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光束质量分析软件和系统实现.pdf 74页
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工
作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地
方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含
为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我二同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明
确的说明并表示谢意。
签名：丝憋日期：砷年，月护
论文使用授权
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扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)
豁鲤醺鄂签名後型
日期：加细年夕月刁Et
激光的应用和激光光束本身的特征有密切关系。高阶模光束的能量分布相对
分散，而基横模高斯光束则相对集中，而且规律简单，易于应用。因此，在实际
生产和科研中基横模高斯光束的应用更为广泛。然而，不同激光器产生的高斯光
束的质量参差不齐，有些参数很大程度上影响着光束的应用，比如光斑的有效截
面半径，远场发散角，束腰半径等。因此，人们需要一种测量光束质量参数的方
法。传统的测量方法效率低，精度差，本论文提出的利用计算机软件和CCD测量
光束质量的方案解决了这一问题。
本论文首先阐述了本课题研究的背景和意义，以及本课题所依赖的理论基础，
如高斯光束传播理论、CCD的结构及原理等。然后本论文提出了整个激光光束分
析系统的组成方案。在这个方案中，系统主要由CCD、采集卡、计算机、软件等
因为软件是整个系统的核心部分，所以本论文着重介绍了软件需求分析、软
件设计、软件编程实现、和软件测试的全部内容。根据实际测量需求，本课题首
先进行了软件需求分析，还设计了软件结构框架和工作流程。在设计工作完成后，
C++为工具，开发出了单
本课题利用面向对象编程技术，以MFC为平台，Visual
文档／多视图光束测量应用程序。此程序利用数字图像处理技术对CCD摄像机采集
到的激光光束截面图像进行处理和分析，以获得光束的质量参数。本论文讨论了
分析过程中所用到的图像封装、噪声处理和伪彩色处理等技术。本论文还讨论了
程序中光束的基本参数、椭圆分析、平顶分析、光束质量参数等算法的实现方法，
以及光束图像的三维显示实现。受噪声等因素影响，单帧光束图像的分析结果不
可避免地会具有一定的偶然性，因此本程序还设计了连续分析模式，本论文也谈
到了这部分内容。
最后，本论文阐述了软件使用步骤和测试结论。总之，本论文所提到的软件
具有结构清晰、算法健壮等特点，实现了快速而准确的光束质量参数测量，具有
较大的实用价值。
关键字：光束质量，分析软件，参数算法，OpenCV
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1、光束质量因子M2的定义：光束束腰宽度和远场发散角的乘积比上基膜束腰宽与远场发散角乘积。2、如何测量？根据ISO标准11146，M2可以通过基于沿传播光束的几个点的光束剖面的几种测量技术来定义。一般由CCD、刀口或狭缝等类型的光斑分析仪+导轨扫描系统等构成。rayscience目前对M2测量的需求主要有两种：一是聚焦光束的测量，二是准直激光的测量。对于后者，基本的工作原理是通过透镜聚焦入射的激光束，再通过多次扫描和计算&#焦点处的束腰和瑞利长度远场发散，可以确定M2测量的精确值。
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光束分析仪的常见应用
