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1、l激光光斑尺寸的测量和研究 摘要激光光斑尺寸是标志激光器性能的重要参数，也是激光器在应用中的重要参量。本文主要介绍了两种测量激光光斑尺寸的方法：刀口扫描法，CCD法。分析了利用刀口法测量高斯光束腰斑大小的测量实验装置，并阐述了具体的测量过程。此方法对激光光斑大小测量是可行的。实验装置简单实用。CCD法是利用CCD作为探测传感器，可以更精确地测出激光器的光斑尺寸和束腰光斑尺寸，克服了传统测量的繁杂过程，并用计算机控制及数据处理，测量精度得到提高，为激光器性能研究和光信息处理提供了一种新的方法。本文给出了这两种方法测得的数据及处理结果。结果表明，刀口扫描法对高能量光束半径的测量特别实用，装置简单，
2、可在普通实验室进行测量。CCD法检测的直观性好，不需要辅助的逐行扫描机械移动，成像精度和检测精度高。关键词激光光斑尺寸；Matlab；CCD 传感器；刀口法The Measurement and Research of Laser Spot Size AbstractThe size of Laser spot is not only one important parameter of laser performance, but also in laser application.This paper introduces two methods of measuring laser sp
3、ot diameter: scanning method, CCD: knife method. We analyze of measurement is cut the size of the gaussian beam waist measurement device spot, and elaborates on process of the measurement. Using this method of laser spot size measurement is feasible. The experiment device is simple and practical. CC
4、D method uses the CCD sensor as a detection can be more accurate to measure the size of the laser spot and waist size spot, overcoming traditional measurement process and using computer control to deal with data processing, and the measurement accuracyis improved, providing a new method for laser pe
5、rformance study and light information processing. At the same time, it gives two methods of measured data and processing results.The results show that the method of blade scanning is practical for high-energy beams radiuss measurement. Simple device can be operated in ordinary laboratory. CCD detect
6、ion method is visually good, and do not need to manufacture progress ive-scan auxiliary of the machine movement, the imaging accuracy and precision is the higherKeywordsLaser spot size; Matlab; CCD sensor; knife-edge method.不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状21.3 论文研究的内容4第2章
7、 激光光斑测量方法探究52.1 刀口扫描法测激光光斑直径研究52.2 CCD测激光光斑直径方法92.3 本章小结17第3章 激光光斑尺寸的测量与数据分析183.1 刀口法测光斑直径183.1.1 90/10刀口法理论及方法183.1.2 计算理论203.1.3 实验数据处理203.1.4 实验分析223.2 CCD法测激光光斑方法223.2.1 用CCD拍摄光斑图像223.2.2 Matlab的图片处理233.2.3 图像处理结果233.2.4 实验分析263.3 本章小结27结论28致谢29参考文献30附录A 英文原文31附录B 中文译文35附录C Matlab程序39千万不要删除行尾的分节
8、符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- III -第1章 绪论1.1 课题背景激光技术对国民经济及社会发展有着重要作用，激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。三十多年来，以激光器为基础的激光技术在我国得到了迅速的发展，现已广泛用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域，取得了很好的经济效益和社会效益，对国民经济及社会发展将发挥愈来愈重要的作用。 由于激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度，它已渗透到各个学科领域，形成了新的学科。例如：
