專利名稱：一種測量脈沖激光能量的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬光學領域，涉及一種激光能量的測量方法，尤其涉及一種采用科學級CCD 進行脈沖激光能量測量的方法及系統(tǒng)。
背景技術：
激光能量是脈沖激光的一個重要的基本指標，尤其對高功率激光系統(tǒng)，需要確切的知道其輸出的脈沖能量是多少，同時也需要知道激光光場的強度分布，因此在用于高功率激光的參數測量組件中，一般均配置有能量測量的能量計和進行光場均勻性測試的科學級CCD器件，分析比較兩類器件的測量本質，均是對光場的強度進行測量，系統(tǒng)設計繁瑣， 成本居高不下。

發(fā)明內容
為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種測量精度高、系統(tǒng)簡化以及成本低廉的測量脈沖激光能量的方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的技術解決方案是本發(fā)明提供了一種測量脈沖激光能量的方法，其特殊之處在于所述方法包括以下步驟1)建立已知激光光場的強度分布的灰度與激光能量之間的轉換關系；2)獲取待測激光光場的強度分布的灰度；3)根據步驟1)所得到的轉換關系將待測激光光場的強度分布的灰度轉化成待測
激光能量。上述步驟1)的具體實現方式是1. 1)將已知激光能量經過積分球后輸入科學級CXD ；1. 2)經科學級CXD輸入步驟1. 1)中已知激光的光場的強度分布的灰度；1. 3)根據已知激光能量和激光光場的強度分布的灰度建立關系曲線。上述步驟1)的具體實現方式中還包括1.4)重復步驟 1. 1) 1.3)；1. 5)對已建立的已知激光能量和激光光場的強度分布的灰度的關系曲線進行擬合和校正。上述步驟1. 5)中對關系曲線進行擬合的實現方式是最小二乘法。上述步驟幻的具體實現方式是3. 1)獲取經科學級CCD中每個像元所輸出的待測激光光場的強度分布的灰度；3. 2)通過對經科學級CXD中每個像元的激光光場的強度分布的灰度求和來獲取經科學級CCD中整體像元所輸出的待測激光光場的強度分布的灰度3. 3)將已經求和的激光光場的強度分布的灰度根據步驟1)所建立的關系曲線獲取待測激光的總能量。上述步驟幻的具體實現方式還包括
3.4)扣除雜光能量，所述雜光能量是泵浦光、光學表面的剩余反射以及科學級 CXD圖像中不可避免的雜光。上述步驟2、的具體實現方式是待測激光經過積分球后輸入科學級CCD并輸出待測激光的光場的強度分布的灰度。一種用于測量脈沖激光能量的系統(tǒng)，其特殊之處在于所述用于測量脈沖激光能量的系統(tǒng)包括入射激光器、光學劈板、標準能量計、積分球以及科學級CCD ；所述光學劈板設置與入射激光器的出射光路上；所述標準能量計設置于光學劈板的反射光路上；所述積分球設置于光學劈板的透射光路上；所述科學級CCD的敏感面和積分球內表面平齊。上述積分球內表面球面積與科學級CXD的敏感面的面積之比不低于100倍。上述光學劈板的劈角小于5°。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明主要給出一種采用科學級CCD進行脈沖激光能量測量的方法，其目的是替代能量計，將二者進行功能合成，簡化系統(tǒng)設計，降低成本，實現能量測量的一種新途徑。本發(fā)明采用一種能量基準傳遞裝置，將標準能量計的基準傳遞到CCD輸出的灰度單位；采用經過標定的CCD器件進行能量測量，經過特定的數據處理方法，得到輸入到CCD靶面的能量值，本發(fā)明采用基準轉化的思路對CCD進行標定，采用標準能量計、積分球、不鍍膜的光學劈板對CCD進行了標定，將標準能量計的基準準確傳遞到CCD的灰度上，并對CCD的線形動態(tài)范圍進行了標定，得到CCD光電響應的特征參量；分析了采用CCD的輸出灰度——能量測量結果之間的數學表達式；給出了在實際使用中存在背景光噪聲情況下的CCD能量測量數據處理方法，給出了測量結果所能達到的精度。在不增加硬件情況下采用數據處理方法扣除背景雜光的影響；以上CCD能量測量方法其誤差是確定的，即選定CCD的線性度誤差。


