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1、华中科技大学 硕士学位论文 无衍射光斑尺寸和能量分布的测量 姓名：刘玉周 申请学位级别：硕士 专业：精密仪器及机械 指导教师：赵斌 20070128 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 微细加工、光学存储、光学成像等很多领域都对微光斑的能量分布有较高的要求， 目前常见的测量方法多用来测量高斯分布的激光光束的尺寸和能量分布。 实际无衍射微 光斑的能量分布影响图像恢复效果， 无衍射微光斑尺寸及能量分布的测量可以为改进无 衍射光滤波方法和参数的优化提供依据，但实际无衍射光斑的能量分布可能不规则，光 斑的尺寸小，而且强度很弱。本文用小孔对被测光斑二维扫描取样, 再对取样信号
2、处理 后复原光斑的能量分布的方法，实现了对形状和能量分布不规则、尺寸较小、能量密度 小的光斑能量分布的测量。 采用内外层嵌套的柔性铰链机构作为精密微动工作台来带动微米级小孔按很小的 步距对被测光斑二维扫描取样，以实现对尺寸较小、形状和能量分布不规则的光斑的测 量。分析和实验均表明该扫描装置具有较高的分辨率和位移精度。 用光电倍增管作为光电探测器，接收小孔对光斑的取样信号，再以低噪声的 I/V 转 换电路和电压放大电路处理取样信号，使得测量装置在信号处理方面具有高灵敏度、低 噪声的特点，实现了对微弱光斑的测量。 用制做的光斑测量装置对无衍射成像微光斑进行了测量， 对测量数据处理后给出了 光斑的二
3、维能量分布图和一维能量分布图， 采用反插值算法对测量数据计算处理后给出 了测量光斑的形状和尺寸。测量结果表明，这种方法可以获得准确的光场分布信息，实 验中测得的光斑能量分布接近光斑的理论分布。 关键词：光能量分布 无衍射光斑 柔性铰链 光电倍增管 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The optical spot measurement and analysis has been widely applied in various fields，such as micro-machining, optical storage and optical ima
4、ging. But at present the usual measurement methods are suitable only for laser beam which is gaussian distribution. The energy distribution of the optical spot affect the imaging qualities in the method of imaging by non-diffracting beam filtering, and the accurate measurement of the energy distribu
5、ting can optimize the imaging system. The small non-diffracting beam spot is weak ,and its profile and distribution may be irregular. In our experiment, a pin hole is used to scan the spot accurately in two-dimensional by flexure hinge mechanism, then the energy profiles are obtained after processin
6、g the weak current signal from photomultiplier tube. This measurement method is suitable for any spot distribution and can measure small weak spot . The micro-displacement table is a nested flexure hinge, and a pin hole which is attached to the table scans the light spot with a very short step. This
7、 method can scan the small and irregular light spot accurately. Both theoretical analysis and experimental results show that the micro-displacement table has high resolution and high displacement precision. The sampled light signal passing through the pin hole is received by a photomultiplier tube,
8、then the signal is processed by a low noise current-to-voltage conversion and amplification circuits. This signal processing method has the characteristics of high sensitivity and low noise, so the measurement system can measure the weak spot. Some non-diffracting spot have been measured with the me
9、asuring device, and the 2-d energy profiles and 1-d energy profiles with arbitrary cross-sections have been given after processing the measurement data. The shap and size of spot is obtained by spatial data interpolation. Experiment results show that this measurement method can obtain the exact inte
10、nsity distribution of the spot, and the measurement results match the theory results very closely. Keywords: light energy distribution, non-diffracting beam spot, flexure hinge, photomultiplier tube 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做
11、出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。
12、华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 微细加工、光学存储、光学成像等很多领域都对微光斑的能量分布有较高的要求。 在采用激光进行微细加工、材料处理时，激光的光斑大小和能量分布往往对它们的性能 有很大的影响； 在日常生活中所见到的激光扫描仪、 光学存储器、 激光打印机等系统中， 对经过光学系统形成的光斑质量也有较高的要求， 如普通 CD 盘为获得 5105位/mm2的 存储密度，其光斑尺寸要求小于 1 微米，而 DVD 盘的光斑尺寸要求小于 0.6 微米1，并 且在光斑的尺寸一定时光斑的形状是影响存储密度的主要因素；
13、现代光学仪器对成像质 量的要求越来越高，成像光斑的能量分布、形状和尺寸是成像系统像差的综合反映，它 们会影响成像的清晰度和物像的相似性。 只有通过测量才能知道光斑实际的能量分布、形状和尺寸，但目前的测量方法大多 只能用于对单模激光光束（光斑）的测量，如刀口扫描法2 3、狭缝扫描法4、可变光 阑法5等都是针对能量分布为高斯分布的激光光束（光斑）的测量来考虑的，这些测量 方法不能用来测量能量分布未知的或者能量分布不规则的光斑。 CCD 摄像法6虽然能够 测量各种能量分布的光斑，但是用这种方法测量尺寸很小的光斑时，由于 CCD 分辨率 的局限性，必须先用显微物镜对光斑放大后再成像于 CCD 面阵上，
14、多了这个放大环节 就必然改变光斑在空间的实际能量分布，并且显微物镜的像差也会影响测量结果。随着 科学技术的发展， 在许多应用领域， 有时需要对形状分布和能量分布不规则、 尺寸很小、 能量密度很小的微光斑进行精确地测量与分析。 在无衍射光滤波法成像系统中， 一个三维物体的二维投影就等于无衍射光学系统的 实际点扩散函数与探测器得到的像的卷积， 实际点扩散函数就是点光源经成像装置变换 后在无衍射成像光场的能量分布。显然，实际无衍射成像微光斑的能量分布对图像恢复 效果的影响较大，对无衍射微光斑形状、尺寸及能量分布的测量，有助于改进无衍射光 滤波的方法和改善无衍射成像装置的参数。 无衍射成像光斑的能量分
15、布理论上为贝塞尔 函数分布7-9，不是高斯分布，其实际形状和能量分布有可能不规则，该光斑的大小一 般只有几十微米， 光源发出的光经过散射和滤波后在像方光场的光斑的能量密度已经很 小。为了真实地反映成像光斑在空间的能量分布情况，应该采用一种对光斑不放大而直 接测量光斑能量分布的方法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 国内外研究的现状分析 早期对于光斑的测量工作， 大都处于定性分析阶段， 定量测量的很少。 到九十年代， 国内外出现了一些光斑分析仪器，这些仪器用于测量激光光束的尺寸和能量分布。国外 Photon 公司的 BeamProfiler2320 和 BeamPro
16、filer2321 激光光束质量分析仪采用 CCD 摄 像法可精确测量激光光束宽度， 可测量的激光光束尺寸为 50 m8 mm， 该公司的 25m 狭缝扫描式激光光束分析仪 BeamScanXYVLAGE 可测激光光束的尺寸范围为 500m 22mm， 其狭缝扫描式高精度激光光束分析仪 NanoScan High Precision Beam Profiler 可测 量亚微米精度的光束位置和尺寸 10。国内的北京物科光电技术有限公司与美国 SensorPhysics 公司联合开发研制的 LS-2000 激光光束分析仪利用 CCD 摄像法分析激光 光束，该分析仪可以分析激光光束强度（功率、能量）的二维分布和测量光束直径等参 数11。北京锐特锐光电技术有限公司采用间接成像测试技术，开发的 LBQ 系列激光光 束分析仪能够实时地给出激光光束的空间分布（长短轴大
