摘要 可調(diào)諧t e ac o ：激光器在許多領域有著廣泛的應用。本文針對光柵調(diào)諧t e a c o z 激光諧振腔開展了自動調(diào)整技術和穩(wěn)定性研究，其中涉及到激光諧振腔、激 光探測、數(shù)字圖像處理和計算機控制等方面技術。 本文在研究了激光諧振腔自動調(diào)整技術相關理論和前人的工作之后，針對大 能量光柵調(diào)諧t e ac o 。激光諧振腔，選擇非制冷焦平面紅外熱像儀作為探測器件， 建立了可調(diào)諧t e ac o 。激光采樣系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的基礎上，從分析光斑質(zhì)量入手， 提出了光斑鑒別的簡單判據(jù)，開發(fā)了基于m a t l a b 的光斑鑒別圖像處理軟件，并 利用該軟件對計算機捕獲到的某支譜線的一組光斑進行圖像處理，鑒別出質(zhì)量最 好的光斑，實現(xiàn)了激光諧振腔的自動調(diào)整。進而又開展了激光諧振腔穩(wěn)定性研究， 通過實驗研究了大能量光柵調(diào)諧t e ac o ：激光器的輸出能量、光束指向和遠場發(fā) 散角等參數(shù)的變化，分析和總結(jié)了影響激光諧振腔穩(wěn)定性的因素。 自動調(diào)整技術一直是激光技術研究中的重要課題，本論文的工作研究了一種 新型的激光諧振腔調(diào)整方法，實現(xiàn)了光柵調(diào)諧t e ac o 。激光諧振腔調(diào)整的自動化。 隨著數(shù)字圖像處理技術的發(fā)展和激光探測水平的提高，該技術將逐漸得到發(fā)展和 實際應用。 關鍵詞：光柵調(diào)諧t e ac o ：激光器 自動調(diào)整光斑鑒別穩(wěn)定性 a b s t r a c t t u n a b l et e ac 0 2l a s e r sh a v ew i d ea p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d s i nt h i st h e s i s ，t h e a u t o m a t i ca d j u s t m e n tt e c h n o l o g ya n dr e s o n a t o rs t a b i l i t yt e c h n o l o g yo fg r a t i n gt u n a b l e t e ac 0 2l a s e ra r es t u d i e d ，i n c l u d i n gr e s o n a t o rt e c h n o l o g y , l a s e rd e t e c t i o n ，d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n ga n dc o m p u t e rc o n t r o l l i n g a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h et h e o r i e sa n da c h i e v e m e n t so na u t o m a t i cr e s o n a t o r a d j u s t m e n tt e c h n o l o g y , al a s e rs a m p l i n gs y s t e mu t i l i z i n ga nu n c o o l e df o c a lp l a n e i n f r a r e di m a g e r ya st h ed e t e c t o ri sb u i l tf o rl a r g e e n e r g yg r a t i n gt u n a b l et e ac 0 2 r e s o n a t o ra d j u s t m e n t b a s e do nt h i ss y s t e m ，t h ec r i t e r i o nf o rs e l e c t i o no fs p o tq u a l i t i e s i sp r o p o s e d ，a n dt h ei m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r eo fs p o t ss e l e c t i o ni sa l s od e v e l o p e dt o p r o c e s sag r o u po fs p o ti m a g e sc a p t u r e db yt h ei m a g e r ya n ds e l e c tt h eb e s to n e a c c o r d i n gt ot h ec r i t e r i o n t h er e s u l ti sf e db a c ka n dt h ea u t o m a t i ca d j u s t m e n to f g r a t i n gt u n a b l et e ac 0 2l a s e ri sr e a l i z e d i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h er e s o n a t o r s t a b i l i t yo fl a r g e e n e r g yg r a t i n gt u n a b l et e ac 0 2l a s e r , i t so u t p u te n e r g ys t a b i l i t y , b e a mp o i n t i n g s t a b i l i t y a n df a r - f i e l d d i v e r g e n c ea n g l es t a b i l i t y a r em e a s u r e d r e s p e c t i v e l