Using a digital recording video system for controlling laser radiation parameters.pdf Введение Развитие лазерной физики сопровождается появлением лазеров дальнего ИК- и ТГц-диапазо¬нов, а также их внедрением в такие отрасли, как информационные и производственные технологии, медицина, системы диагностики и неразрушающего контроля, системы аэрокосмического дистанционного зондирования земной поверхности, технологии машиностроения. Все это приводит к повышению требований к точностям, средствам и методикам выполнения измерений параметров и характеристик непрерывного, импульсного и импульсно-периодического лазерного излучения. При этом в большинстве сфер применения лазеров, помимо энергетических, важную роль играют пространственные параметры и характеристики излучения [1]. Согласно стандартам ISO, в общем случае, к таким параметрам можно отнести [2-4]: - диаметр пучка; - местоположение перетяжки; - диаметр перетяжки; - угол расходимости; - коэффициент распространения пучка. Исследование таких параметров и характеристик лазерного излучения, с одной стороны, способствует совершенствованию самих лазеров и систем в целом, с другой - улучшению качества излучения. Пространственные параметры относятся к одним из важнейших свойств лазерного излучения при решении задач спектроскопии, атомной интерферометрии, дальнометрии, лазерной локации, фокусировки излучения, обработки материалов [5]. Одним из распространенных методов определения пространственных параметров лазерного излучения является метод, основанный на измерении распределения плотности мощности (энергии) в поперечном сечении лазерного пучка и последующем вычислении моментов первого и второго порядков полученной функции. Однако аппроксимирование аналитической функцией полученного распределения часто не представляется возможным. Вследствие этого предусмотрены альтернативные методы измерений, такие как метод перемещаемой щели, метод движущегося резкого края (ножа Фуко) и метод варьируемой диафрагмы [2-4]. Однако эти методы позволяют определить с высокой точностью только параметры непрерывного (или квазинепрерывного) излучения со стабильной осью диаграммы направленности, например, излучения газовых CO2-лазеров. При этом проблема улучшения качества лазерного пучка остается актуальной, это особенно важно для многомодовых лазеров [6]. В связи с этим необходима разработка соответствующих измерительных средств, методов и универсальных методик выполнения измерений. Стремительный прогресс в развитии компьютерной и вычислительной техники создал предпосылки для разработки многофункциональных, в реальном масштабе времени с наглядным отображением результатов качественных и количественных измерений, устройств на базе серийных цифровых камер, контроллеров ввода изображений, микропроцессоров. Такие измерительные устройства особенно необходимы при непрерывном или периодическом контроле параметров и характеристик лазерного излучения вследствие наличия различных дестабилизирующих факторов, таких как тепловая линза (температурные эффекты), износ активного элемента, вибрация резонаторных зеркал и др. [1]. Метод исследования Несмотря на имеющееся сегодня многообразие различных методов и технических средств, процесс измерений пространственных параметров и характеристик лазерного излучения остается сложной прикладной научной задачей в области метрологии и оптической радиометрии. Это особенно проявляется в ряде случаев: - при проведении исследований распространения лазерного излучения в атмосфере; - при выполнении измерений пространственных параметров и характеристик лазерных пучков с широкой апертурой, превышающей размеры приемной площадки измерительного преобразователя (матричного фотоприемника); - при регистрации излучения с высокой плотностью мощности (энергии), превышающей порог разрушения чувствительной площадки фотоприемника [7]. В этих случаях перспективным оказывается метод измерений, основанный на параллельном преобразовании энергии (мощности) излучения матричным фотоприемником в различных точках проективного изображения распределения излучения в поперечном сечении лазерного пучка на диффузно отражающем экране (рис. 1). Это обусловлено современным состоянием вычислительной техники и технологиями фотоприемников, позволяющими изменить и сократить традиционный процесс оптико-физических измерений. Высокие метрологические характеристики ПЗС-мат¬риц, такие как линейность свет-сигнальной характеристики, жесткость растра, а также быстродействие вычислительных средств и контроллеров ввода видеоизображения, позволяют реализовать соответствующие методики выполнения измерений [8, 9]. Рис. 1. Принципиальная схема измерений пространственных параметров лазерного излучения Регистрирующая видеосистема включает в себя цифровую видеокамеру с формирующей изображение оптической системой. При этом диапазон спектральной