中3个系数a i、b i；、c i后，就可以计算出相应的光束参数 对于束腰不可直接测量的激光柬(绝大多数激光器产生的激光都是发散的)，先要用无像差透镜进行束腰变换。实验测量两台会聚光束He-Ne激光器(一台是基模的，一台是多模的)M2因子和其腰斑的大小与位置、发散角及瑞利长度。根据透镜对高斯光束的变化规律，可以根据以下公式算出和Z0。从而求出激光器腰斑的大小和位置。 实验数据记录及处理 ①基模激光的拟合图像 原始实验数据 Waist Width X 0.538 mm Waist Width Y 0.583 mm Divergence X 3.374 mrad Divergence Y 3.304 mrad Waist Location X 232.03 mm Waist Location Y 233.64 mm M2 X 2.2532 M2 Y 2.3898 Rayleigh Range X 159.47 mm Rayleigh Range Y 176.33 mm Wavelength 632.8 nm Focal Length 100 mm Laser Location 507 mm Z-Position X Width Y Width mm mm mm 106.55 0.2303 0.21891 第40卷第8期红外与激光工程2011年8月Vol.40No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2011 高精度高重频脉冲激光测距系统 纪荣祎，赵长明，任学成 (北京理工大学光电学院，北京100081) 摘要：在三维激光扫描探测系统中，激光测距的测量重频和测量精度是影响整个系统性能的关键参数。介绍了三维激光扫描探测系统的工作特点，设计了一种以Nios II嵌入式软处理器为核心的高重频、高精度脉冲激光测距系统。通过分析影响测量重频和测距精度的因素，采用双阈值时刻鉴别方法进行计时起止时刻的鉴别，使用TDC-GP2高精度时间间隔测量芯片进行精密计时，设计了基于Nios II嵌入式软处理器的计时控制系统以提高测量重频。实验结果表明：实现了测量重频为20000次/s、测距精度为3cm的激光测距。与传统的单片机控制的计时系统相比,该系统不仅测量重频和测量精度高，且具有更好的可扩展性和灵活性。 关键词：脉冲激光测距；精密时间测量；三维激光扫描；Nios II 中图分类号：TN247文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)08-1461-04 High precision and high frequency pulse laser ranging system Ji Rongyi,Zhao Changming,Ren Xuecheng (School of Photoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China) Abstract:In three-dimensional(3D)laser scanning detection system,the measurement repetition rate and measurement precision of laser ranging are the key parameters affecting the performance of the whole system.The work characteristics of3D laser scanning detection system were introduced,and a high repetition rate and high measurement precision pulse laser ranging system based on the Nios II soft-core was designed.According to the analysis of the factors which affected the repetition rate and precision of range measure,the double-threshold time discriminator was adopted to produce timing mark for the start-stop time discrimination,and the TDC-GP2high-precision interval measuring chip was used to achieve high precision on time measure.In addition,the time measure control system based on the Nios II soft-core was designed to improve the measurement repetition rate.Experimental results show that the measurement repetition rate of20000/s and the ranging precision of±3cm are https://www.wendangku.net/doc/609068618.html,pared with the traditional MCU time measure control system,the designed system owns the advantages of high repetition rate and high measurement precision,furthermore,it is more expandable and flexible. Key words:pulse laser ranging;high precision time measure;3D laser scanning;Nios II 收稿日期：2010-12-18；修订日期：2011-01-17 基金项目：国防科技工业技术基础科研项目(J172009C001) 作者简介：纪荣祎(1984-)，男，博士生，主要从事三维扫描激光探测系统的研究。