ya n dt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t ya r ea n a l y z e d t h ea u t o m a t i ca d j u s t m e n tt e c h n o l o g yo fr e s o n a t o ri sa l li m p o r t a n tp a r to fl a s e r t e c h n o l o g y i nt h i sw o r k ，an o v e lr e s o n a t o ra d j u s t m e n tm e t h o di sp r e s e n t e da n dt h e a u t o m a t i o no fg r a t i n gt u n a b l et e ac 0 2l a s e rr e s o n a t o ra d j u s t m e n ti sr e a l i z e d t h i s t e c h n o l o g yw i l lo b t a i np r a c t i c a la p p l i c a t i o nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to fl a s e rd e t e c t i o n k e y w o r d s ：g r a t i n gt u n a b l et e ac 0 2l a s e r a u t o m a t i ca d j u s t m e n t s p o t ss e l e c t i o ns t a b i l i t y 研究成果聲明 本人鄭重聲明：所提交的學位論文是我本人在指導教師的指導 下進行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標注和致 謝的地方外，學位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果，也不包含為獲得中國科學院電子學研究所或其它教育機構(gòu)的學位 或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對此研究工作所做的 任何貢獻均己在學位論文中作了明確的說明并表示了謝意。 特此申明。 簽名：豫前 日期：加6 耳2 7 關于學位論文使用權的說明 本人完全了解中國科學院電子學研究所有關保留、使用學位論 文的規(guī)定，其中包括：電子所有權保管、并向有關部門送交學位論 文的原件與復印件：電子所可以采用影印、縮印或其他復制手段復 制并保存學位論文：電子所可允許學位論文被查閱或借閱；電子 所可以學術交流為目的，復制贈送和交換學位論文；電子所可以公 布學位論文的全部或部分內(nèi)容( 保密學位論文在解密后遵守此規(guī)定) 。 簽 名：陳靜 日期：姍6 平工7 翩簽名：燃日期：6 午竭 第一章引言 第一章引言 眾所周知，c o ! 激光器是目前轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大、在9 1 1 微米范圍內(nèi)可 調(diào)諧的一種既可連續(xù)工作又可脈沖工作的最常見的分子氣體激光器。1 9 6 4 年，貝爾 實驗室的庫馬帕特爾( c p a t e l ) 發(fā)明了c 0 。激光，1 9 6 5 年我國第一臺可產(chǎn)生大 功率激光的器件c 0 。激光器誕生。 1 1 本論文研究的目的和意義 自問世以來，封離型、橫流型、快速軸流型等形式的c o 。激光器相繼出現(xiàn)，并且 其中的大部分器件已實現(xiàn)系列化和商品化。1 。在這些應用廣泛的c o 。激光器中，t e a ( t r a n s v e r s e l ye x c i t e da t m o s p h e r i c ) c 0 2 激光器的出現(xiàn)是脈沖激光器的一項重 大突破“”“1 。它可使輸出能量達數(shù)千焦耳，輸出峰值功率高達幾千兆瓦，能量轉(zhuǎn)換 效率達1 0 2 0 ”1 ，這種特點使其在激光與物質(zhì)的相互作用方面具有一些獨特的應 用。隨著這些應用領域的不斷推廣，人們不僅需要輸出波長為1 0 6 朋的c o 。激光器， 還需要輸出波長為9 6 , u r n 甚至其他波長的c o 。激光器，由此開展了可調(diào)諧t e ac o 。 激光器的研究。 高重復頻率可調(diào)諧t e ac o 。激光器因兼有高脈沖峰值功率、高平均功率和波長可 調(diào)的優(yōu)點，使得它在激光表面清除、沖擊硬化、大氣污染探測雷達、激光化學、光 泵遠紅外研究等領域有著廣泛的應用。這類激光器的調(diào)諧方案有注入鎖定、低銳度 f - p 耦合、光柵選線等多種，其中采用光柵選線的常用方法主要有兩種8 3 ：一種是零 級耦合輸出，即采用球面鏡或平面鏡作為全反鏡，工作方式為光柵的一級衍射作為 反饋，零級衍射直接耦合輸出，該方案可以將光柵損失的影響降到最小。另一種是 光柵諧振腔方案，即采用球面鏡或平面鏡作為輸出耦合鏡與反射式光柵組成激光諧 振腔，工作方式為一級衍射反饋，一級耦合輸出，通過控制光柵的轉(zhuǎn)動角度達到對 不同譜線的選擇，該方案的優(yōu)點是腔體結(jié)構(gòu)簡單、易于控制。本課題所針對的是其 可調(diào)諧t e ac o z 激光諧振腕白動調(diào)粘技術研究 中的光柵諧振腔調(diào)諧t e ac 0 ：激光器。該激光 在：亡作時，一方面因為光柵加： 誤差、 光柵零位誤差、電機定位誤差等誤差的存在，另一方面因為光柵轉(zhuǎn)動有滯回現(xiàn)象以 及環(huán)境影響( 主要是振動或者溫度變化影響) 等原因，使得在輸出每條譜線時，得 到光斑質(zhì)量最好的光柵位置，即最佳調(diào)諧位簧，并不在理論位置，而是在其附近 個小范圍內(nèi)的某個位置，并且這個位置會隨時削或環(huán)境的變化而產(chǎn)生漂移。