чувствительности ПЗС-матрицы включает спектр измеряемого лазерного излучения. Оптическая система, представляющая собой фотографический или телевизионный объектив, обеспечивает центропроективное построение оптического изображения картины распределения плотности энергии (мощности), создаваемой лазерным излучением в поперечном сечении пучка в плоскости диффузно отражающего экрана, на матричном фотоприемнике регистрирующей цифровой видеокамеры в необходимом масштабе. При регистрации лазерного излучения с высокой мощностью возможно использование ослабляющих светофильтров, что дает возможность дополнительно управлять шириной динамического диапазона регистрации в случае использования цифровых камер с линейной свет-сигнальной характеристикой. Это позволяет с высокой точностью выполнять качественные измерения профиля интенсивности, а также количественные измерения размеров пучка по необходимому уровню интенсивности, определяемому по отношению к его максимальному значению [8]. В составе регистрирующей видеосистемы возможно использование цифровых камер со спектральным диапазоном чувствительности, соответствующим длине волны излучения, с линейной свет-сигнальной характеристикой как на основе ПЗС-, так и КМОП-матриц. Это обусловлено развитием цифровых технологий, а также возможностью интегрировать на одной подложке фоточувствительные элементы, схемы управления и аналого-цифрового преобразования. Камеры для регистрации пучка лазерного излучения имеют различные типы чувствительных элементов [9]. Широкое распространение для задач фотометрии получили кремниевые ПЗС-матрицы, использующиеся при регистрации лазерного излучения видимого и ближнего ИК-диапазона (0.4-1.9 мкм), микроболометрические матрицы - среднего ИК- и ТГц-диапазона (2-300 мкм). В качестве таких камер могут использоваться, например, камеры типа SP, LT, Pyrocam (Spiricon), RIGI-MIRM2 (SwissTerahertz), Onca-MWIR-InSb (Xenics) и др. [10-12]. Поверхность экрана должна обеспечивать диффузное отражение [8] излучения (рис. 2) и удовлетворять следующему условию: (1) где λ - длина волны излучения; h - высота шероховатости; α - угол падения излучения на экран. Рис. 2. Характер диффузного отражения экрана В результате последующей цифровой обработки зарегистрированного изображения получают измерительную информацию об интересующих параметрах и характеристиках лазерного излучения. Использование диффузно отражающего экрана для визуализации относительного распределения плотности мощности излучения, в отличие от термобумаги, металлизированного пластика, а также флуоресцентных материалов [13], позволит значительно сократить и упростить процесс получения и обработки измерительной информации. Однако широкое применение данного метода требует разработки и совершенствования специализированных регистрирующих видеосистем, а также алгоритмов обработки изображений пучка лазерного излучения с их реализацией в расчетных программных средствах. Полученный при выполнении регистрации в процессе преобразования оптического изображения электронный образ отражает взаимодействие физических явлений и объектов, которое для получения полезной информации может быть описано математическими выражениями. При этом расчет параметров излучения базируется на определении общих коэффициентов, связывающих физические величины (размеры, плотность энергии и др.) с дискретными данными (пиксель, яркость и пр.) Значения этих коэффициентов зависят от конкретных условий измерения и задаются при помощи процедуры калибровки. В процессе калибровки определяются следующие коэффициенты: линейный масштаб регистрации; значение яркости в столбце j и строке i; значение маски в столбце j и строке i; приведенное значение энергии пикселя по значению яркости. На следующем этапе расчета определяются координаты энергетического и геометрического центров поперечного сечения пучка в плоскости регистрации относительно центра диффузно отражающего экрана, выбранного за начало координат при проведении геометрической калибровки [8, 14]: , (2) , (3) , (4) (5) где Lob, Lim - длина масштабного отрезка, установленного в плоскости экрана (линейки), и длина его изображения в кадре; E - полная пиксельная энергия пучка; Wij - средняя плотность энергии области пучка, сопряженной с ij элементом матрицы; segm - операция сегментации для исключения влияния неинформативной засветки кадра. Для дальнейшего расчета пространственных параметров пучка излучения (угол расходимости, коэффициенты распространения пучка, положение перетяжки) определяется диаметр окружности [2-4], в которую полностью вписывается распределение плотности мощности. Уменьшая количество элементов изображения на определенное значение можно определить диаметр окружности по конкретному необходимому уровню от максимальной интенсивности [8]: (6) Используя результаты расчета по формулам (2) - (6), угол