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1、一种简易的激光横模观测系统摘要：为了方便地观测激光的横模特性，利用Matlab的摄像头编程技术，实时获取激光的光斑图像。再利用图像数据处理方法，将激光强度转化为可以方便显示的灰度值，从而可以实现激光模式的二维或三维实时在线显示。该方法结构简单，成本低，可以方便地开展激光模式的实时观测，为激光模式观测提供一个可以借鉴的方法。关键词：激光模式；Matlab；在线观测；图像处理中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324(2016)51-0267-02一、引言在激光类的课程教学过程屮，谐振腔理论是一个非常重要的内容。该部分内容比
2、较抽象，而且数学知识较多，其中激光横模特性更加抽象。为了解横模特性，理论上主要是从菲涅耳一基尔霍夫积分衍射方程出发，求得其近似解析解，或者利用数值迭代的计算方法。实验上可以有热成像，线性扫描，激光模式分析仪来进行直观地观测。教学上激光实验的开展主要还是围绕激光谐振腔来实验，激光模式的观察与控制就显得非常重要。因此，需要能够实时地显示激光模式的变化，当谐振腔参数变化时，模式是如何地变化等，使学生能更好地了解模式与腔的关系。本文正是在这样一个背景下，围绕如何控制各个模式的出现与观测，以及分析其形成与消亡的原因，自行制作了一套简易的模式观测实时显示系
3、统。二、实验装置实验中用到的摄像头为普通的USB接口的摄像头，编程用Matlab2007以上的版本，利用Matlab对摄像头进行编程不需要写太多代码，帮助中给岀的例子程序就够用了。下面给出编程的主要代码，方便参考。获取摄像头vid=videoinput(，winvideo')；获取图像大小vidRes=get(vid,，VidcoResolution')；imWidth二vidRcs(1)；imHeight二vidRes(2)；nBands=get(vid,'NumberOfBands')；?0定图像大小hlmage二image(zeros(i
4、mHeight,imWidth,nBands))；set(gca,'unit','pixels','position',[35145imWidthimlleight])；此处的35和145是屏幕上相对位置。预览图像preview(vid,hImage)；捕获图frame=getsnapshot(vid)。图像数据存在三维数组frame里面，其结构是[x,y,Value],value代表了各个点的RGB值，利用z=(3O*R+59*G+11B)/100,可以转换成相应灰度值。这样就生成一组[x,y,z]的数据，x,y表示光斑位置，z代表灰度值，也
5、就是光强，这样就可以绘制出一幅光斑模式的二维或三维图,对于基模等都能做到很方便地观测与分辨。实验中用的激光器为开腔He-Ne激光器，最大输出功率小于5mwo为了避免摄像头产生饱和，以至于观测到一片白色，无法对其强度做出分辨。我们尝试让摄像头获取激光器全反镜透出的光斑，先照射到一张黑纸上，然后TEM00、低阶模TEM01,TEM10用摄像头获取照射面的图像。这样不但避免了散射对光的均匀化，也不会产生饱和作用，实验证明：这种方法简便易行，对观测结果没有影响，而且可以做到实时动态显示。三、实验结果激光器稳定运转后，首先调节谐振腔，使激光器输出基模，对
6、于小功率激光器，一般都能够满足。基模图像如图1(a)所示，这是光斑直接照在口墙上拍照所得。图1(b)是用实时观测系统在电脑端显示的图像，这里给出的是一个三维的相对光强分布。相对二维分布，三维光强分布能够体现出高斯光束高斯分布的特点。图像中心由于光强饱和，显示出一个平顶，所以对观测系统，后续的图像数据处理还可以不断优化。高阶模式的获得可以将输出镜的调整螺丝轻微扭动，当获得一个稳定的模式输出时停止。这并不是说在基模时谐振腔就调整地非常好，恰恰相反，能够实现高阶模，尤其是圆柱对称的高阶模，谐振腔的对称性才最好。图2是实验中观察到的TEMO1模式，图2
7、(a)是通过扩束镜后照射在白纸上拍照形成的，图2(b)是实时观测到的图像。虽然扩束镜给出的结果看上去更清晰一些，但扩朿镜是个短焦透镜，在使用中的调整还是有些不方便。包括入射光的位置选择，扩束后拍照位置的选择等，都需要一定的技巧和经验。而实时观测系统只要摄像头固定好了，基本不用再调整，需要做的就是在电脑端记录下比较理想的图像。图3是一个非常难以获得的模式，该模式在教科书中比较常见，大多数图像都是给出的理论模拟图像，如3(a)所示。该模式的获得需要谐振腔的圆柱对称性得以满足，而这个条件在气体放电中往往很难满足，实验屮也是在多次调整过程中偶然获得，而
8、且重复性也很难保证。实验过程中还获得了许多模式，这里就不一一展示。对于开展激光实验，可以对照教科书上的模式一一尝试，如果能够获得当然最好，可以理论结合