為了在 使用激光器時獲得最好的光斑質(zhì)量，解決該問題的傳統(tǒng)方法是在激光器每次使用之 前用熱敏紙接收光斑并憑人工經(jīng)驗判斷其好壞，然后通過手動調(diào)整實現(xiàn)光斑模式的 均勻。這種方法不僅繁瑣費時，而且?guī)в泻艽蟮闹饔^性，很難保證激光器高質(zhì)量高 效率的運轉(zhuǎn)。為了解決這一問題，我們在激光器輸出的某些譜線附近，利用探測器 件捕獲一定量的激光脈沖并將這些光斑圖像通過圖像采集卡存入計算機，在計算機 中對這些圖像進行處理，通過參數(shù)計算鑒別出符合標準的光斑，再由反饋系統(tǒng)控制 電機帶動光柵轉(zhuǎn)至輸出該光斑的位置，即建立了一套激光諧振腔自動調(diào)整系統(tǒng)。該 系統(tǒng)用計算機操作代替人工操作、用參數(shù)計算代替經(jīng)驗判斷，能夠穩(wěn)定激光輸出， 提高工作效率，具有重要的實用價值。這就是c o 。激光諧振腔自動調(diào)整的目的和意義 所在。 1 2 激光諧振腔自動調(diào)整技術發(fā)展簡述 事實上，自從激光器問世以來，光學諧振腔自動調(diào)整技術就一直是激光技術研 究的一個重要課題。長期以來，人們?yōu)榱颂岣遚 o ，激光器的穩(wěn)定性得到高質(zhì)量的光斑 輸出在諧振腔的自動調(diào)整方面做了大量的工作，但是這些工作主要針對非調(diào)諧的連 續(xù)c o 。激光器，從全方位調(diào)節(jié)腔鏡入手，補償因為諧振腔的不準直而導致的光束質(zhì)量 降低，對于光柵調(diào)諧的激光諧振腔進行調(diào)整則很少有人涉及。 目前看來，人們對c 0 。激光諧振腔自動調(diào)整技術的研究大致分為兩種情況。1 ，一 種是自適應光學諧振腔技術，所謂自適應，就是當外部環(huán)境或系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生某 種變化，系統(tǒng)能自行調(diào)節(jié)以保持其性能水平的一種能力。自適應光學諧振腔的原理 是：實時探測外部擾動對激光腔內(nèi)波前像差的影響，從而通過對諧振腔反射鏡面形 第一章引言 的控制來消除腔內(nèi)像差，使得激光器輸出功率最大，即保征激光器在特定條件下， 在最高效率下運行“”1 。除此之外，還有一種方法是通過研究輸j 光斑特性米實時校 正諧振腔的自動準直系統(tǒng)。 首先介紹第一種自適應光學諧振腔技術的發(fā)展。自1 9 7 8 年f r e e m a n 等人首次 報道閉環(huán)自適應激光諧振腔的可行性研究以來“，國內(nèi)外在校正腔內(nèi)動態(tài)波面誤 差方面做了大量的工作，取得較大的進步，這些研究的共同之處都是先給諧振腔 一個微小擾動，觀察輸出光束的變化趨勢，再逐步校正腔鏡使之準直。 華中理工大學光學工程系葉嘉雄、康健等人在九十年代中后期做了這方面的 許多工作“”“”“”，他們以古典控制理論中的多變量頻域穩(wěn)定性判據(jù)為基礎，針 對千瓦級c 0 。激光非穩(wěn)腔和五通道弱關聯(lián)自適應光學系統(tǒng)進行了計算機模擬，分析 并證實了此自適應激光諧振腔系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 圖1 1 華中理工大學葉嘉雄等人的自適應激光諧振腔系統(tǒng)環(huán)路框圖 該模擬實驗采用多路高頻振蕩法“。多路高頻振蕩方法就是在光學諧振腔中 引入多元自適應可變形反射鏡構(gòu)成一個自適應光學諧振腔，可變形反射鏡在控制 可調(diào)諧+ t e ac o z 激光諧振腔自動調(diào)整技術研究 信號的作用下，實時地實施波面修正，最終使被控參數(shù)達到最佳值。這是一個典 型的多個時空變量動力學系統(tǒng)，它包括光學諧振腔、波前測量裝置和伺服控制系統(tǒng) 三部分。圖1 1 是該自適應諧振腔系統(tǒng)的環(huán)路框圖，其中變形反射鏡采用連續(xù)表 面分立致動器控制，諧振腔為_ i _ f 支共焦望遠鏡型非穩(wěn)腔，探測器采用高響應頻率 的熱釋電探測器。此工作在理論上研究的比較透徹，但是多為計算機模擬，無具 體實驗。 另外，關于激光諧振腔的自適應調(diào)整，華中科技大學的賀昌玉在2 0 0 3 年研究 了相關的單片機精密控制系統(tǒng)，他針對h g l 一2 0 型橫流c o 。激光器光腔設計出一種 光腔調(diào)節(jié)裝置“，該裝置由單片機控制兩個三相六排的步進電機驅(qū)動精密絲桿傳 動達到精確調(diào)整激光輸出鏡的x 、y 坐標，實現(xiàn)了激光腔鏡俯仰、左右兩種自由度 的調(diào)節(jié)，很好地起到穩(wěn)定光腔和手動、自動調(diào)節(jié)的作用。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 l _ 2 所示： 圖1 2 華中科技大學賀昌玉的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 該系統(tǒng)雖然經(jīng)過調(diào)試運行后被證明是穩(wěn)定的，但其缺點是還不能實現(xiàn)全自動 調(diào)整，在自適應調(diào)整精度下降、效果變差的情況下，必須手動調(diào)回初始的記憶狀 態(tài)。 在通過研究輸出光斑特性來實時校正諧振腔方面，在九十年代初期，加拿大 阿爾伯特大學電子工程系的d r a k i t t 等人對2 0 千瓦c 0 。激光器的自動諧振腔準 直系統(tǒng)進行了研究“7 “嘲。他們采用的是折疊式光學諧振腔，如圖1 3 所示： 4 第一章 引言 雄二j 壘蘭移 圖i 3 加拿大d r a k i t t 等人的折蹙式光學諧振腔 在d r a k i t t 實驗中，把光束投射到一個輪廓傳感器上，該傳感器由3 2 個熱 敏探測器組成，熱敏探測器矩陣被劃分成四個象限，在每個象限中，矩陣又被進 一步分成三個同心圓弧。