[发明专利]一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统

说明书

本发明提供一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统，针对现有大尺寸激光光斑测量方法测量得到的光斑会出现许多与漫反屏的特性相关的“亮点”，进而影响激光光斑测量的准确性问题，通过将放置在靶面处的漫反屏在靶平面内以平动或旋转运动的方式缓慢地匀速运动起来，用相机拍摄激光束照射在漫反屏前表面不同位置处的光斑图像，对拍摄的光斑图像进行长曝光图像数据处理，获取消除“亮点”后的光斑图像、即获得真实可信的激光光斑分布特征，有效地解决了采用常规相机成像法测量大尺寸激光光斑时出现的“亮点”问题，不需引入光学系统、无像差，且易于实现。

技术领域

本发明涉及激光与物质相互领域中的一种激光光斑测量方法，尤其涉及一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统。

背景技术

自1960年第一台激光器问世以来，激光器的性能不断地提高和改善。凭借其方向性好、能量密度高等特点，被广泛应用于信息、医学、工业以及军事等领域。激光与物质相互作用研究同激光的工程和科学应用密切相关，大多数的激光应用都要通过激光与物质相互作用这座桥梁才能实现。

激光与物质相互作用研究泛指激光束辐照各种介质、材料和结构物(统称靶物质)所发生的物理、化学、生物等现象的研究领域。激光辐照靶物质后发生的主要物理现象，可归结为力学、热学和光电效应，主要研究内容和方向可分为物质对激光的反射、吸收和能量转化；激光对材料和结构的加热、熔化、气化和相关的力学效应；激光对电介质(包括光学材料和光学薄膜)和半导体的损伤及破坏等。

在激光与物质相互作用研究领域中，靶面激光光斑测量是获得靶面处激光功率密度分布的主要手段，非常重要，它可能决定激光与靶目标相互作用过程中的主要物理机制。

按激光光斑测量的主要设备(即实际接收激光光束的设备)来划分，常用的大尺度激光光斑测量方法有相机成像法和靶斑仪法。相机成像法利用光学系统对靶面共轭面成像，即在共轭面处放置一个具有良好朗伯散射特性(漫反射或漫透射)的屏，用相机对散射屏成像，相机输出图片中各像素点的灰度值代表光的强弱；靶斑仪法则将激光采样面直接置于靶面的共轭面上，一般由靶斑仪(由多个单元探测器按一定方式组成的平面阵列，以一定的时空分辨率对辐照到其探测面上的激光束功率进行采样的装置)和信号处理设备组成，靶斑仪中单元探测器的输出电压值代表光的强弱。相机成像法和靶斑仪法差异的实质在于是否对靶面共轭面成像，当靶面处的激光光斑尺寸小于相机的感光面时，可以用相机感光面直接接收激光光束，此时不带镜头的相机应视为靶斑仪，相应的方法归入靶斑仪法；当靶面处的激光光斑尺寸较大时，采用靶斑仪法测量时系统规模可能很大，且光斑分辨率受探测器平面阵列排布的限制。因此，在激光与物质相互作用领域中，通常采用相机成像法测量靶面处大尺度的激光光斑分布特征。

在本发明作出之前，在“切向气流作用下激光对纤维增强树脂基复合材料的辐照效应研究”([D]国防科技大学博士研究生论文.2012.)和“一种大尺寸激光光斑实时监测方法”(发明专利证书第1583088号)中，均采用相机成像法测量靶面处大尺寸的激光光斑。采用上述方法测量激光光斑时，光斑内常常出现许多“亮点”，这些“亮点”与漫反屏的特性有关，并不反映真实光强，严重影响了光斑测量的准确性。如图1给出的是采用常规相机成像法测量得到的靶面典型光斑照片，照片中各像素点的灰度值代表光的强弱，可以看出图中存在许多“亮点”，这些“亮点”是由于激光被漫反屏上的个别颗粒强散射造成的，因此该光斑图像并不能准确表征激光功率密度的空间分布特征。

发明内容

针对现有大尺寸激光光斑测量方法测量得到的光斑会出现许多与漫反屏的特性相关的“亮点”，影响了激光光斑测量的准确性问题，本发明提供一种测量靶面大尺度激光光斑的方法及系统，通过将放置在靶面处的漫反屏在靶面内以平动或旋转的方式缓慢地匀速运动起来，用相机拍摄激光束照射在漫反屏前表面不同位置处的光斑图像，对拍摄的多张光斑图像进行长曝光图像数据处理，获取消除“亮点”后的激光光斑图像、即获得真实可信的激光光斑分布特征，有效地解决采用常规相机成像法测量大尺寸激光光斑时出现的“亮点”问题、即解决激光光斑测量不准确问题，不需引入光学系统、不产生像差，且易于实现。