激光光束质量诊断与测量研究

国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文

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摘要

光束质量是衡量激光器性能重要的指标之一，光束质量的准确测量和评价对研制激光器以及激光系统应用有重要的指导意义。尤其在高能激光等着眼于远场能量集中和聚焦的应用领域，高光束质量输出相对高能量/功率输出甚至更为重要。本文回顾了目前激光光束诊断与评估技术领域内主要的激光光束质量评价的方法，包括了聚焦光斑尺寸ωωff 和远场发散角θθ，光束质量因子ββ，斯特列尔比SS RR ，光束传

播因子MM 2，环围能量比BBBB ，光束传输因子BBBBBB 等，讨论分析了这些方法的适用特点以及不足之处，阐述了目前激光光束质量没有统一的评价指标、某些测评工作的具体实施与数据处理尚需规范的现状。由于激光光束评估的工程应用需求，本文首先简要介绍了经典标量衍射理论和菲涅尔衍射近似、夫朗和费近似，以及畸变光束波面参数的描述方法，给出了圆环形、方环形均强平面光束的远场强度分布解析公式。基于不同形状、不同尺寸的衍射孔径，对理想光束或携带模拟波前相位信息的畸变光束进行了远场传输数值计算；并通过光束远场强度分布随畸变光束波像差大小的变化，探讨了“小像差”模式下的光束质量评价方法。此外，本文还研究了焦平面阵列探测器非均匀校正算法。通过回顾两类非均匀校正算法，分别为基于红外参考辐射源的非均匀性校正算法和基于场景的自适应校正方法；给出校正算法的通用模型，着重分析讨论了近年来倍受关注的几种非均匀校正算法的优缺点，主要包括两点校正算法、多点校正算法、时域高通滤波算法（THPFC ）、人工神经网络算法（ANNC ）等。对光束远场红外图像序列开展了相应算法验证，初步探索研究了基于场景的非均匀校正算法在红外测量系统中的应用前景。最后基于LabVIEW 环境开发了可同时在线监测光纤激光器输出功率、近场光强分布和远场光束质量的GUI 软件，设计实验光路、搭建实验平台，对大功率光纤激光器输出性能指标进行了测试评估，并通过商用测量系统对该实验平台进行了测试数据对比验证。

主题词：高能激光 光束质量 小像差 大功率光纤激光器