這樣就可以在距離諧振腔固定距離處實時監(jiān)控光束的中 心位置，使得光束指向角通過光束中心位置確定。其自動陣列控制系統(tǒng)框圖如圖 1 _ 4 所示： 圖i 4d r t k i t t 實驗中的自動陣列控制系統(tǒng)框圖 勤唧 。_ _ - i _ 。_ _ _ 。- l - - 。- 。_ - _ _ o o o o o _ _ i 可調(diào)諧t e ac o z 激光諧振腔自動調(diào)整技術研究 該系統(tǒng)研究中主要考慮光束質(zhì)量的兩個重要因素：光束的指向角和模式均勻 性。通過比較在四個象限內(nèi)環(huán)形布局的探測器輸出積分強度，得到水平方向和垂 直方向上模式均勻性的描述值；通過環(huán)形輸出的邊緣探測可以獲得光束位置( 光 束指向角) ?？嶒炛性O計兩個控制環(huán)，調(diào)節(jié)m ( 凸面鏡) 控制環(huán)形光束的模式均勻 性，調(diào)節(jié)地( 凹面鏡) 控制光束中心位置( 光束的指向角) ，以此保證了激光器始 終工作在最佳狀態(tài)。 綜上可以看出，對c o 。諧振腔的自動調(diào)整一般選擇激光功率或光束指向作為測試 參數(shù)，通過分析這些參數(shù)的變化來相應地調(diào)整腔鏡，使得輸出光束模式均勻。然而 對于大能量快脈沖光柵調(diào)諧t e ac o ：激光器而言，由于其自身的特點，一般在調(diào)試激 光器的過程中更多的利用到其光斑特性，所以針對這種諧振腔的自動調(diào)整技術與前 人的工作應有所不同。 1 3 非制冷焦平面探測技術 激光光斑探測技術是諧振腔自動調(diào)整的關鍵技術之一。由于c o ：激光器輸出波段 位于長波紅外波段，對其輸出光斑的探測方法也是多種多樣、繁簡不一。隨著紅外 探測器件工藝水平的提高和技術的發(fā)展，利用非制冷焦平面探測陣列構(gòu)成的紅外熱 成像系統(tǒng)越來越受到人們的重視。在這里簡單介紹一下該探測技術的發(fā)展概況。 根據(jù)目前紅外熱成像系統(tǒng)的發(fā)展情況及對今后的預測，熱成像系統(tǒng)大致可分為 三代。第一代紅外熱成像系統(tǒng)以數(shù)目有限的探測單元為特征，借助光機掃描來實現(xiàn) 圖像探測，同時還需要低溫制冷器協(xié)同工作；第二代以二維n x m 元焦平面陣列( f p a ) 探測器為特征，探測單元數(shù)目在萬元以上，且自帶有信號讀出電路，其中又分為低 溫制冷和非制冷兩種；第三代稱為“靈巧”凝視大陣列焦平面，其特征是集成探測 器后續(xù)的信號處理電路，包括信號讀出電路、前放、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等“”啪1 。 非制冷紅外熱成像系統(tǒng)的核心是u f p a ( u n c o o l e df o c a lp l a n ea r r a y 非制冷焦 平面探測陣列) ，其探測原理是在焦平面上排列著感光元件陣列，從無限遠處發(fā)射的 紅外線經(jīng)過光學系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測器將接收到光信號 6 第一章引言 轉(zhuǎn)換為電信號并進行積分放大、采樣保持，通過輸出緩7 i t l 5 i i 多蹄傳輸系統(tǒng)，最終送 達監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。典型的u f p a 熱成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1 6 所示”： 幽1 6典型的u f p a 熱成像系統(tǒng)的基本構(gòu)成 u f p a 根據(jù)所使用的探測材料可以分為三類：熱電偶u f p a 、熱釋電u f p a 和微測 輻射熱計u f p a 。熱電偶u f p a 的工作原理是根據(jù)溫差電效應，采用微j j n t 技術在每個 探測器單元上制作幾十對溫差熱電堆，通過電堆熱端和冷端之間的溫度梯度變化， 將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電壓信號，從而獲得與景物對應的熱圖像。熱釋電u f p a 所使用的 鐵電材料分為兩大類。：常規(guī)熱釋電材料和介電熱輻射計材料。前者有t g s 、l i t a o 。 等鐵電單晶以及p z t 鐵電陶瓷材料，后者主要有鈦酸鍶鋇( b s t ) 和鈧鈦酸鉛( p s t ) 。 其工作原理是根據(jù)熱釋電效應，當外界入射輻射溫度發(fā)生變化時，這些具有自發(fā)電 極化特性的晶體材料會因為電極化發(fā)生改變而對外顯現(xiàn)電性或在外部電路產(chǎn)生電 流，利用這些電信號便可以探測到熱圖像。正是由于熱釋電材料的這種特性，需要 以適當?shù)念l率交替改變?nèi)肷涞膱鼍皽囟群蛥⒖紲囟?，才能不斷地獲得目標探測信號， 因此它很明顯的一個特征就是需要使用調(diào)制。微測輻射熱計u f p a 的敏感元是熱敏電 阻，使用的材料主要為氧化釩( v 0 ，) 、非晶硅( a s i ) 和多晶硅，其工作原理是敏感元 材料吸收外界紅外輻射，引起i h 身溫度的上升，且電阻阻值隨溫升的變化而靈敏改 變，并造成輸出電壓改變，輸出電壓達到的穩(wěn)定值反映了入射輻射功率的大小。這 三類中目前發(fā)展較快、前景較好、應用較廣的是熱釋電u f p a 和微測輻射熱計u f p a 。 非制冷焦平面探測器的發(fā)展水平直接決定了非制冷熱成像系統(tǒng)的發(fā)展。在過去 的幾年內(nèi)，非制冷焦平面已由原來的小規(guī)模，發(fā)展到中、大規(guī)模3 2 0 x2 4 0 和6 4 0 x 4 8 0 陣列，在未來的幾年內(nèi)有望獲得超大規(guī)模的1 0 2 4 x1 0 2 4 非制冷焦平面陣列1 。像素 可調(diào)諧t e ac o ：激光諧振腔自動調(diào)整技術研究 尺寸也山5 0 p r o 減小到2 5 p f n ，提高了焦平面的靈敏度。