基于数字图像处理技术的激光光束质量评价系统设计

摘要

自从激光发明以来，已经被广泛地应用于各个领域，如在工业机械加工、高科技武器制导、微细加工、光刻、医疗及其它科学领域。随着激光应用的加深拓展，对激光各方面性能的深入研究及对激光的光束质量评价也提出了更高的要求，在光束质量评价中激光光斑的形状尺寸、M2因子成为越来越重要的参数。因此，如何获得这些参数、合理地评估激光光束质量是一个难题。所以，本文重点在于如何解决这个问题；它的研究具有重大意义。
　　本论文设计了基于数字图像处理技术的激光光束质量评价系统，主要内容包括以下几方面：
　　理论上分析了激光高斯光束的基本特性，介绍了几种评价光束质量的常用方法，并分别指出了各种评价方法的适用范围和局限性。详细介绍了描述激光传输特性的M2因子，同时还介绍了与M2因子相关的其它几个参数的测量原理。
　　设计了一种激光光束质量评价方案，该方案利用CCD相机与数字图像处理技术获得激光在不同传播距离处的光斑尺寸，再通过双曲线拟合获得激光高斯光束的光腰尺寸及远场发散角，从而确定M2因子。
　　搭建了激光光斑图像采集系统，这个系统包括被测量的激光光源、光学衰减器、CCD相机、图像采集卡和计算机；开发了基于VC++的激光光束质量分析软件。并分别在近场和远场采集一系列光斑，利用开发的软件处理图像，得到M2因子的测量结果；同时采用刀口法测量M2因子，并且对两种方法测量的M2因子进行比较，结果表明该光束质量评价系统的设计是合理的、可行的。
　　本论文开发的激光光束质量评价系统具有结构简单，操作方便等优点。它能有效地分析和评估光束质量，将被广泛地应用于各个领域。

目录

独创性声明

学位论文使用授权声明

1 绪论

1.1 本论文的研究背景

1.2 本论文的研究意义

1.3 国内外研究现状概述

1.4 本论文的主要研究内容

2 高斯光束基本特性分析

2.1 高斯光束的基本特性

2.2 基模高斯光束在自由空间的传输规律

2.3 激光束特征参数的测量方法

2.3.1 束宽及其测量方法

2.3.2 远场发散角及其测量方法

2.4 本章小结

3 激光光束质量评价系统方案设计

3.1 传统的光束质量评价方法

3.2 M2因子及其测量方案设计

3.2.1 M2因子

3.2.2 M2测量原理及方案

3.2.3 光束质量评价系统的设计

3.2.4 多模高斯光束的M2因子

3.4 本章小结

4 激光光斑图像处理软件设计

4.1 软件系统结构

4.2 图像处理工作流程图

4.3 程序界面

4.4 软件实现方法

4.4.1 设备无关位图DIB

4.4.2 位图灰度转换处理

4.4.3 VC++调用Matlab

4.4.4 软件实现的类和函数

4.5 本章小结

5 激光光束质量评价系统的应用研究

5.1 实验系统建立及实验方法

5.1.1 光斑采集系统组成

5.1.2 激光光斑图像采集

5.2 激光光斑图像处理及实验结果

5.2.1 定标

5.2.2 中值滤波处理

5.2.3 拟合曲线分布

5.2.4 三维模拟窗口

5.2.5 测量结果

5.3 基于刀口法的光束质量评价

5.3.1 刀口测量法基本原理

5.3.2 测量结果

5.4 结果分析

5.5 本章小结

6 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录