расходимости и другие пространственные параметры лазерного излучения можно определить методами, указанными в [2-4]. Представленный алгоритм в данной работе реализован в пакете прикладных программ для решения задач технических вычислений MathLab. Данное программное средство выполняет ряд ключевых функций: - выполнение обработки полученных в результате регистрации изображений; - сохранение и документирование результатов измерений. Дополнительно для задания исходных данных и цифровой обработки зарегистрированного пучка лазерного излучения спроектирован графический интерфейс. В данной работе были выполнены измерения относительного распределения плотности мощности в поперечном сечении пучка и диаметра пучка излучения импульсно-периодического лазера на основе кристалла александрита Cr3+: BeAl2O4. Измерения в ближней и дальней зоне выполнялись при помощи анализатора профиля лазерного пучка PYROCAMIII-HR-C (Spiricon) и регистрирующей видеосистемы на базе скоростной камеры VS-FAST/G12 (частота кадров до 500 Гц при разрешении 1280×1000) с объективом (f = 8.2 мм). Для имитации дальней зоны в работе использовалась фокусирующая двояковыпуклая линза (f = 250 мм). Обработка результатов регистрации, полученных с использованием PYROCAMIII-HR-C, осуществлялась при помощи штатного программного обеспечения BeamGage. Для обработки изображений, полученных при помощи камеры VS-FAST/G12, применялось разработанное нами программное средство на базе MathLab. Параметры излучения используемого лазера на основе кристалла александрита Cr3+: BeAl2O4 представлены в таблице. Параметры излучения используемого лазера на основе кристалла александрита Cr3+: BeAl2O4 № п/п Параметр Значение 1 Средняя мощность, Вт 10 2 Длина волны, мкм 0.75 3 Длительность импульса (FWHM), мкс 200 4 Частота следования импульсов, Гц 10 5 Диаметр пучка по уровню 1/e2, мм 6 Результаты Результаты регистрации относительного распределения плотности мощности лазерного излучения в ближней и дальней зонах, полученные при помощи PYROCAMIII-HR-C, представлены на рис. 3. В этом случае излучение направлялось непосредственно на приемную площадку (матрицу) анализатора. Для предотвращения повреждения матрицы излучение ослаблялось оптическим клином и нейтральными светофильтрами. При этом значение диаметра пучка по уровню 1/e2 от максимальной интенсивности в ближней зоне составило 6.1 мм, в дальней зоне - 1.2 мм. С учетом фокусного расстояния используемой линзы установлено, что значение расходимости излучения составило 4.8∙10-3 рад. Рис. 3. Относительное распределение плотности мощности излучения в ближней (слева) и дальней (справа) зонах, полученное при помощи PYROCAMIII-HR-C Результаты регистрации относительного распределения плотности мощности лазерного излучения в ближней и дальней зонах, полученные при помощи VS-FAST/G12, представлены на рис. 4. Рис. 4. Относительное распределение плотности мощности излучения в ближней (слева) и дальней (справа) зонах, полученное при помощи VS-FAST/G12 Геометрический масштаб регистрации составлял 0.22 мм/пиксель. Рассчитанное значение диаметра пучка (по уровню 1/e2 от максимальной интенсивности) по представленному алгоритму, реализованному в программном средстве на базе MathLab, в ближней зоне составило 5.7 мм, в дальней зоне - 0.8 мм. Соответствующее значение расходимости излучения составило 3.2∙10-3 рад. Таким образом, результат измерения диаметра пучка в ближней и дальней зонах по предлагаемой нами методике отличается от результата, полученного при помощи анализатора профиля лазерного пучка примерно на 7%. Анализ результатов Несоответствие на 7% результатов измерений диаметра пучка лазерного излучения двумя различными методами можно объяснить наличием дополнительных источников погрешностей в предлагаемом нами методе. В частности, погрешность может быть обусловлена аберрациями используемого фотографического объектива при получении изображения относительного распределения плотности мощности по поперечному сечению пучка. Дополнительным источником погрешности может являться неравномерность отражательных характеристик используемого диффузного экрана. Еще одной составляющей погрешности является определение геометрического масштаба съемки, в том числе определение длины масштабного отрезка, установленного в плоскости экрана (линейки), и длины его изображения в кадре. Заключение Таким образом, реализованный алгоритм и созданное программное средство могут использоваться при проведении различных исследований распространения лазерного излучения в атмосфере, при количественных и качественных измерениях параметров лазерных пучков с широкой апертурой, а также представляют собой научно-технический задел для разработки и создания специализированных измерительных стендов и комплексов, соответствующих требованиям международных стандартов.

Скачать электронную версию публикации