圖1是本發(fā)明能量基準-CXD灰度傳遞示意圖；圖2是本發(fā)明的CXD能量測量示意圖；圖3是科學級CXD得到的一幅典型的近場圖像。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種測量脈沖激光能量的方法，該方法包括以下步驟1)建立已知激光光場的強度分布的灰度與激光能量之間的轉換關系1. 1)將已知激光能量經過積分球后輸入科學級CXD ；1. 2)經科學級CXD輸入步驟1. 1)中已知激光的光場的強度分布的灰度；1. 3)根據已知激光能量和激光光場的強度分布的灰度建立關系曲線。1. 4)重復步驟 1. 1) 1. 3)；1. 5)對已建立的已知激光能量和激光光場的強度分布的灰度的關系曲線采用最小二乘法進行擬合和校正。2)待測激光經過積分球后輸入科學級CCD并輸出待測激光的光場的強度分布的灰度3)根據步驟1)所得到的轉換關系將待測激光光場的強度分布的灰度轉化成待測激光能量3. 1)獲取經科學級CCD中每個像元所輸出的待測激光光場的強度分布的灰度；3. 2)通過對經科學級CXD中每個像元的激光光場的強度分布的灰度求和來獲取經科學級CCD中整體像元所輸出的待測激光光場的強度分布的灰度3. 3)將已經求和的激光光場的強度分布的灰度根據步驟1)所建立的關系曲線獲取待測激光的總能量；3.4)扣除雜光能量，所述雜光能量是泵浦光、光學表面的剩余反射以及科學級 CXD圖像中不可避免的雜光。參見圖1，本發(fā)明還提供了一種用于測量脈沖激光能量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括入射激光器、光學劈板3、標準能量計4、積分球1以及科學級CCD2 ；光學劈板3設置與入射激光器的出射光路上；標準能量計4設置于光學劈板3的反射光路上；積分球1設置于光學劈板3 的透射光路上；科學級CCD2的敏感面和積分球1內表面平齊。積分球1內表面球面積與科學級CCD2的敏感面的面積之比不低于100倍，光學劈板3的劈角小于5°。本發(fā)明所提供的用于測量脈沖激光能量的系統(tǒng)在進行工作時，為了獲取建立已知激光光場的強度分布的灰度與激光能量之間的轉換關系，該系統(tǒng)就包括入射激光器、光學劈板3、標準能量計4、積分球1以及科學級CCD2 ；標準能量計4測量向積分球1所輸出的能量，為已知能量，通過科學級CCD2后的灰度可以從科學級CCD2直接讀出，因此，對于已知能量和可以從科學級CCD2直接讀出的灰度就可以建立已知激光光場的強度分布的灰度與激光能量之間的轉換關系。為了獲取待測激光能量時，該系統(tǒng)僅僅包括入射激光器、積分球1以及科學級 CCD2 ；讀出科學級CCD2的灰度后，根據已經建立好的已知激光光場的強度分布的灰度與激光能量之間的轉換關系就可以直接得到待測激光能量，使用非常方便。下面以一個較佳的實施例來對本發(fā)明進行具體說明第一步能量基準到CXD灰度傳遞參見圖1，科學級CCD2采用進行光場均勻性測量的科學級低噪聲器件，積分球1內表面球面積與其出口，也就是科學級接CCD2面積之比大于100倍以上；標準能量計4，厚度小于8mm、材料為ubk7的不鍍膜的光學劈板3、入射的脈沖激光；科學級(XD2與積分球1連接時務必使科學級(XD2的敏感面和積分球內表面平齊，為此需要取掉科學級CCD2的外殼；標定時采用科學級CCD2工作波長的準直激光作為光源輸入積分球1 ；入射激光小角度入射到光學劈板的前表面(夾角小于5° )，光學劈板前表面反射光采用標準能量卡計接收，其透射光入射到積分球中；假設入射激光能量為一個單位，劈板的分光系數為r，透過系數為t，積分球的內表面面積為Ss，CCD靶面面積為S。，標準能量計讀數為N，材料的吸收忽略不計(理論計算表明在材料厚度小于IOmm時，對工作波長的激光吸收小于0. 1 % )，則實際入射到CCD靶面
+N Λ 、2 Sc
的能量為^7 = ^:41") x7對于不鍍膜的光學表面，在小角度入射情況下，其反射率
由菲捏爾公式唯一確定，因此公式中r是確定的，而積分球的內表面積及CCD的靶面也是確定已知的，則由公式可以得到CCD靶面接收到的能量值，同時CCD像元輸出的灰度也是已知的；在不同的輸入能量下，得到一系列的能量——靶面灰度均值測量點，經過最小二乘法可以擬合出光電響應曲線f = k + 5，x為輸入激光能量由第4)步得到，;^為光電響應的斜率，；^是器件響應的本底，^為CCD的像元灰度均值輸出，得到光電響應曲線即得到了能量基準-灰度基準的傳遞關系；第二步(XD進行脈沖激光能量測量的實現附圖2是激光參數測量組件的光路示例，在該組件中即包含有能量卡計，也包含有進行光場強度分布測量的科學級CCD，以該圖為例說明采用科學級CCD進行能量測量的實現；假設將能量為χ的激光投射到CXD靶面，對每一個CXD像元均存在光電響應的關系式，因此有
rm … (y2-b2) = k2X<
KK
(yn-bn) = knX對上式進行左右兩邊求和及整理可以得到入射激光的能量χ表達式為