隨著焦平面陣列規(guī)模的不斷增 大、像素尺寸的進一步減小，非制冷焦平面成像系統(tǒng)不僅在軍事領域的應用越來越 廣泛，在民用領域也得到了成功的應用。 u f p a 的研究居世界領先水平的國家主要有美國、法國、英國和日本“”“”?！啊！薄?其中美國在這方面的研究開始的最早，發(fā)展的最為迅速，目前研究u f p a 最具有代表 性的兩家公司就是美國的德克薩斯儀器公司( t i 公司) 和霍尼威爾公司( 1 t o n e y w e l 公 司) 。我國在非制冷焦平面陣列技術上起步較晚，近年來國家投入了大量人力物力用 于非制冷焦平面陣列的研究，主要集中在部分高等院校和研究所，如中科院長春光 學精密機械研究所和中科院上海技術物理研究所等，目前也取得了初步進展。 1 4 本論文的主要內(nèi)容 本章在主要介紹了c 0 ：激光諧振腔自動調(diào)整技術的研究背景和發(fā)展概況之后，對 于本論文主要應用到的非制冷焦平面探測技術作了簡單的說明。論文的第二章對光 柵調(diào)諧t e a c o 。激光諧振腔自動調(diào)整系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、基本原理和工作流程進行了概 括，并在此基礎上分別對系統(tǒng)的各個部分做了全面細致的描述。在第三章里，針對 系統(tǒng)的光斑鑒別部分，闡述了數(shù)字圖像處理技術的相關理論，并較為詳盡地研究了 其中的關鍵技術，提出了光斑鑒別的簡單判據(jù)，通過實驗給出了光斑鑒別的最終結(jié) 果以及對該結(jié)果的分析。此后的第四章又將光斑鑒別技術運用到光柵調(diào)諧t e ac o 。 激光諧振腔的穩(wěn)定性研究，在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上從輸出能量、光束指向性和遠 場發(fā)散角三方面分別測試了該激光諧振腔在相同譜線之間的穩(wěn)定性和不同譜線之問 的一致性，并分析了影響諧振腔穩(wěn)定性的內(nèi)在和外在因素。最后第五章是全文的總 結(jié)。 第一章 可調(diào)諧激光諧振腔自動調(diào)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 第二章可調(diào)諧激光諧振腔自動調(diào)整系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 2 1 系統(tǒng)組成及工作流程 可調(diào)諧激光諧振腔的自動調(diào)整技術是一種集激光諧振腔技術、激光探測技術、 數(shù)字圖像處理技術和計算機控制技術于一體的綜合技術，因此整個實驗系統(tǒng)也相應 地分為可調(diào)諧激光器、光斑探測系統(tǒng)、圖像處理軟件系統(tǒng)以及計算機控制系統(tǒng)三部 分。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)硬件設備示意圖如圖2 1 所示：電機、光柵、激光器腔體與觸 發(fā)器組成可調(diào)諧t e ac o ：激光器；反射鏡、漫反射板和紅外熱像儀組成光斑探測系統(tǒng)： 計算機、圖像采集卡、伺服電機驅(qū)動器和控制電路板組成計算機控制系統(tǒng)。 熱敏紙接光斑處 屏蔽間 一一! 圖2 1自動調(diào)整系統(tǒng)硬件設備示意圖 當系統(tǒng)工作時，這三部分互相協(xié)調(diào)、各司其職，通過有序的組織和控制共同完 成對激光諧振腔的自動調(diào)整。首先計算機發(fā)出命令，由控制電路板給出信號通過電 機驅(qū)動器控制直驅(qū)交流伺服電機帶動光柵轉(zhuǎn)動到某一譜線的理論位置，在該位置附 可調(diào)諧t e ac o 。激光喈振腔自動調(diào)整技術研究 近一個小角度范圍內(nèi)山圖像采集卡提取紅外熱像儀的場同步信號通過控制電路板觸 發(fā)激光器發(fā)射一組激光脈沖，該組脈沖通過反射鏡到達漫反射板，紅外熱像儀采集 到其漫反射像，并通過圖像采集卡存入計算機硬盤，由所開發(fā)的光斑鑒別軟件對該 組光斑進行鑒別并反饋回結(jié)果，由直驅(qū)交流伺服電機帶動光柵轉(zhuǎn)至輸出光斑質(zhì)量最 好的位置，即完成了對可調(diào)諧激光諧振腔的自動調(diào)整。 可調(diào)諧t e ac o 。激光器輸出波段范圍覆蓋9 l l ，其譜線根據(jù)轉(zhuǎn)動躍遷選擇定 則可以分為9 p 、9 r 、l o p 、f o r 四支，這里針對這四支中增益較高比較具有代表性的 9 r ( 2 0 ) 線、9 p ( 2 0 ) 線、1 0 r ( 2 0 ) 線、1 0 p ( 2 0 ) 線做自動調(diào)整。在調(diào)整時，一般先轉(zhuǎn)動 到某一譜線的理論位置，在這個位置存取一幅背景圖，編號為p o 。然后在這個位置 附近5 6 ”范圍內(nèi)等間隔改變光柵位置并連續(xù)觸發(fā)激光器使得熱像儀采集到1 5 個光 斑，依次命名為p l 至1 3 1 5 ，并存入計算機。在這1 5 個光斑里進行鑒別挑選出質(zhì)量最 好的光斑，輸出此光斑的光柵位置即為該譜線的最佳調(diào)諧位置。最后將光柵轉(zhuǎn)動到 下一譜線，工作流程與此相同，不再作贅述。 以下幾小節(jié)將分別介紹激光器、光斑探測系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)三部分，有關 數(shù)字圖像處理軟件的開發(fā)是本論文的重點工作，將在第三章詳細說明。 2 ，2 光柵調(diào)諧t e ac o 。激光器 選頻激光器中多采用反射光柵作為元件。光柵的衍射特性決定了其很好的頻率 選擇能力，尤其適用于腔長較長、增益較高的情況。t e a c o 。激光器采用光柵諧振腔， 即以閃耀光柵和球面鏡或平面鏡組成可調(diào)諧激光諧振腔，利用光柵的自準直衍射級 實現(xiàn)激光振蕩，工作方式為一級衍射反饋，一級耦合輸出，通過控制光柵的轉(zhuǎn)動角 度達到對不同譜線的選擇，該諧振腔結(jié)構(gòu)簡單、易于控制。