用光纤束整圆的结果与用单 根光纤一样

  深圳大学研究生课程论文 标题问题 基于光纤耦合激光照明器布局研究 成就 专业 电子科学取手艺 课程名称、 代码 激光道理及手艺 年级 2014 级 姓名 康志鹏 学 号 2140190517 时间 2015 年 1 月 任课教师 余建华 基于光纤耦合激光照明器布局研究 摘要: 本文研究半导体激光器做为自动红外夜视照明光源所碰到的问题, 会商利用光纤对半 导体激光器进行光束整圆和光斑平均化的过程, 并对各类光纤进行比力, 提出处理夜视激光 照明惹起的模式噪声的方式。 环节词 自动红外夜视,多模光纤,模式噪声。 Based On Optical Fiber Coupled Laser Illuminator Structure Research Abstract: The problem in the application of LD as an active infrared light source of illumination in night-viewing is studied. The LD beam’s normalizing and cula’s equalizing process by optical fiber are investigated. Varieties of optical fibers are compared and the inhibiting method of the mode noise caused by laser illumination in night-viewing is suggested. Keywords: active infrared night viewing, multi-mode optical fiber, mode noise. 1 引 言 现代社会中,夜视手艺的使用范畴越来越普遍,其主要性也日益添加。夜视次要分为从 动夜视手艺和被动夜视手艺两个部门。 此中激光照明夜视手艺属于自动夜视手艺, 而红外热 成像及微光夜视手艺属于被动夜视手艺。 被动夜视手艺的长处是荫蔽性好, 不容易被目 标察觉,错误谬误是的距离十分无限,光强弱,看不清方针的细节,被动夜视设备的价 格也比力高贵。而激光照明自动夜视手艺,有辅帮照明光源,因而存正在易被发觉的错误谬误,然 而它的长处良多,它的可视距离远、成像很清晰、价钱低廉、体积小、便于照顾。因为被动 夜视的道理是拾取中的天然光,然后将其放大,正在能见度很低的夜晚,被动夜视的结果 会很是差, 因而被动夜视有很大局限性, 适合其使用的场所不多。 激光照明辅帮夜视则否则, 因为它具有可是距离远、成像清晰等长处,使用场分普遍,并且能够利用近红外激光辅 帮照明来降服荫蔽性差的错误谬误,正在荫蔽性要求不是很高的场所,都能够使用,因而激光辅帮 照明夜视手艺的研究具有更为深远的意义。 2 光纤耦合激光辅帮照明的使用 光纤耦合激光照明器做为一种新型的照明设备, 正在同样输出光功率下, 光纤耦合激光照 明器正在输出光束质量、光束传送特征、体积大小、利用的靠得住性及矫捷性等方面都有着极大 的劣势。因而光纤耦合激光照明器以其杰出的机能和低廉的价钱,正在边关海防的、交通 平安、城市监管军事等范畴的使用越来越普遍。 3 光纤耦合激光照明器的工做道理 光纤耦合激光照明器是用于夜视的辅帮照明设备, 本设备把多个近红外半导体输出 的红外激光通过光纤耦合手艺耦合进一根光纤, 将光纤输出端瞄准可变焦的光学系统, 通过 光学系统输出的激光对远处方针进行映照,用 CCD 摄像机对反射回来的光线成像,从 而实现夜视。 其工做的系统次要可分为两个部门:发射安拆和领受安拆。此中发射安拆就是光纤耦合 激光照明器,领受安拆由 CCD 摄像机和器构成。下面具体引见一下发射安拆和领受拆 置的工做过程。 发射安拆:发射安拆就是本文研究的光纤耦合激光照明器,起首由 LD 发射出红外激光, 通过微透镜和多模光纤进行光束准值和光纤耦合之后, 再通过按照映照距离要求设想的变焦 镜头, 实现对分歧距离方针的映照, 变焦镜头能够使光纤耦合激光照明器正在分歧距离上都能 一般察看方针,变焦镜头次要节制光束的发散角,近距离的时候因为光能损耗少,能够将光 束的发散角变大,使光强变弱,如许映照的范畴广,成像也脚够清晰,远距离时将光束的发 散角变小,使光能集中,如许虽然映照范畴小,可是不会因为光强弱而看不清方针。 领受安拆:领受安拆次要有 CCD 摄像机和器构成, 光纤耦合激光照明器映照到方针 后,用 CCD 摄像机的镜头对反射回来的激光光线进行领受,将 CCD 摄像机取器毗连 到一路,如许就能够正在器上看到画面。