Email:xiaoxiao8673@https://www.wendangku.net/doc/609068618.html,。 导师简介：赵长明(1960-)，男，教授，博士生导师，博士，主要从事新型激光器件与技术、光电子信息技术与系统方面的研究工作。 Email:zhaochm1@https://www.wendangku.net/doc/609068618.html, 半外腔He-Ne 激光器的调试及参数测量 1. 引言 虽然在1917年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。直到1960年，第一台红宝石激光器才面世，它标志了激光技术的诞生 按工作物质的类型不同，激光器可以分成四大类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。He-Ne 激光器是继红宝石激光器后出现的第二种激光器，也是目前使用最为广泛的激光器之一。因此有必要通过实验对He-Ne 激光器作全面的了解。 2. 实验目的 1） 了解He-Ne 激光器的构造。 2） 观察并测量He-Ne 激光器的功率、发散角、横模式等性能参数。 3） 调整谐振腔一端的反射镜，观察谐振腔改变后He-Ne 激光器性能参数的变化。 3. 基本原理 3.1 He-Ne 激光器结构 He-Ne 激光器由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成，如下图 He-Ne 激光器激励系统采用开关电路的直流电源，体积小，重量轻，可靠性高，并装有散热风机，可长时间运行。 激光管的布氏窗与输出镜、全反镜之间用模具成型的耐老化的硅胶套封接。避免了因灰尘、潮气污染布氏窗、输出镜、全反镜而造成的激光输出功率下降。输出镜、全反射调节采用差动螺丝，粗调调节范围大，可锁定。细调调节范围小，调节时不易出差错。在激光管的阴极、阳极上串接着镇流电阻,防止激光管在放电时出现闪烁现象。激光器外壳接地，手碰激光器外壳无静电感应的刺痛感。 放电毛细管内充的氦氖混合气体的压强比约为7:1，总压强在100Pa 至400Pa 。放电管两端贴有用水晶片制成的布儒斯特窗。窗口平面的法线与放电管轴向间的夹角也恰好等于水晶的布儒斯特角，约56°。安装布儒斯特窗口可以使激光器输出的激光为在纸面内振动的偏振光，沿该方向振动的偏振光通过布儒斯特窗时不会反射，因此有利于减少损耗，提高输出功率。 3.2 He-Ne 激光器谐振腔与激光横模 光学谐振腔的两个反射镜构成腔的边界，他对腔内的激光场产生约束作用，使激光场的分布以及振荡频率都只能存在一系列分离的本征状态，每一个本征态称为一种激光模式。激光模式有两类：一类称为纵模，它是指可能存在于腔内得每一种驻波场，用模序数q 描述沿腔轴线的激光场的节点数。另一类是横模，指可能存在于腔内的每一种横向场分布，用模序数m 和n 描述。如果谐振腔由两面方形孔径的反射镜组成，则m 和n 分别表示沿镜面直角坐标系的水平和竖直坐标轴的激光场节线数。如果谐振腔由两面圆形孔径反射镜组成，则m 和n 分别表示沿镜面极坐标系的角向和径向的激光场节线数。因此每一个激光模式可以用三个独立的模序数表示，记成n m q TEM ,,。单独表示横模时可记成n m TEM ,。如00TEM 表示基 压力传感器的高精度数据采集 压力传感器的高精度数据采集 一、引言 在石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域中，都必须进行相关的压力检测与分析。通常压力值的变化速度较缓慢，但在测量压力值并把它由非电量转变成电量这一过程中，要求精度非常高，本文介绍了一种通用的高精度压力数据采集系 统。系统的压力传感器选用Motorola公司的高精度X型硅压力传感器MPX2100，转换精度高、灵敏度高，具有极好的线性度，在高性能单片机AT89S52的控制下，放大调理后的模拟电量通过高精度、高性能芯片ICL7135进行A/D转换，可以保证系统具有很高的数据采集精度和很强的抗干扰能力，使用寿命长。系统采用液晶显示及PS/2键盘接口，实现了良好的人机交换。PLD技术的应用，节省了硬件电路的开销。 二、系统的硬件组成及工作原理 高精度压力数据采集系统框图。压力传感器输出的模拟信号被放大调理后经模/数转换 模块转换为数字量，传送给单片机，经过标定、运算及零点补偿等处理，在液晶显示模块上显示出来，同时可经串行接口传送到上位机，实现良好的人机交换，键盘提供人机交互的手段。 1、压力数据采集及信号调理电路 压力传感器是一种将压力转换成电流/电压的器件，可用于测量压力、位移等物理量。 压力传感器的种类很多，其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。硅压阻式传感器属于其中的一种，它是在硅片上用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的电阻条，并将它们接成一个惠斯登电桥。