1 。 如圖2 2 所示，激光諧振腔由1 0 0 線m 的金屬基底的反射式平面光柵和透過率 為3 5 的z n s e 凹面鏡組成，腔長為2 1 m 。光柵的一級衍射效率達9 5 ，其精確快速 的轉(zhuǎn)動和定位由直驅(qū)伺服電機完成，可以實現(xiàn)在2 0 m s 以內(nèi)的相鄰譜線輸出轉(zhuǎn)換和 6 0 m s 以內(nèi)的任意9 l l l l m 波段的兩條譜線間的轉(zhuǎn)換。z n s e 輸出鏡曲率半徑為l o m 。 l o 第一二章可調(diào)睹激光諧振腔自動淵系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 腔內(nèi)放電電極i 訓距為5 0 m m 、長度為l0 0 0 m m ，有效放l 也寬度為4 0 m m 。實驗中采用f n 氣 體混合比為c o ：n ：i l e = l ：i ：4 ，總氣壓3 3 k p a 。在自i ：t ：i 振蕩的情況下，激光器輸出的 1 0 6um 激光的單脈沖能量可達l4 j 。 i l ? i a 電極組 輸出鏡 忒一呈丹 幽2 2光柵調(diào)諧激光諧振腔結(jié)構(gòu)俯視圖 該激光器放電電路如圖2 3 所示，得到的近場光斑輪廓為長方形，面積約為4 5 m m x 2 5 m m ，如圖2 4 ( a ) ，激光脈沖l o 極大值處的全寬度約為3us ，半極大值處全寬 度小于2 0 0 n s ，如圖2 4 ( b ) 。 圖2 3光柵調(diào)諧t e ac o z 激光器放電電路 m 蝴 i _ 1 4 i t i 掣“ i + h o 圖2 4光柵調(diào)諧t e ac o ：激光器輸出光斑形狀和脈沖波形 可調(diào)諧t e ac o z 激光諧振腔自動調(diào)整技術研究 2 3 光斑探測系統(tǒng) c o 。激光器輸出波段位于9 l l m ，屬于長波j ：p l - 波段，人們對其光斑的探測方 法多種多樣，一般從探測器接收光路方面可以分為直接探測和問接探測兩種方法。 直接探測即直接接收輸出光束，這種探測方法由于簡單直接，所探測到的光斑與實 際光斑的誤差較小，但是出于激光脈沖能量很高，要直接接收輸出光束就要對其進 行多層衰減才不至于損傷探測元件，所以一般探測光路比較復雜，極易損傷探測器， 并且因為需要大幅度衰減一般很難探測遠場光斑。間接探測即不直接接收輸出光束， 這種方法又可以分為兩種：熒光探測和漫反射探測。其中熒光探測是指輸出激光經(jīng) 過熒光材料轉(zhuǎn)換成可見光，然后利用c c d 等探測可見光的成像器件捕獲其光斑圖像 。這種方法一般光路簡單，c c o 等探測器的使用也較為普遍，但是由于c 0 ：激光轉(zhuǎn) 換為可見光的過程跟熒光材料的好壞有很大關系，所以誤差比較大，探測精度不高。 漫反射探測是將激光光束輸出到漫反射板，利用探測器捕獲光束的漫反射像。采用 這種方法不易損傷探測元件，探測到的圖像基本反映光斑形狀，而且可以探測遠場 光斑。綜合上述幾種探測方案，本系統(tǒng)采取漫反射探測方案探測激光光斑。 近幾年來紅外探測器的迅速發(fā)展給c 0 。激光的探測帶來了便利，可以探測這個波 段的探測器也有很多種，如四象限探測器和p s d 位置探測器呦3 ，還有碲鎘汞探測 器以及非制冷焦平面陣列探測器等。這些探測器各有優(yōu)缺點，四象限探測器靈敏度 和探測精度較高但必須附帶制冷系統(tǒng)使得安裝和調(diào)試十分復雜；p s i ) 位置探測器可以 直接定位光斑中心但靈敏度和探測精度不高；碲鎘汞探測器的靈敏度和探測精度很 高但價格又十分昂貴。然而非制冷焦平面陣列( u f p a ) 自七十年代后期開始研制以來， 取得了長足的發(fā)展，近幾年來對它的應用已經(jīng)從軍事領域擴展到了民用方面。這種 探測器調(diào)試方便，不需要致冷，靈敏度高，精度高，探測與信號處理一體化，圖像 采集簡單易行，便于二次開發(fā)。綜合考慮操作復雜度、探測精度和價格等多方面因 素，本系統(tǒng)選取非制冷焦平面型紅外熱像儀作為激光探測器件，其中的核心成像器 件是多晶硅材料的微測輻射熱計1 j f p a 。 第一章 可調(diào)喈激光諧振腔自動調(diào)系統(tǒng)糌體結(jié)構(gòu) 該紅外熱像儀的外觀如圖2 5 所示，主要參數(shù)如表2 1 所示 表2 系統(tǒng)類，。| | ：制冷焦平面 光譜范罔8 1 4 “m 溫度分辨率 0 0 6 0 c 像素3 2 0 x 2 4 0 像素 數(shù)字化幽像1 6 b i t 空問分辨率 1 m r a d 精度 l 1 測溫范圍一2 0 4 0 0 ( 可擴展到1 5 0 0 ) 幀頻5 0 幅秒 視頻輸出p a l n t s c 聚焦范圍05 m 鏡頭尺寸5 0 m m 存儲通用c f 卡( 1 0 0 0 幅) 體積 1 6 4 m m x 9 0 m m 9 8l n m 重量1 5k g ：1 ：作環(huán)境 一2 0 + 5 0 幽2 5非制冷焦平面 紅外熱像儀 漫反射板 圖2 6光斑探測系統(tǒng)光路 反射鏡 可調(diào)諧t e ac o = 激光i 旨振腔自動調(diào)整技術研究 圖2 6 所示的是光斑探測部分的詳細光路。輸出光束經(jīng)過反射鏡后到達漫反射 板，由紅外熱像儀接收漫反射光斑，為了防止激光脈沖的能量超過紅外熱像儀的飽 和閾值損傷探測像元，一方面要在熱像儀鏡頭外用真徑為5 0 m m 的鍺玻璃高溫鏡頭衰 減光束，另一方面要將紅外熱像儀的光圈縮小。另外，在激光器近場z ，距離處可以 用熱敏紙接收光斑以便與熱像儀探測到的光斑相比較，角度口，、亂可以根據(jù)測量相 關距離計算出來。 2 4 計算機控制系統(tǒng) 計算機控制系統(tǒng)部分的核心是控制電路板，它一方面通過激光器的觸發(fā)器控制 激光脈沖與紅外熱像儀中的u f p a 時序同步，一方面通過電機的伺服驅(qū)動器控制直驅(qū) 交流伺服電機的轉(zhuǎn)動。 