光纤耦合激光照明系统的工做道理图如图 1 所示: 发射安拆 微透镜 可挪动透镜 发射透镜 目 LD 光纤 表 接收安拆 器 CCD 相机 图 1 光纤耦合激光照明系统工做道理图 4 光束整圆 LD 光束是椭圆高斯光束,光束的垂曲发散角较大,其横场因为有高阶模的存正在而呈若 干长条状,光斑极不服均。LD 光束若间接利用是不会获得好的照明结果的,而必需对其进 行整圆和光斑平均化处置。LD 光束整圆可操纵椭圆微透镜或二元光学元件进行,我们提出 利用光纤对 LD 光束进行整圆和光斑平均化的思,这种方式工艺、布局简单,系统光学元 件数少,耦合效率高,适合于制做小体积、大功率的照明光源。用于光束拾掇的光纤为阶跃 折射率型多模单根光纤或光纤束。光纤对 LD 椭圆高斯光束的整圆,能够用纤维光学的射线 理论来注释。 α β β 图 2 光线通过曲圆柱光纤的传输行为 光纤是由内、外两层折射率分歧的材料拉制而成的细丝,光线正在此中全反射向前传输。 通过对子午光线阐发可知,一曲径很小的光束,当它取光纤轴呈夹角进入圆柱形光纤后,正在 光纤输出端能够构成一个空心圆光锥,锥角为 2β ,α =β ,其传输行为如图 1 所示。由斯 涅尔定律可知, 光纤孔径角θ 是光纤的最大入射角, 响应的暗示光纤聚光能力的物理量是数 值孔径,用 NA 暗示。α 正在 0~θ 之间变化时,锥角 2β 也正在 0~2θ 之间响应变化。当α θ 时,光线将不被传输。当光纤弯曲时,其数值孔径一般说来要减小。正在现实利用时,受多 方面要素的影响,实测的α 、β 值要比孔径角θ 的理论值小。 LD 光束可近似地处置为点光源发出的卵形立体光锥。当光锥极点置于光纤轴并通过 光纤传光时,由上述阐发不罕见出 LD 光束被光纤整圆的结论。用光纤束整圆的结果取用单 根光纤一样。整圆后的光锥锥角一般小于 50°。 5 光斑平均 因为受激光相关性的影响,光纤输出的幅射场是不服均的。已颁发的文献认为,单色相 干光经多模光纤传输激光发出大量的分歧模式彼此耦合, 因为受模式选择性损耗、 光纤机械 振动等要素的影响,各导模之间存正在着时延差,时延差小于 LD 相关时间的那些模式间矢量 相加,相互,其成果正在光纤出射端面的辐射光场分布构成近似散斑光场。正在这种不服均 的光场照明方针之后,图像上添加了很多犯警则花纹,图像噪声添加,图像分辩率下降。若 操纵示波器察看摄取的图像视频信号, 并取可见光信号比拟, 不难发觉散斑花纹对方针图像 信号构成寄生调幅。这种噪声取光纤发生的模式有很大关系,称为模式噪声。模式噪声取其 它噪声分歧,一旦方针消逝,噪声随之消逝,因而这种噪声又称之为乘性噪声,这是区别于 系统其它噪声的一个主要特征。 夜视系统利用激光照明该当尽量缩小散斑花纹粒度, 使光斑 平均,减小模式噪声,提高照明结果。模式噪声的大小取导模数几多关系很大,光纤导模数 越大, 辐射场的基元相幅矢量越接近核心极限所要求的两条统计假设, 输出辐射场就越 平均,模式噪声越小。为使光斑平均添加导模数是一个无效法子。 阶跃折射率型光纤的导模数 M 是: M? 1 2 v 2 即导模数 M 取光纤的特征参量归一化频次 v 相关。 v? 2?a ? ?NA?2 式中 a 为光纤芯半径;K 空中光波长;NA 为光纤数值孔径。 由此可见,光纤导模数 M 别离取光纤芯半径 a 和光纤数值孔径 NA 的平方成反比。 为使散斑花纹平均,我们可选用导模数大的光纤。正在激光器的频次确定后,应选用芯径 大、数值孔径大的光纤,提高光纤导模数。采用光纤束可进一步添加导模数,若光纤数为 m 的话,则光纤束总导模数为 mM,导模数添加了 m 倍。导模数的添加使光纤的输出场复杂 起来、夹杂得更好、分布得更平均,照明结果更好。 6 结论 将半导体激光器用于照明时, 能够采用光纤耦合的体例对光斑进行平均化处置, 通过实 验得出结论光纤耦合后的光斑质量较着提高, 并且跟着耦合数量的添加光斑平均性更好, 亮 度更大,照明结果更好。光纤耦合手艺也能够提高输出光功率,尝试证明当通过 LD 电流相 同时,光纤耦合激光照明器输出的光功率是和耦合的数量成反比的。别的,因为光纤的可挠 性好,并且靠得住、矫捷、便利,因而对光纤耦合激光照明器的研发,具有很好的现实使用价 值。 参考文献 [1]胡贵军,白冰, 高功率光纤激光器研究 大学学报,2003,21(4): [2]王锦昌 LD 激光照明 光学手艺,1998, 7(4): 15-18 [3]美女 半导体辅帮照明环节手艺研究: 【硕士学位论文】:理工大学,2011.3. [4]杨玉兰,孙金霞,付国柱 长距离红外激光照明自动成像系统研究 理工大学学报,2009,32(1):18-21 339-341

  激光道理_物理_天然科学_专业材料。深圳大学研究生课程论文 标题问题 基于光纤耦合激光照明器布局研究 成就 专业 电子科学取手艺 课程名称、 代码 激光道理及手艺 年级 2014 级 姓名 康志鹏 学 号 214019