設計一個ccd成像的實驗系統(tǒng)

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時間:2018-07-23

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1、設計一個CCD成像的實驗系統(tǒng),用來檢測由一臺激光器輸出光束(光斑直徑5mm)經擴束(20X)、濾波、準直后的光斑直徑、模式、光斑的均勻性,說明設計原理,使用的儀器及光學零部件,簡述實驗步驟。He-Ne激光器的模式(指橫模)和遠場發(fā)散角是激光器的基本參數之一。在激光準直、導航等許多應用中使用的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準直性。而激光器的遠場發(fā)散角越小,輸出光束準直距離越長,即準直性越好。我們能夠把共焦腔基模光束的空間分布情況,用如下的空間曲線方程表示:(1)式中,(0)是Z=0處基模光斑半徑,也就

2、是高斯光束的束腰半徑。TEM模光束沿X軸是按雙曲線規(guī)律變化的,包含Z軸的任何一小平面,如XZ平面內,光束傳播軌跡是兩條雙曲線包圍部分,如圖l所示。在垂直于Z軸的平面內是一個圓,在橫截面內,其光強分布是高斯型的。圓的大小就是基模光斑半徑(z):(2)ω(z)代表在Z處光斑半徑,即光強度下降到中心強度的l/e2時,對應的半徑。由此可見,光斑半徑ω(z)隨

3、z

4、增大而增大。鑒別He-Ne激光器輸出光束是否是TEM模,最簡單的方法是讓激光束垂直射到距離激光器輸出端1米處的白屏上,觀察光斑的亮度分布。若是基模光斑,它是一個圓,中心光強最大,則

5、He-Ne激光器工作在TEM模。精確的方法是用掃描干涉儀,在示波器上觀察激光器的輸出頻譜,如果激光器輸出光束是基橫模,那么,在示波器上就能觀察到同一熒光譜線內各個振蕩縱模C/2L的頻率間隔的均勻分布。本實驗采用計算機和CCD攝象機與A/D采集卡結合,記錄下光斑的強度分布,以鑒別它是否是高斯分布,從而確定激光器是否工作在TEM模?;9獍叩膹姸确植际歉咚狗植迹谝痪S情況下,表示為:(3)式中,I為距離光斑中心為Z處的光強,I為光斑中心強度,(z)為距離束腰Z處的光斑半徑。它指強度下降到光斑中心強度1/e=0.135時的圓的半徑,如圖2

6、所示。對(3)式兩邊取對數,則有:(4)我們只要測出光斑強度沿Z軸的分布,并記錄下有關曲線,經過計算,就能作出logI~x的曲線,如果是一條直線,即logI與x線性關系,這表明He-Ne激光器輸出光束光強是高斯分布的。所以He一Ne激光器工作在TEM基模狀態(tài)。2.遠場發(fā)散角的測定激光光束盡管方向性很好,但不是理想的平行光束,而是有一定的發(fā)散角。常用激光器的遠場發(fā)散角來衡量激光束的準直性好壞。遠場發(fā)散角越小,表明激光束的能量在方向上越集中,即方向性越好,準直性也越好。如圖1中,基模高斯光束的遠場發(fā)散角定義為兩條雙曲線間的夾角θ,即:(

7、5)在遠場,即時,(6)式中,是z=0處的光斑半徑,即為通常所說的激光光束的腰粗。因此,對Z很大時,我們還可以用下式定義遠場發(fā)散角:(7)而實際測量遠場發(fā)散角時,不可能在無窮遠處去測量,只能采用近似的方法。為了又能較準確地測量由方程(5)和(6)式,我們定義一個參數(8)由(8)式可以求得:(9)這表明,當我們在距離輸出端處測量光斑半徑,計算出的遠場發(fā)散角誤差小于1%。上式中的,對于凹面腔:(10)式中L是待測He-Ne激光器腔長,R是凹面鏡之曲率半徑。在實驗中,對于的測量是和TEMoo模式鑒別結合起來的。利用logI~x2曲線,如

8、是高斯分布的TEM00模,則曲線就是一條直線。根據公式(4),求得直線的斜率α為:(11)將(11)式代入(7)式中,便求得。如圖3所示,分別測量z1,z2兩處的光斑尺寸和,也能直接算出光束的遠場發(fā)散角。(12)光學諧振腔的振蕩模式可分布為縱模和橫模兩類。諧振腔內部沿軸向形成穩(wěn)定的駐波花樣成為縱模。光場在橫向不同的穩(wěn)定分布通常稱為不同的橫模。即諧振腔內的每一種激光模,它的一個主要性質是在它的橫截面上的振幅分布的圖樣不應隨時間而改變。所以激光器的橫模實際就是諧振腔所允許的能保持穩(wěn)定不變的光場的各種橫向分布。對于不同的橫模,光場在垂直光

9、傳播方向(即腔軸方向)的橫截面上就有不同的強度分布。橫摸花樣如圖4所示。實驗裝置本實驗系統(tǒng)由三部分組成:光學系統(tǒng)、CCD攝象機和計算機處理部分,實驗光路如圖5所示:實驗步驟1.按實驗原理圖調整光路,注意對雜散光的屏蔽;2.打開激光器電源,激光點燃后預熱30分鐘,使其輸出穩(wěn)定;3.打開計算機電源,熟悉CCD控制軟件的操作過程,切記在CCD工作過程中,避免任何強光照射CCD接收芯片,否則會引起CCD信號飽和直至CCD芯片燒毀。4.用計算機桌面上的“CAPTURE”圖標進行激光束截面光強的CCD攝像,把鋪獲的光強存入計算機;點擊實時顯菜單

10、,調節(jié)兩偏振片之間的角度,直至呈現(xiàn)一圓形、中心無光飽和光斑,按停止菜單。記錄光斑中心最亮點I0的灰度值,并記錄其坐標值。在光斑上尋找三個不同的0.135I0點,分別記錄其坐標。并記錄下此時CCD的位置Z1。5.把CCD移動10cm左右

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