控制激光脈沖與u f p a 時序同步是自動調(diào)整中的一個關鍵技術，激光脈沖的脈寬 很窄，在半極大值處只有2 0 0 n s ，若不能很好的將觸發(fā)激光脈沖的時間和u f p a 的幀 頻同步，則很有可能捕獲到半個光斑甚至完全捕獲不到光斑，因此這里首先介紹如 何通過控制使得紅外熱像儀能夠捕獲到完整的光斑圖像。 紅外熱像儀中非制冷焦平面探測器的像元數(shù)為3 2 0 2 4 0 ，場周期2 0 m s ，其中場 同步信號脈寬為1 6 0 t r s ，時序如圖2 7 所示，其工作機理為：當激光輻射能量到達焦 平面時，多晶硅材料吸收能量，溫度上升，材料阻值變化使電橋失衡，積分電路開 始積分導致負載電壓變化從而將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴嵯駜x在開機后即連續(xù)工作， 輸出標準p a l 制視頻信號。在一個場周期內(nèi)，每一行像元順次積分，在第二行像元 積分的同時讀出第一行像元積分的數(shù)據(jù)，每行像元積分的時間約為6 4 9 s 。等到2 4 0 行像元全部積分完畢后，探測器清零，準備下一場積分。該類型成像探測器件既不 同于機械掃描式成像器件，也不同于完全凝視型成像器件，因其在某個時刻( 或瞬態(tài)) 只有一行3 2 0 個像元在積分，我們稱這種以電掃描型紅外探測器為成像器件的熱像 儀為“準凝視型”紅外熱像儀。雖然激光脈沖的半寬度為2 0 0 n s ，總時間在3us 左 右，遠小于熱像儀的行積分時間，但是由于多晶硅材料對輻射能量的存儲作用，加 第一章 可涮諧激光諧振腔自動調(diào)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 之探測器的響應上升時間很短，并且其采婦1 的是探測一場后統(tǒng)一清零的方式，所以 原理上這種“準凝視型”紅外熱像儀能夠捕捉到完整真實的光斑圖像”。 一 j ! 塒o “r ，- 一- 肋憎c ； f o t j o t 越c ：11 一。i 二二了 ，a ，f c 一 o c j h m 蛐- - j 2 0 n 睦 一 一l - _ _ = 1 幽_ 一r _ 2 幽27紅外熱像儀工作時序圖 然而，由于激光器發(fā)射單脈沖時刻與熱像儀積分過程在時間上的這種隨機性，所 以要想實現(xiàn)對完整光斑圖像的穩(wěn)定捕獲必須采取同步措施。實現(xiàn)同步的方法主要有 四種?！啊保旱谝环N是利用激光器的電源信號來控制成像器件同步；第二種是用激光 信號轉(zhuǎn)化的電信號來控制成像器件同步：第三種是利用成像器件的場周期信號控制 激光電源；第四種是利用計算機在圖像采集過程中發(fā)出信號控制激光電源。前兩種 方法需要控制成像器件，這對于技術剛剛成熟的非制冷紅外焦平面器件來說要求較 高，且難以主動控制激光脈沖的發(fā)射。對于第三種方法，由于熱像儀視頻信號中分 離出的單個場同步信號與計算機控制的圖像采集過程無關，并且軟件中采集函數(shù)的 啟動時間與圖像采集卡真正開始采集的場同步信號之間的關系也是隨機的，導致延 時誤差經(jīng)常達到1 場以上。這樣由視頻場同步信號來同步觸發(fā)激光器的方法不能在 一場內(nèi)穩(wěn)定捕獲完整的光斑圖像，只能先由計算機開始一個采集連續(xù)場圖像序列的 過程，然后在這個時間內(nèi)產(chǎn)生同步信號觸發(fā)激光器發(fā)射光脈沖，最后在所保存的圖 像序列中挑出捕獲到的光斑圖像。這樣做的缺點是捕獲光斑所用時間較長，而且難 以由計算機自動完成。因此本系統(tǒng)采用的是第四種方法，即由計算機統(tǒng)一控制觸發(fā) 激光器和采集一場圖像這兩個過程，并在軟件中使它們同步。 控制系統(tǒng)的工作時序圖如圖2 8 所示。從用戶程序調(diào)用采集函數(shù)啟動采集一場的 線程到硬件執(zhí)行該線程的時間f l 是不確定的，若要使采集與場時序同步，采集命令被 可詞喈t e ac o ：激光諧振腔自動調(diào)整技術研究 執(zhí)行后即切入場時序等待場同步信號，然后不等采集結(jié)束立即返回用戶程序，從采 集丌始時州到調(diào)采集函數(shù)返回時問的延時約在5 0 0 p s 到1 5 m s 之問，在返回用戶程 序后立即山計算機從串口給控制電路板輸出一個中斷信號，陔信號經(jīng)過適當延時， 后輸出一個符合要求的觸發(fā)信號觸發(fā)激光器發(fā)射光脈沖，采集結(jié)束后再從緩存中讀 取該場的數(shù)據(jù)保存為位圖文件。應用這種方法，只采集一場數(shù)據(jù)即能捕獲到完整、 清晰的單脈沖c 0 ：激光光斑圖像，采集時間小于l o o m s 。 場時序 采集函數(shù) 采集時問 中斷信號 觸發(fā)信號 激光脈沖 2 0 嘎h i 磊鬲一醫(yī)贏鬲廠_ r 一 鬲翮醫(yī)磊亍 n ： 圖2 8控制系統(tǒng)工作時序示意圖 控制電路板控制電機轉(zhuǎn)動是通過伺服驅(qū)動器完成的。本激光器采用直驅(qū)交流伺服 電機帶動光柵轉(zhuǎn)動，與驅(qū)動光柵轉(zhuǎn)臺通常采用的高頻步進電機相比，它具有加速性 能好，過載能力強，與高精度光電編碼器配合使用可實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而可實現(xiàn)快 速啟停和高精度定位等優(yōu)點哪! 。該電機的額定轉(zhuǎn)速為2 0 0 m i n ，最大轉(zhuǎn)速為5 0 0 m i n 一， 角分辨率為1 2 4 角秒步，絕對定位精度為1 5 角秒，重復定位精度為1 3 角秒，角 加速度為9 8 0 r a d s 2 。本系統(tǒng)利用伺服驅(qū)動器可以設置脈沖驅(qū)動的優(yōu)點，在設定了2 角秒脈沖的參數(shù)后，通過改變向驅(qū)動器發(fā)送的脈沖數(shù)，可以達到改變電機轉(zhuǎn)動的角 度。