剛ψφ) (p-^
nknkk、S為“第一步”第5)求解得到，C⑶像元的灰度輸出，η為C⑶的像元個數，該關系式為CCD進行能量測量的數學表達；CCD靶面中間的圖像表示激光的作用區(qū)域，在實際中，由于激光系統(tǒng)的泵浦光及光學表面的剩余反射，CCD圖像中不可避免的存在雜散光，對于CCD的輸出而言，是包含雜光和信號的綜合輸出，假設雜光的強度為χ雜，信號強度為Χ ，則CCD的輸出是結果， 由第幻步的數學表達式有
η一
C^yi-nb)
% + % = τ
nk需要知道雜光信號的能量χ雜才能由計算出Xif ；由雜光產生的機理知道，其作用在CXD上的效果等同于積分球作用的效果，而圖象區(qū)域外的CCD靶面正好實時的記錄了每一發(fā)次雜光的“信號”，因此有
；(|“)—
^nknk其中云為由圖象區(qū)域外的像元統(tǒng)計得到的雜光均值灰度，代入第4)步關系式得
權利要求
1.一種測量脈沖激光能量的方法，其特征在于所述測量脈沖激光能量的方法包括以下步驟1)建立已知激光光場的強度分布的灰度與激光能量之間的轉換關系；2)獲取待測激光光場的強度分布的灰度；3)根據步驟1)所得到的轉換關系將待測激光光場的強度分布的灰度轉化成待測激光能量°
2.根據權利要求1所述的測量脈沖激光能量的方法，其特征在于所述步驟1)的具體實現方式是1. 1)將已知激光能量經過積分球后輸入科學級CXD ；1. 2)經科學級CCD輸入步驟1. 1)中已知激光的光場的強度分布的灰度；1. 3)根據已知激光能量和激光光場的強度分布的灰度建立關系曲線。
3.根據權利要求2所述的測量脈沖激光能量的方法，其特征在于所述步驟1)的具體實現方式中還包括1. 4)重復步驟1. 1) 1. 3)；1. 5)對已建立的已知激光能量和激光光場的強度分布的灰度的關系曲線進行擬合和校正。
4.根據權利要求3所述的測量脈沖激光能量的方法，其特征在于所述步驟1. 中對關系曲線進行擬合的實現方式是最小二乘法。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的測量脈沖激光能量的方法，其特征在于所述步驟3)的具體實現方式是3. 1)獲取經科學級CCD中每個像元所輸出的待測激光光場的強度分布的灰度；3. 2)通過對經科學級CCD中每個像元的激光光場的強度分布的灰度求和來獲取經科學級CCD中整體像元所輸出的待測激光光場的強度分布的灰度3. 3)將已經求和的激光光場的強度分布的灰度根據步驟1)所建立的關系曲線獲取待測激光的總能量。
6.根據權利要求5所述的測量脈沖激光能量的方法，其特征在于所述步驟幻的具體實現方式還包括3.4)扣除雜光能量，所述雜光能量是泵浦光、光學表面的剩余反射以及科學級CCD圖像中不可避免的雜光。
7.根據權利要求1所述的測量脈沖激光能量的方法，其特征在于所述步驟幻的具體實現方式是待測激光經過積分球后輸入科學級CCD并輸出待測激光的光場的強度分布的灰度。
8.一種用于測量脈沖激光能量的系統(tǒng)，其特征在于所述用于測量脈沖激光能量的系統(tǒng)包括入射激光器、光學劈板、標準能量計、積分球以及科學級CCD ；所述光學劈板設置與入射激光器的出射光路上；所述標準能量計設置于光學劈板的反射光路上；所述積分球設置于光學劈板的透射光路上；所述科學級CCD的敏感面和積分球內表面平齊。
9.根據權利要求8所述的用于測量脈沖激光能量的系統(tǒng)，其特征在于所述積分球內表面球面積與科學級CCD的敏感面的面積之比不低于100倍。
10.根據權利要求8或9所述的用于測量脈沖激光能量的系統(tǒng)，其特征在于所述光學劈板的劈角小于5°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用科學級CCD進行脈沖激光能量測量的方法及系統(tǒng)，該方法包括以下步驟1)建立已知激光光場的強度分布的灰度與激光能量之間的轉換關系；2)獲取待測激光光場的強度分布的灰度；3)根據步驟1)所得到的轉換關系將待測激光光場的強度分布的灰度轉化成待測激光能量。本發(fā)明提供了一種測量精度高、系統(tǒng)簡化以及成本低廉的測量脈沖激光能量的方法及系統(tǒng)。
文檔編號G01J1/00GK102486402SQ20101056893
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權日2010年12月1日
發(fā)明者劉力, 孫策, 田新鋒, 董曉娜, 達爭尚 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所