当没有外加压力时，电桥处于平衡状态，电桥输出为零。当有外加压力时，电桥失去平衡而产生输出电压，该电压大小与压力有关，通过检测电压，即可得到相应的压力值。但这种传感器由于四个桥臂电阻不完全匹配而引起测量误差，零点偏移较大，不易调整。Motorola公司生产的X型硅压力传感器则可以克服上述缺点。，与惠斯登电桥不同， Motorola专利技术采用单个X型电阻元件，而不是电桥结构，其压敏电阻元件呈X型，因而称为X型压力传感器。该X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上，并采用计算机控制的激光修正技术，温度补偿技术，使Motorola硅MPX系列压力传感器的精 激光测距仪的品牌很多，很多人都在问激光测距仪到底哪个牌子好其实这个问题很难回答，每个牌子有每个牌子的优势和特点，应该是根据自身的需求，选择最适合的品牌和型号。下面将主要介绍一下激光测距仪各品牌及主要型号的各自优缺点。 一．激光测距仪的品牌 室内用的手持式短距离激光测距仪，其实主要就两个品牌，徕卡和博世，这两个品牌其实差不多，选择一款适合自己的型号和适合自己的价格就可以了。 长距离的望远镜测距仪，目前最为知名的品牌也是世界排名前四大品牌是图雅得，博士能，奥尔法和尼康这四个品牌，下面简单介绍一下这4个品牌： 1.图雅得 全球长距离望远镜式激光测距仪第一品牌，已经连续多年蝉联销量第一的宝座。图雅得激光测距仪主要特点是操作简单，测量精准，测距速度超快。 另外图雅得在多功能测距仪上面拥有巨大的优势，在技术上是另外品牌无法抗衡了，在多功能激光测距仪方面拥有多达20项专利技术。 图雅得是目前唯一一个可以生产，测距+测高+测角+水平测距+两点测高+连续测距+连续测高+连续测角+连续测水平距离机型的厂家。如果你需要选择多功能测距仪，那图雅得有可能是您最好的选择。 2.博士能 历史最为悠久的望远镜式激光测距仪品牌，在2006年前一直是全球望远镜式激光测距仪第一品牌，虽然近几年被图雅得所取代，退居第二。但是2012年，博士能在全球发布了其最新的激光测距仪产品：博士能201965和博士能205107，加上其全球单品总销量第一的ELITE 1500(205100)，大有在2013年赶超图雅得的趋势。 博士能在2013年前，主要销售其测距仪产品205106销量表现一般，虽然205100的销量突出，但是仅仅依靠一款ELITE 1500的销量，很难维持其品牌总销量第一的位置，以前几年销量一路下滑成为全球第二品牌。 博士能新产品201965采用了最新的ESP技术，大大提高的测距仪的测量距离，测量精度，以及抗干扰能力，在全球销售中取得突出表现。而其优势产品ELITE 1500(205100)依然保持出强劲的销售势头。使得其2013年有能力和图雅得相抗衡。 博士能测距仪一直以做工精美著称，另外博士能测距仪在高尔夫领域拥有非常高的美誉度，其独特的高尔夫功能，成为高尔夫爱好者的首选品牌。 第9卷第3期北华大学学报(自然科学版)Vol.9No.3 2008年6月JOURNAL OF BE I HUA UN I V ERSI TY(Natural Science)Jun.2008 文章编号:100924822(2008)0320274203 高精度压力数据采集系统设计 庄 严1,伊 凤2 (1.北华大学电气信息工程学院,吉林吉林 132021; 2.中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司研究院,吉林吉林 132021) 摘要:介绍了一种高精度压力数据采集系统的设计方法.以高性能MSC1211Y5微处理器为核心,采用高精度硅压式压力传感器采集数据,配以信号处理,同时利用RS2485接口构成总线型通信网络,形成一个高精度数据采集系统. 关键词:数据采集;压力;传感器;微处理器 中图分类号:TP274.2 文献标识码:A Desi gn of Hi gh Accuracy Pressure Dat a Acquisiti on Syste m ZHUANG Yan1,YI Feng2 (1.E lectric Infor m ation Engineering College of B eihua U niversity,J ilin132021,China; 2.China Petroleum J ilin Petro2che m Research Institute,J ilin132021,China) Abstract:A design method of high accuracy p ressure data acquisiti on syste m is intr oduced.MSC1211Y5with high2perf or mance m icr op r ocess ors is the core,using high accuracy silicon p ressure sens or collects data,coup led with signal p r ocessing,using RS2485interface constituted bus2communicati on net w orks s o that a high accuracy data acquisiti on system is for med. Key words:Data acquisiti on;Pressure;Sens or;M icr op r ocess or 作为常见的工程量之一,对压力的数据采集技术研究很多.