在医学、工业生产、激光打印、激光打标、激光焊接、激光切割以及光纤通信等多种激光应用领域，光束质量分析为激光器的有效使用提供了很多有价值的信息。在实际测量中，光束分析应用广泛。光束轮廓显示了光束的全部空间特性，包括光束的传播、光束质量和光束的实用性。另外，它还可显示如何高效地调整和修改激光器的输出。光束轮廓在搭建激光打印机和光纤对准的光学系统时非常有用，如果光束轮廓未知，那么激光将很难甚至不能投入使用。APD5100J 激光光束分析仪 主要检测 激光二极管，脉冲激光器 VCSEL激光和 发光二极管 的光斑光束质量测定 波长擴展到短波400NM-1700NM德国Cinogy公司超高性价比的CinAlign系列光束分析仪（低至1.5万）通过标准USB2.0接口与电脑连接。光斑分析软件，可同时显示2D/3D激光光斑分布；可测量光斑直径，光斑指向稳定性，光斑几何中心位置，椭圆度分析等参数。1.激光制造业对于传统的激光器制造商而言，光束质量分析已成为标准技术。均匀散射激光束的品质由以下参数定义：衍射极限倍数因子M2，或它的倒数k因子。M2或k因子给出了激光光束聚焦程度的理论测量方法。这对评价不同应用领域的光束好坏非常重要。M2或k=1表示理想的衍射光束。换句话说，它直接与波长和透镜系统的衍射极限相关，和激光本身没有任何关系。激光二极管和垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）都是半导体激光器，有着比近轴光束更大的发散角。从典型的激光腔中检测这类激光非常困难。通常重要参数包括：功率输入-光强输出曲线（称为LI或LIV曲线）、光束的光谱以及发散角。由于半导体激光器的发散角较大，需要用透镜聚焦得到可用光束。通过光束形状和发散特性，能够得出光学设计中设备的工作情况。LI曲线可以提供激光器的输出效率，并能探测到二极管生产工艺中的任何瑕疵。二极管激光器的波长由晶格的物理结构以及它怎么构成激光腔决定，因此，二极管激光器系统不仅需要测量LI曲线和发散角轮廓，还需要进行光谱测试。2.医学/生物技术领域在医学和生物技术行业，激光的应用非常广泛，从光手术刀到读取DNA芯片遗传密码的扫描仪。这些应用都需要对激光光束进行整形和调整。光束分析仪直接检测光束形状，观测光束能否达到期望值，如果不能，就需要进行实时调整。美国FDA和国家卫生管理机构对医疗器械的测试有严格的要求。符合“生产质量管理规范”（GMP）和“非临床研究质量管理规范”（GLP）是最根本的要求。为保证医疗设备的性能，这两个规范都要求进行可重复和可追踪测试。不管是Lasik眼科手术、腹腔镜手术中使用的光手术刀，还是其他病人护理中的激光器，可追踪、可校准的光束分析仪对维护和校准这些医疗激光系统都是非常必要的。激光在生物技术中的应用主要是基因组和蛋白质组“芯片实验台”探测器的扫描。这种系统使用激光光束识别（或“读取”）DNA和RNA序列的积木式“字母”或蛋白质的氨基酸成分。光斑质量越好，采样就越小。光束分析仪可以帮助对这一类扫描仪进行最后的微调。3.制图和印刷工业激光印刷工业最早利用光束分析仪来设计和制造激光打印机的核心部分——激光扫描单元（LSU）。这需要了解系统的光斑尺寸、阵列以及光束摆动对激光打印机的影响，并做进一步的改进。激光打印机行业的市场竞争非常激烈，因此降低LSU的生产成本极为重要。尽管如此，每一个LSU都必须进行调整和测试以确保正确运行。常规的LSU测试时间大约需要20分钟，一种新的仪器测量技术可以把测试时间减少到几秒。LSU的生产能力由此增加了十倍以上，因此测试成本得到显著降低。4.条形码扫描和光存储条形码扫描和光存储技术利用激光光束读写信息。与生物扫描技术和激光打印一样，光束越小，读写信息越精确。然而，为了让扫描仪处在方便的工作距离范围之内，条形码读取器需要光束的操作范围非常长。光束的束腰区域的长度称为瑞利范围，就是光束直径的区域，这里D0称为光腰，或称为光束最小直径。光束分析仪可以直接测量和调整光束达到长瑞利范围，以保证扫描仪的良好性能。另一方面，对于光存储，光束通常被优化为一个非常小的光斑。光存储激光器的焦点非常关键，因为光斑大小和瑞利范围成反比。对于比较小的光斑，发散角必须足够大；对于发散角较小（比如长瑞利范围、准直光束）的情况，光腰值必须大。5.焊接和切割领域由于激光能在工件上发射精确的功率密度，大多数高功率焊接和切割激光器都利用了激光的这种精密性。为了保证使用过程中精度的持续性，监控激光的性能非常重要。现在通常所采用的处理方法是检测瑕疵处，或者监控未聚焦光束和推断聚焦光束的性能。但这两种方法都不是最佳解决方案。首先，为了了解激光是否正常工作，需要浪费材料和时间制造一个缺陷，有时缺陷还很难被探测到，只有在激光加工过程中才能被探测出来，这样就产生了额外费用，增加了废弃和返工的可能。监控最初的激光束的缺点是只检测了激光器，而不是实际的光学系统，它不能告诉您下一步怎么处理半成品。通过设计合理的狭缝扫描光束分析仪，比如德国Cinogy公司光束质量分析仪，就可以测量光束在真实情况下的工作状态。它可以精确地测量在工作台上的光束直径、形状以及功率分布。提供光束直径的数值、椭圆率，以及光斑质心的位置。对激光器、聚焦系统和发散系统所出现的问题都可以提前预警。
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