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CCD光电响应非线性特性对激光远场焦斑测量及光束质量计算的影响
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2021-02-03
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建立圆环形聚焦平面光束通过Kolmogorov湍流大气的远场传输模型,考虑实际CCD所存在的“死区”及非线性饱和效应等非线性光电响应特征,以中心遮拦比为0.5的圆环形聚焦光束为例,分别计算了其通过不同强度湍流大气传播至远场焦平面上的实际真实远场光强分布曲线和CCD测量远场光强分布曲线,并以峰值斯特雷尔比RS、光束质量因子β和环围能量比Ree三种参数作为评价远场光斑质量的指标,考察了死区大小以及光斑非线性饱和程度对实际远场光强分布的测量和光束质量评估的影响,对计算结果以及减小测量误差的解决途径进行了分析讨论。
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书书书
第
39
卷
第
4
期
中
国
激
光
Vol.39
,
No.4
2012
年
4
月
犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛
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,
2012
犆犆犇
光电响应非线性特性对激光远场焦斑测量及
光束质量计算的影响
贺元兴
1
,
2
,
3
李新阳
2
,
3
1
国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南 长沙
410073
2
中国科学院光电技术研究所,四川 成都
610209
3
中国科学院自适应光学重点实验室,四川 成都
烄
烆
烌
烎
610209
摘要
建立圆环形聚焦平面光束通过
Kolmo
g
orov
湍流大气的远场传输模型,考虑实际
CCD
所存 在的“死 区”及 非
线性饱和效应等非线性光电响应特征,以中心遮拦比 为
0.5
的 圆环 形聚 焦 光束 为例,分 别计 算 了其 通过 不 同强 度
湍流大气传播至远场焦平面上的实际真实远场光 强分 布曲 线 和
CCD
测 量远 场光 强 分布 曲线,并 以 峰值 斯特 雷 尔
比
犚
S
、光束质量因子
β
和环围能量比
犚
ee
三种参数作为评价远场光斑质量的指标,考察了死区大小以及光斑非线性
饱和程度对实际远场光强分布的测量和光束质量评估的影响,对计算结果以及减小测 量误 差的解 决途 径进行 了分
析讨论。
关键词
测量;远场焦斑;光束质量;
CCD
“死区”;非线性饱和效应;湍流大气
中图分类号
TN247
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犆犑犔201239.0408001
犃狀犪犾
狔
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1
,
2
,
3
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2
,
3
1
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犵
,
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犵狔
,
犆犺犪狀
犵
狊犺犪
,
犎狌狀犪狀
410073
,
犆犺犻狀犪
2
犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅
犳
犗
狆
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,
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狔
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犳
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,
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犵
犱狌
,
犛犻犮犺狌犪狀
610209
,
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3
犓犲
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犔犪犫狅狉犪狋狅狉
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狅狀犃犱犪
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,
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,
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,
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,
烄
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犜犺犲犳犪狉犳犻犲犾犱
狆
狉狅
狆
犪
犵
犪狋犻狅狀 犿狅犱犲犾狅犳犪狀狀狌犾犪狉
狆
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犵
犺 犓狅犾犿狅
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狆
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狆
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,
狊狌犮犺犪狊狊狅犮犪犾犾犲犱"犱犲犪犱狕狅狀犲"犪狀犱狀狅狀犾犻狀犲犪狉狊犪狋狌狉犪狋犻狅狀犲犳犳犲犮狋狅犳
犆犆犇狊犲狀狊狅狉犪狉犲犮狅狀狊犻犱犲狉犲犱犪狊狑犲犾犾
,
狋犺犲狋犺犲狅狉犲狋犻犮犪犾犳犪狉犳犻犾犲犱犻狉狉犪犱犻犪狀犮犲
狆
狉狅犳犻犾犲狊狅犳犪狀狀狌犾犪狉犫犲犪犿 狑犻狋犺狅犫狊犮狌狉犻狀
犵
狉犪狋犻狅
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犵
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,
犫犲犪犿
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狇
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,
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犓犲
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狑狅狉犱狊
犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋
;
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;
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;
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;
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;
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狆
犺犲狉犲
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
122.4800
;
040.1520
;
010.1300
;
010.1330
;
230.0040
收稿日期:
20111013
;收到修改稿日期:
20111216
作者简介:贺元兴(
1984
—),男,博士研究生,主要从事高能激光技术方面的研究。
Email
:
y
uanxin
g
he
@
163.com
导师简介:李新阳(
1971
—),男,研究员,博士生导师,主要从事自适应光学和高能激光技术等方面的研究。
Email
:
x
y
li
@
ioe.ac.cn
1
引
言
远场焦斑空间能量分布的测量以及光束质量评
估计算是激光光学领域十分重要的研究课题。由于
远场焦斑的空间能量分布包含了非常丰富的光束质
04080011
中
国
激
光
量信息,对其进行准 确测量是 正 确评估光 束 质量的
前提。 目前,远 场焦斑的测 量方法很多,有 扫描法、
感光法、烧蚀法和 阵 列探测法 等
[
1
]
。扫 描 法 测 量 远
场焦斑对光源的稳 定性有一 定 要求;感光法和 烧 蚀
法均存在不能准确定量的问题;阵列探测法[如基于
电荷耦合器件(
CCD
)成像方法]克 服了前三 种 测量
方法的不足
,具有实时性好、灵敏度高和数据处理方
便等诸多优点
,已经 成为测量 远 场焦斑空 间 分布以
及光束质量的主要 手 段。在 实 际应用中 发 现,
CCD
对入射激光能量的光电响应特性往往并非满足严格
的线性变化规律,表现出一定的非线性响应特征,这
主要包括两方面,即
CCD
“死区”的 存在和非线 性饱
和效应
[
2
]
。“死区”使得当入射激光能量小于某一特
征能量阈值时
CCD
并没有相应的输出响应,当入射
激光能量超过“死区”范围之后,
CCD
的输出响应 才
可以反映入射光能 量的变化,二者成简 单 的线性关
系,随着入射激光能量的进一步增加而超出
CCD
的
线性响应范围后,
CCD
的输出与入 射激光能量 之间
的线性变化规律被破坏,表现为
CCD
的输出响应呈
现出一定的饱和效应,此时
CCD
的输出已不能反映
真实入射激光能量信 息。 显然,“死 区”以 及非线性
饱和效应均会影响对实际远场光斑强度分布的测量
及光束质量的评估,因 此 研究二者 对 测量结果 的 影
响便显得尤为重要。激 光经
Kolmo
g
orov
湍流大气
的远场传 输 问 题 是 人 们 普 遍 关 心 的 经 典 问 题
[
3
,
4
]
,
从分析大气湍流波像差对远场光斑质量以及能量集
中度的影响来看,峰值斯特雷尔比(
Strehlratio
)
犚
S
、
光束质量因子
β
(亦称光束
β
值)以及环围能量比
犚
ee
是 该 应 用 领 域 里 用 得 较 多 的 光 束 质 量 评 价 指
标
[
5
,
6
]
。本文 将 通 过 建 立 环 形 聚 焦 平 面 光 束 通 过
Kolmo
g
orov
湍 流 大 气 的 远 场 传 输 模 型 以 及 描 述
CCD
光电响 应 非 线 性 特 征 的 简 化 模 型,全 面 考 察
CCD
“死区”以及非线性饱和效应对实际远场光强分
布和三种光束质量 评价参数 测 量结果的 影 响,并 对
减小测量误差的途 径进行讨 论,为 实 际工作提 供 一
定的理论指导和参考。
2
理论模型
2.1
环形聚焦平面光束远场传输模型
对于有限孔径发射光束,在通过局地均匀、各向
同性湍流大气传输距离
狕
后到达接 收 平面,根据广
义惠更斯 菲涅 耳原理,在 近 轴 近 似 下,接 收 面 上
犘
点处的平均光强为
[
7
]
〈
犐
(
犘
,
狕
)〉
=
犽
2
π
( )
狕
2
×
1
犃
∫
ex
p
[
-
i
(
犽
/
狕
)
ρ
·
犘
]
τ
(
ρ
)
d
2
ρ
,(
1
)
式中
犽
=
2
π
/
λ
为波数,
λ
为激光波长;
ρ
=
狉
1
-
狉
2
,
狉
1
、
狉
2
为发射孔径内任意两点 的位置矢量;
τ
(
ρ
)为 整个
光束传输系统的调制传递函数(
MTF
),可表示为
〈
τ
(
ρ
)〉
=
犃
∫
〈
犌
狉
+
1
2
( )
ρ
×
犌
狉
-
1
2
( )
ρ
〉
犝
狉
+
1
2
( )
ρ
×
犝
狉
-
1
2
( )
ρ
ex
p
[
i
(
犽
/
狕
)
ρ
·
狉
]
d
2
狉
,(
2
)
式中,角括号〈〉表示统计平均值;
犃
为归一化系 数,
使得〈
τ
(
0
)〉
=
1
;
狉
=
(
狉
1
+
狉
2
)/
2
;
犝
(
狉
)为发射孔径
内光波复振幅分布;
犌
(
狉
)表示由发射孔径内
狉
点发
出的球面波经湍流大气到达接收面上
犘
点处光场的
扰动量,对 于
Kolmo
g
orov
湍 流,满 足 局 地 均 匀、各
向同性条件,(
2
)式等号右边被积函数中的摄动项可
表示为
[
8
]
〈
犌
狉
+
1
2
( )
ρ
犌
狉
-
1
2
( )
ρ
〉
=
ex
p
[
-
3.44
(
ρ
/
狉
0
)
5
/
3
]
.
(
3
)
将(
3
)式代入(
2
)式,则激光 传输系统 总 的调制
传递函数可表示为无湍流扰动激光发射系统的调制
传递函数
τ
0
(
ρ
)与大气湍流 所对应的调 制传递函数
之积,则(
2
)式可表示为
〈
τ
(
ρ
)〉
=
τ
0
(
ρ
)
ex
p
[
-
3.44
(
ρ
/
狉
0
)
5
/
3
], (
4
)
式中
τ
0
(
ρ
)
=
犃
∫
犝
狉
+
1
2
( )
ρ
犝
狉
-
1
2
( )
ρ
×
ex
p
[
i
(
犽
/
狕
)
ρ
·
狉
]
d
2
狉
.
(
5
)
假设
犇
、
犱
分别为环形聚焦发射系统发射端的
外圆及中心挡板直径,中心遮拦比
ε
=
犱
/
犇
,发射激
光的总功率为
犘
t
,则发射孔径所在平面内光波场复
振幅分布为
犝
(
狉
)
=
4
犘
t
π
犇
2
(
1
-
ε
2
槡
)
ex
p
-
i
犽
狘
狉
狘
2
2
( )
犳
,
犱
/
2
≤
狘
狉
狘
≤
犇
/
2
0
,
烅
烄
烆
other
(
6
)
式中
犳
为聚焦系 统 的 有 效 焦 距。将 (
6
)式 代 入(
4
)、
(
5
)式,由 圆 对 称 性,
τ
(
ρ
)、
τ
0
(
ρ
)仅 依 赖 于
ρ
,并 且
(
5
)式右边积分项在数值 上等于中心 间隔为
ρ
的两
个圆环重叠区域的归一化面积,归一化系数
犃
为发
射激光的总功率
犘
t
的倒数。
04080012
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