另外通過設置電平的高低可以控制電機轉(zhuǎn)動的方向，這里高電平控制順時針旋 轉(zhuǎn)，低電平控制逆時針旋轉(zhuǎn)。 1 6 第三章基丁m a t l a b 的激光光斑鑒別技術 第三章基于m a tia b 的激光光斑鑒別技術 3 1 數(shù)字圖像處理的相關技術 數(shù)字圖像處理技術起源于2 0 世紀2 0 年代，經(jīng)過幾十年的迅速發(fā)展，目前已成 為工程學、計算機科學、信息科學、統(tǒng)計學、物理學、化學、生物學、醫(yī)學甚至社 會科學等領域各學科研究的對象。如今數(shù)字圖像處理技術已給人類帶來了巨大的經(jīng) 濟和社會效益，它不僅在理論上得到了深入地發(fā)展，在應用上也已成為科學研究、 社會生產(chǎn)乃至人類生活中不可缺少的強有力的工具。 3 1 1 數(shù)字圖像處理相關理論 數(shù)字圖像處理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 一般用計算機處理或?qū)崟r的硬件 處理，因此也稱為計算機圖像處理( c o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n g ) 。其優(yōu)點是處 理精度高，處理內(nèi)容豐富，可進行復雜的非線性處理，有靈活的變通能力，一般來 說只要改變軟件就可以改變處理內(nèi)容，然而由于其圖像信息量大，處理速度就相對 較慢。但是本系統(tǒng)對處理速度要求不高，因此在光斑鑒別軟件的開發(fā)中主要運用的 是數(shù)字圖像處理技術。 數(shù)字圖像處理方法大致可以分為兩大類，即：空域法和變換域法。其中變換域 法是首先對圖像進行正交變換，得到變換域系數(shù)陣列后再施行各種處理，處理后再 反變換到空間域得到處理結(jié)果。這種方法在本論文中沒有涉及。而空域法是把圖像 看作是平面中各個像素組成的集合，然后直接對這個二維函數(shù)進行相應的處理，可 以分為鄰域處理法和點處理法。鄰域處理法主要包括梯度運算、拉普拉斯算子運算、 平滑算子運算和卷積運算等。點處理法即灰度處理，包括面積、體積、重心運算等。 本論文主要用到的是這兩種處理方法。 1 圖像平滑化 可調(diào)諧t e ac o ：激光諧振腔自動調(diào)整技術研究 - - f n 圖像可能存在著各種寄生效應。這些寄生效應可能在傳輸中產(chǎn)生，也可能 在量化等處理過程中產(chǎn)生。一個較好的平滑方法應該是既能消掉這些寄生效應又不 使圖像的邊緣輪廓和線條變模糊。這就是研究圖像平滑化處理所要追求的主要目標。 圖像平滑化處理方法主要有鄰域平均法，低通濾波法，多圖像平均法等等。本論文 中對圖像的平滑處理主要使用鄰域平均法。 鄰域平均法的基本思想是用幾個像素灰度的平均值來代替每個像素的灰度值。 假定有一幅n 個像素的圖像f ( x ，y ) ，平滑處理后得到一幅圖像g ( x ，y ) 。g ( x ，y ) 由 下式?jīng)Q定： 貼2 萬1 。娶( 哪) ( 3 1 ) 式中x ，y = 0 ，1 ，2 ，一l ，s 是( x ，y ) 點鄰域中心的坐標的集合，但其 中不包括( y ) 點，m 是集合內(nèi)坐標點的總數(shù)。式( 3 1 ) 說明，平滑化的圖像g ( x ，y ) 中 的每個像素的灰度值均由包含在( 工，y ) 的預定鄰域中的f ( x ，y ) 的幾個像素的灰度值 的平均值來決定。圖3 1 給出了兩種從圖像陣列中選取鄰域的方法，均以一點為中 心作圓，選取該圓內(nèi)部或邊界上的點的集合，其中( a ) 為四鄰域，( b ) 為八鄰域。 ( a ) ，n f 1 k ! 7 圖3 1鄰域選取方法示例 ( b ) 圖像處理結(jié)果表明，類似于圖3 1 的選擇鄰域的方法列抑制噪聲是有效的，但是 隨著鄰域的加大，圖像的模糊程度也愈加嚴重。因此應選擇合適的鄰域，使得既不讓 圖像的邊緣輪廓過于模糊，又能夠達到圖像平滑的目的。 第二章基 ：m a t l a b 的激光光斑鑒別技術 2 圖像分割 圖像處理的一個主要分支就是圖像分析，這類處理的輸入仍然是圖像，但是所 要求的輸f _ | _ 是對已知圖像或景物的描述。為了描述圖像，首先要進行圖像分割， 分割的目的是把圖像空問分成一些有意義的區(qū)域。最常用的圖像分割方法是把圖像 灰度分成不同的等級，然后用設置狄度門限的方法確定有意義的區(qū)域或欲分割的物 體之邊界。 假定一幅圖像具有圖3 2 所示的直方圖，可以設一個閾值丁，把直方圖分成兩 部分，的選擇要本著以下原則：b 應盡可能包含與背景相關聯(lián)的灰度級，而b ，則 應包含物體的所有灰度級。當掃描這幅圖像時，從b 到及之間的灰度變化就指示出 有邊界存在。當然，為了找出水平方向和垂直方向上的邊界，要進行兩次掃描。為 了得到邊緣圖像，一種方法是把圖像變成二值圖像，另外還有一種半閡值法，這種 方法是將灰度級低于閾值的像素灰度變換為0 ，而其余的灰度級不變，仍保留原來的 灰度值?？傊?，設置灰度級閾值的方法不僅可以提取物體，也可以提取目標物的輪 廓。這些方法都是以圖像直方圖為基礎去設置閾值的。 ii f i , il , , , , , , lllecl i ji 。l 由 b i tb 2 圖3 2 圖像f ( x ，y ) 的直方圖 對于復雜圖像，在許多情況下對整幅圖像用單一閾值不能給出良好的分割結(jié)果。 例如，圖像背景不是很均勻，在圖像的中間部分物體和背景的灰度有反差，但在邊 緣部分背景和物體的亮度差不多，那么如果在整幅圖像中使用單一閩值，很容易把 背景當作物體分割下來。這時我們可以先進行灰度均勻性校正再使用單一閾值進行 分割處理或者選取灰度比較均勻的小塊進行處理。 1 9 可調(diào)諧t e ac o ：激光諧振腔自動凋整技術研究 3 1 2 基于m a t h b 的數(shù)字圖像處理 m a t l a b 軟件開發(fā)于七十年代，經(jīng)過飛速的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為功能完善、可擴 展性強、界面友好、使用方便的新一代科技應用