微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用[1],不仅为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景,也对压力数据采集系统的发展产生了深刻的影响. 在石油、化工、冶金等工业及科研领域中,都必须进行相关的压力检测与分析.通常,描述过程参量的压力值变化速度较慢,但在压力信号的采集过程中,要求非电2电的转换精度非常高.所以,高精度是压力数据采集技术研究与发展的一个主要方向. 1 设计方案 高精度压力数据采集系统应具有精度高、稳定性优良、误差小、灵敏度高等优良特性[2],并结合具体应用全面考虑设计技术指标所提出的各项要求,在实现功能、保证精度的前提下力求实现小型化、低成本和低功耗. 本文设计的高精度压力数据采集系统提供了一种精确测量压力的系统方法,它将三种技术融为一体:收稿日期:2007212211 作者简介:庄严(1968-),女,副教授,硕士,主要从事智能检测与自动化装置设计研究. 激光测距仪精度 测量精度依据ISO 推荐的ISO/R 1938-1971，95％的可靠统计（2s ，也就是两倍标准偏差）。标准测量精度是基于普通测量环境的指定测量误差。在特殊的应用功能和计算中是无效的，比如勾股测量和跟踪模式（连续跟踪测量）。 激光测距仪的精度一直受到业内人士的关注，在部分行业需要比较高精度的激光测距仪。对于中长距离的望远镜激光测距仪来说，一般的这种测距仪的精度最高是1码+-1%。目前能称得上高精度的激光测距仪，精度为0.5码+-1%。这种高精度测距仪，在100米内的精度可以达到0.5码以内。目前市面上只有四款测距仪能够达到这样的精度。下面将详细进行对比介绍，以供需要购买高精度激光测距仪的客户参考。 一． 图雅得 1000H pro 激光测距仪 图雅得在望远镜式激光测距仪领域可谓名声 嘿嘿，图雅得一直倡导多功能测距仪，在多功能 测距仪领域拥有多项专利技术。作为全球第一大 望远镜测距仪品牌，图雅得在技术上明显领先于 另外三个知名品牌，博士能、奥尔法和尼康。技 术领先一直是图雅得制胜的法宝。 图雅得 1000H PRO 是图雅得2012年最新发 布的产品，2012年6月，在美国西雅图的新闻发布会上，图雅得新一代激光测距仪面市，在业内引起巨大轰动。图雅得1000H PRO, 1000米测量距离，0.5码精度，同时具备测距+测高+测水平距离+测角+测绝对高度+连续测距+连续测角+连续测高+连续测水平距离9大功能于一身，可谓是史上精度最高，功能最为强大的望远镜测距仪。6月上市以来，这款测距一可谓风光十足，连续两个月荣登全美高精度望远镜测距仪销量排行榜冠军。 图雅得1000H PRO ，沿袭了图雅得测距仪一贯的易操控，快速测距的特点。 二． 博士能 201965 1300ARC 作为博士能2012年最新发布的第三代激光测距仪， 是历史上第一次在单筒测距仪上采用 - 69 - 工 业 技 术 ０ 引言 目前在特种材料加工制造领域中大部分使用CO 2激光器和YAG 激光器，近十年来随着对大功率半导体激光器物理机制的研究以及半导体工艺的创新和应用，特别是在新材料新技术合成应用的突破，由于大功率半导体激光器具有较高的输出功率和良好的光束质量，使大功率半导体激光器在加工制造业中得到了广泛的应用。激光加工技术是对材料进行精准加工，为此须对激光器光束质量进行测量。 １ 大功率半导体激光器光束质量测量 该文从M2因子、远端发散角、近端及远端的光强分布等方面对大功率半导体激光器的光束质量进行了测量研究。 １．１ 测量方案 图1中的可调谐衰减器为德国Metrlux 的ML2300Polarlu，其作用是在光束分析CCD 前进行衰减。 图1中的滤波片采用德国Metrlux 的中性滤波片： 与CCD 相机配套光束分析软件为德国 Metrlux 的ML1201 beamlux II advanced ML2300 Polarlux 的Maximum input power 选择1 000 w/cm 2；Metrolux 中性滤波片选择02402-41025（700-1100）一套4片，其型号及技术 透光率为：10%，1%，0.1%，0.01% ML37430-11200-1光束分析仪，重点技术指标为：（1）Wavelength range:320 nm~1100 nm。（2） Resolution:1392×1040。（3） Frame rate:50帧/秒。 系统选用的Metrolux ML1201 beamlux Ⅱ advanced 系列软件必须与光束CCD 分析相机匹配。 １．２ 注入电流与光束质量的关系 利用透镜变换法，测量激光器在不同工作电流下的质量参数。通过高斯拟合，当注入电流分别为800 mA、1 600 mA、 2500 mA 和5 000 mA 时，M 2 因子的值分别为69、56、42、52；当注入电流较小时，由于有源区较大，仅有边缘部分激射，此时光束质量较差，光斑呈现为环形；随着电流的不断增大，有源区电流密度也近似平均并全部激射，此时光斑为圆形对称，当再次增大电流时，有源区造成电流拥阻，因此造成光束质量开始变差。 １．３ 出光口径与光束质量的关系 选用为100 mm、200 mm、300 mm 和500 mm 不同出光口 径的器件时，在同时注入电流为2 A 下的远场光斑强度分布。小口径发射器件电流分布相对较均匀，有源区边缘电流密度与中心电流密度相似，全部激射。