9、激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。在国民经济中形成新的产业部门。激光产业正在我国逐步形成，其中包括激光音像、激光通讯、激光加工、激光医疗、激光检测、激光印刷设备及激光全息等，这些产业正在作为新的经济增长点而引起高度重视。对传统工业的改造将发挥愈来愈显著的作用，激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用
10、。促进医疗技术进步，提高人民健康水平，激光医疗技术目前已在眼科、外科、内科、妇科、耳鼻喉科、心血管科、皮肤科等领域得到广泛应用，激光医疗设备已进入县以上的医院，这对医疗技术的进步和提高人民健康水平起着重要作用。加速我国国防技术的现代化，激光技术在军事上已应用于测距、指向、制导、通讯及战术武器等，为改善武器装备的性能，提高命中率和可靠性，起到重要的作用，并有一定数量的产品出口。激光光斑尺寸是标志激光器性能的重要参数，也是激光器在应用中的重要参量。在工业上的金属精加工，在医疗上的激光缝合技术，在军事上的激光定位等等，这些激光的应用都要依靠调节激光光斑尺寸和能量参数。因此，对激光尺寸的精确测定是有意
11、义的。1.2 国内外研究现状激光以全新的姿态问世已二十余年。然而，发明激光器的历程却鲜为人知，至于发明者如何从事艰难曲折的探索，就更少人问津了。其实，每一项重大发明，都是科学家们智慧的结晶，里面包涵着他们的汗水和心血。自然，激光器的发明也不例外。说得准确些，对激光的研究，只是到了20世纪50年代末才出现一个崭新阶段1。在此之前，人们只对无线电波和微波有较深研究。科学家们把无线电波波长缩短到十米以内，使得世界性的通讯成为可能，那是30年代的事情。后来，随着速调管和空穴磁控管的发明，科学家便对厘米波的性质进行研究。二次世界大战中，由于射频和光谱学的发展，辐射波和原子只间的联系又重新被强调。大战期间
12、，科学家们发明并研制了雷达（战争对雷达的制造起了推动的作用）。从技术本身来说，雷达是电磁波向超短波、微波发展的产物。大战以后，科学家又开创了微波波谱学，目的是探索光谱的微波范围并把其推广到更短的波长。当时，哥仑比亚大学有一个由汤斯领导的辐射实验小组，他们一直从事电磁方面以及毫米辐射波的研究。1951年，汤斯提出了微波激射器的概念。经过几年的努力，1954年汤斯和他的助手高顿、蔡格发明了氨分子束微波激射器并使其正常运行。这为以后激光器的诞生奠定了基础。当时，汤斯希望微波激射器能产生波长为半毫米的微波，遗撼的是，激射器却输出波长为1.25cm的微波。微波激射器问世以后，科学家就希望能制造输出更短波
13、长的激射器。汤斯认为可将微波推到红外区附近，甚至到可见光波段。1958年，肖洛与汤斯合作，率先发表了在可见光频段工作的激射器的设计方案和理论计算。这又将激光研究推上了一个新阶段。现在，人们都知道，产生激光要具备两个重要条件：一是粒子数反转；二是谐振腔。值得注意的是，自1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念以后，1940年前后就有人在研究气体放电实验中，观察到粒子反转现象。按当时的实验技术基础，就具备建立某种类型的激光器的条件。但为什么没能造出来呢?因为没有人，包括爱因斯坦本人没把受激辐射，粒子数反转，谐振腔联系在一起加以考虑。因而也把激光器的发明推迟了若干年。在研究激光器的过程中，应把引进谐振腔
14、的功劳归于肖洛。肖洛长期从事光谱学研究。谐振腔的结构，就是从法珀干涉仪那里得到启示的。正如肖洛自己所说：“我开始考虑光谐振器时，从两面彼此相向镜面的法珀干涉仪结构着手研究，是很自然的。”实际上，干涉仪就是一种谐振器。肖洛在贝尔电话实验室的七年中，积累了大量数据，于1958年提出了有关激光的设想。几乎同时，许多实验室开始研究激光器的可能材料和方法，用固体作为工作物质的激光器的研究工作始于1958年。如肖洛所述：“我完全彻底地受到灌输，使我相信，可以在气体中做的任何事情，在固体中同样可以做，且在固体中做得更好些。因此，我开始探索、寻找固体激光器的材料。”的确，不到一年，在1959年9月召开的第一次
15、国际量子电子会议上，肖洛提出了用红宝石作为激光的工作物质。不久，肖洛又具体地描述了激光器的结构：“固体微波激射器的结构较为简单，实质上，它有一棒（红宝石），它的一端可作全反射，另一端几乎全反射，侧面作光抽运。”遗撼的是，肖洛没有得到足够的光能量使粒子数反转，因而没获成功。可喜的是，科学家迈曼巧妙地利用氙灯作光抽运，从而获得粒子数反转。于是，1960年6月，在Rochester大学，召开了一个有关光的相干性的会议，会议上，迈曼成功地操作了一台激光器。7月份，迈曼用红宝石制成的激光器被公布于众。至此，世界上第一台激光器宣告诞生。激光具有单色性，相干性等一系列极好的特性。从诞生那天开始，人们就预言了
16、它的美好前景。20多年来，人们制造了输出各种不同波长的激光器，甚至是可调激光器。大功率激光器的研制成功，又开拓了新的领域。1977年出现的自由电子激光器，机制则完全不同，它的工作物质是具有极高能量的自由电子，人们可以期望通过这种激光器，实现连续大功率输出，而且覆盖频率范围可向长短两个方向发展。高斯光束光斑半径的精确测量对光束质量因子的判定及激光系统设计有非常重要的意义4。高斯光束光斑半径的测量方法主要有套孔法、刀口法、CCD法、照相法、狭缝法、阈值时间法等。照相法：照相干板经激光照射曝光，再经显影、定影后利用测微光度计读出黑度值下降到极大值（或）处的对应尺寸即为激光光斑尺寸。该方法的缺点是：1. 不易把握曝光时间从而容易造成曝光过度或不足，而影响准确度；2.
