激光波长实时测量中的能量分析

一、引　　　言

激光波长的实时测量是激光信号探测中的一个热点问题,它的最终目的是要实现在室外实时测量被动入射激光波长。以往的激光波长计一般都是在实验室中测量主动入射激光的波长,由于是主动入射激光,我们可以调节入射激光波长计的方向,使之达到正入射,并可粗略测知入射激光的波长范围,从而简化了激光波长的测量难度;由于这些激光波长计是用于实验室中,我们可以使噪声基本消除,并可适当调节入射激光强度,使得测量效果良好。但实时测量被动入射激光波长则大不相同,由于是被动入射,我们无法预知待测激光的入射方向,也无法获知其波长的粗略范围,这就要求测量系统能够测量较大视角、较宽频带范围内的入射激光波长。为此,J·J·Snyder提出用F-P标准具组来测量被动入射激光波长[1],此法虽然是一种有益的尝试,但我们在实验中发现其自动处理时间较长,虽经我们改进,仍然一次测量需要1s量级。为实现实时测量被动入射激光波长,我们提出光栅法[2,3],此法可使激光波长的一次测量时间减少为50ms。本文主要讨论我们提出的利用光栅实时测量激光波长中的能量和信噪比,并提出了此法可探测激光波长所必须的入射激光能量范围。

二、激光波长实时测量中有关能量的理论分析

我们不难推出光栅衍射的能量分布公式是:

式中,A0为入射激光的振幅,b为光栅每个狭缝的缝宽,d为光栅周期,θ为激光经光栅的衍射角,λ为入射激光波长,N为光栅缝数。

令A0=1(单位),则由(1)式可得θ-I关系曲线,如图1。由图1可看出:(1)光栅衍射的各峰值能量相差不多,这有利于图象处理中的消噪声;(2)光栅衍射的各峰值位置间距相等,便于进行数据采集和自动计算。利用光栅实时测量激光波长的计算公式为:

式中,λ为待测激光波长,λ0为基准激光波长,Δx为待测激光光栅衍射的相邻能量峰值间距,Δx0为基准激光光栅衍射的相邻能量峰值间距。

由于通常在日光和灯光照射下的实验噪声主要是高斯白噪声,我们可以把高斯白噪声的光强设为N0,则由(1)式可以得到光栅法测量激光波长过程中的信噪比:

实验中,采用面阵CCD探测元件,那么,CCD探测到的光强应为信号光强和噪声光强之和:I总

由于CCD探测元件存在饱和光强,因此可以设最大的可探测光强I总=1(单位)。令N0=A20,则可以得出θ-I总的关系曲线,见图2。令N0=3A20,则可以得出θ-I总的关系曲线,见图3。令N0=7A20,则可以得出θ-I总的关系曲线,见图4。

由图2~4,我们可以清楚地看到,随着信噪比SNR的减小,可探测激光信号逐渐减小,直至探测不到。