設(shè)計(jì)一個(gè)ccd成像的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

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1、設(shè)計(jì)一個(gè)CCD成像的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),用來檢測由一臺激光器輸出光束(光斑直徑5mm)經(jīng)擴(kuò)束(20X)、濾波、準(zhǔn)直后的光斑直徑、模式、光斑的均勻性,說明設(shè)計(jì)原理,使用的儀器及光學(xué)零部件,簡述實(shí)驗(yàn)步驟。He-Ne激光器的模式(指橫模)和遠(yuǎn)場發(fā)散角是激光器的基本參數(shù)之一。在激光準(zhǔn)直、導(dǎo)航等許多應(yīng)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(zhǔn)直性。而激光器的遠(yuǎn)場發(fā)散角越小,輸出光束準(zhǔn)直距離越長,即準(zhǔn)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,也就是高斯光束的束腰半

2、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(nèi),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(nèi)是一個(gè)圓,在橫截面內(nèi),其光強(qiáng)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(qiáng)度下降到中心強(qiáng)度的l/e2時(shí),對應(yīng)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(gè)圓,中心光強(qiáng)最大,則He-Ne激光器工作在TEM模。精確

5、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(nèi)各個(gè)振蕩縱模C/2L的頻率間隔的均勻分布。本實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)和CCD攝象機(jī)與A/D采集卡結(jié)合,記錄下光斑的強(qiáng)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?qiáng)度分布是高斯分布,在一維情況下,表示為:(3)式中,I為距離光斑中心為Z處的光強(qiáng),I為光斑中心強(qiáng)度,(z)為距離束腰Z處的光斑半徑。它指強(qiáng)度下降到光斑中心強(qiáng)度1/e=0.135時(shí)的圓的半徑,如圖2所示。對(3)式兩邊取對數(shù),則有:(4)我們只要測出光

6、斑強(qiáng)度沿Z軸的分布,并記錄下有關(guān)曲線,經(jīng)過計(jì)算,就能作出logI~x的曲線,如果是一條直線,即logI與x線性關(guān)系,這表明He-Ne激光器輸出光束光強(qiáng)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(yuǎn)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(yuǎn)場發(fā)散角來衡量激光束的準(zhǔn)直性好壞。遠(yuǎn)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(zhǔn)直性也越好。如圖1中,基模高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角定義為兩條雙曲線間的夾角θ,即:(5)在遠(yuǎn)場,即時(shí),(6)式中,是z=0處的光斑半徑,即為通常所說的激光光

7、束的腰粗。因此,對Z很大時(shí),我們還可以用下式定義遠(yuǎn)場發(fā)散角:(7)而實(shí)際測量遠(yuǎn)場發(fā)散角時(shí),不可能在無窮遠(yuǎn)處去測量,只能采用近似的方法。為了又能較準(zhǔn)確地測量由方程(5)和(6)式,我們定義一個(gè)參數(shù)(8)由(8)式可以求得:(9)這表明,當(dāng)我們在距離輸出端處測量光斑半徑,計(jì)算出的遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)中,對于的測量是和TEMoo模式鑒別結(jié)合起來的。利用logI~x2曲線,如是高斯分布的TEM00模,則曲線就是一條直線。根據(jù)公式(4),求得直線的斜率α為:(11)

8、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(yuǎn)場發(fā)散角。(12)光學(xué)諧振腔的振蕩模式可分布為縱模和橫模兩類。諧振腔內(nèi)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(nèi)的每一種激光模,它的一個(gè)主要性質(zhì)是在它的橫截面上的振幅分布的圖樣不應(yīng)隨時(shí)間而改變。所以激光器的橫模實(shí)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,光場在垂直光傳播方向(即腔軸方向)的橫截面上就有不同的強(qiáng)度分布。橫摸花樣如圖4所示。實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成:光學(xué)

9、系統(tǒng)、CCD攝象機(jī)和計(jì)算機(jī)處理部分,實(shí)驗(yàn)光路如圖5所示:實(shí)驗(yàn)步驟1.按實(shí)驗(yàn)原理圖調(diào)整光路,注意對雜散光的屏蔽;2.打開激光器電源,激光點(diǎn)燃后預(yù)熱30分鐘,使其輸出穩(wěn)定;3.打開計(jì)算機(jī)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(qiáng)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(jì)算機(jī)桌面上的“CAPTURE”圖標(biāo)進(jìn)行激光束截面光強(qiáng)的CCD攝像,把鋪獲的光強(qiáng)存入計(jì)算機(jī);點(diǎn)擊實(shí)時(shí)顯菜單,調(diào)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(diǎn)I0的灰度值,并記錄其坐標(biāo)值。在光斑

10、上尋找三個(gè)不同的0.135I0點(diǎn),分別記錄其坐標(biāo)。并記錄下此時(shí)CCD的位置Z1。5.把CCD移動(dòng)10cm左右

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