阈值下，光束分布趋近于高斯模型，远场光束以中心轴为对称均匀分布，中心处光强大，此时光束发散角较小，当有源区直径逐渐增加时，激光强度分布越发不均匀，其中注入载流子浓度较高的地方，激射也相对较高，光束分布不均匀，光束质量随着出光口径的增大而变小。 ２ 大功率半导体激光器发散角测量２．１ 测量方案 测试系统由脉冲电机、光电探测器和计算机等组成。测 激光器光束质量测量技术研究 吴乔石 （鞍山高新技术孵化器发展中心，辽宁 鞍山 114044） 摘 要：由于半导体激光器结构的特点，在其应用中需对其波束进行整形，为了有利于大功率半导体激光器的推广应用，需准确识别大功率半导体激光器的输出分布特性。该文从M 2因子、远端发散角，近端及远端的光强分布等方面对大功率半导体激光器的光束质量进行了测量技术研究，给出了相应的测量方案和误差分析。关键词：大功率半导体激光器；远端光强分布；光束质量； 发散角中国分类号：TN284 文献标志码：A 图1 激光器光束质量测试方案 高精度相位式激光测距的实现 施金钗，黄元庆 摘要：本文介绍了相位式激光测距基本原理，提出了一种提高测相精度的测距方法，并详细论述了差频测相和数字测相方法，最后对今后的发展前景进行了展望。 关键字：激光测距；相位式；差频测相；数字测相 Realization of Phase Laser Range Finding Shi Jinchai, Huang Yuanqing Abstract: The paper introduces the base theory of the phase laser range finder, and it introduce a method of range finding to improve the high precision. The technique of frequency difference and digital measurement of phase finding method are also proposed in detail. Eventually the prospect of their further study is suggested. Keywords: laser range finding, phase-shift, frequency difference of phase finding, digital measurement technique of phase finding 1 绪论 随着科学技术的不断发展，人类在民用和军事领域，对距离量的测量要求非常广泛。激光测距是集光学、激光、光电子及集成电子等多种技术为一体的综合性技术，与其它测距技术相比，激光具有角分辨力高、抗干扰能力强，可以避免微波贴近地面的多路径效应和地物干扰问题，并且具有天线尺寸小、质量轻、结构小巧、和安装调整方便等优点，激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器之一。由于以上各方面的原因，使得激光测距在测量领域得到了青睐，并被迅速推广应用，在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义[1]。 激光测距技术是最早用于军事上的激光技术。世界上第一台激光测距机于1961年诞生在美国休斯飞机公司 [2]，称为柯利达I 型，1962年第一台军用激光测距机便成功地进行了示范表演，之后该公司相继研制成几种实验型军用激光测距机在部队进行试验和鉴定，结果证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。1971年美国陆军首先装备了AN/GVS-3型红宝石激光测距机。供炮兵前方观察员或观察所使用。此后，各种型号的侦察用激光测距机相继装备各国的军队1963-1967年美国休斯公司相继研制成几种实验型军用激光测距机，1969年军用激光测距机首先装备军队[3]。 中国科学院上海光机所研制出便携式激光测距机，对漫反射水泥墙的测距达100m ，采用300MHz 计数方式，测距精度0.5m ，重复频率1KHz 。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作开发了低价、便携式半导体激光测距机，作用测距1KM ，精度处<±1m ，采用4M 晶振，运用了线性时间放大技术。常州莱赛公司研制了作用距离200m ，测距精度0.5m 的半导体激光测距机[4]。 2 相位测距基本原理 相位式测距是通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，间接地测定信号传播时间，从而得到被测距离的。这种方法测量精度高，通常在毫米量级。测距原理图如下图1。相位法测距就是间接的测定调制光波经过时间D t 后所产生的相位变化D ?，以代替测定时间D t ,从而求得光波所经过的路程D 。各参数间的关系为[5]： f D D D π?ω?22c 2c t 2c D ×=×=×= （1） 式中 c 为光波在空气中传播的速度；D ?为调制光信号经过被测距离D 而产生的相位移；ω为调制信号的 角频率，f 为调制信号频率。高斯光束的透镜变换实验哦
激光光束质量参数测量的实验研究讲解
数据采集系统
He-Ne激光器高斯光束腰斑测量实验
质量光束分析仪的使用
多路高精度数据采集系统
激光束的特征参数与测量方法
光束质量M2因子测试及分析实验报告
高精度高重频脉冲激光测距系统
外腔He-Ne激光器的调试及参数测量
压力传感器的高精度数据采集
激光测距仪品牌种类
高精度压力数据采集系统设计
激光测距仪精度
激光器光束质量测量技术研究
高精度相位式激光测距的实现