激光器光斑分析与焦距测试算法研究

发布时间：2020-10-09 12:15

　　焦距参数是激光二极管的一项重要指标,激光器焦距测试的目的是为耦合封装提供距离参考,从而减少耦合时间、提高耦合效率、降低耦合成本。目前在焦距测试领域,主要是功率反馈法,在三维平面进行重复性搜索,搜索时间长、且容易陷入局部极值。本文以提高测量精度、减少测量时间为目的,以CCD直射法为基础,通过分析激光器光斑类型与相邻帧的光斑图像差异,从图像灰度信息角度出发提出基于灰度方差的CCD测激光器焦距算法。本文的研究工作如下:(1)激光器焦距测试研究:本文对现有的以功率反馈为依据的激光器焦距测试算法进行分析,焦距测试存在精度不高、测试时间长的问题。由于激光器制造工艺的差异,激光光束不是理想高斯光束,由于衍射原因以及封装工艺不同会在CCD光敏面形成不同类型的光斑,导致以光斑半径为评价值的CCD法产生较大误差。(2)不同类型光斑分析研究:本文对激光光斑能量分布进行理论分析与实验测试,在激光束垂直入射时,对激光光斑能量密度的分布情况进行理论分析,并通过CCD对光斑采样测量来获得实验验证。(3)本文焦距测试算法分析研究:本文以提高测试精度及效率为出发点,通过研究CCD光敏面上接收到的不同光斑类型,分析光斑形成原理以及变化规律,提出针对不同光斑类型的焦平面判定算法。对大、小光斑进行分析,针对各自相邻帧的图像光斑变化情况,提出以灰度方差二阶导数作为大光斑评价函数和灰度方差函数为小光斑评价函数的寻焦算法,实现了CCD对微米级别光斑、非理想高斯光束光斑的测量。其次针对焦平面搜索过程中重复性搜索而导致时间长的问题,本文提出采用大区粗采集与小区细采集的运动搜索方式对激光光斑图像进行采集。(4)实验结果及分析:本文通过对激光器进行测试分析,验证了本文算法的可行性以及稳定性,为激光器性能参数的测试提供了理论和实践参考依据。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN248
【部分图文】：

示意图,同轴型,封装形式

如图 1-1 所示。(a)TOSA (b)ROSA (c)BOSA图1-1 同轴型封装形式本课题研究的主要针对 TOSA 耦合对准前的 TO-CAN 焦距测试。光发射模块(TOSA)是光通信传输系统的重要组成部分，将电信号转换为光信号，耦合到光纤，通过光纤传输光信号，单模光纤的芯径为9 μ m左右[11]。典型的 SC 型 TOSA实物示意图与结构示意图，如图 1-2 所示。

激光二极管,实物,结构示意图,管芯

2图1-2 激光二极管实物与TOSA结构示意图图 1-2 中从上而下依次是光纤适配器、管芯帽和激光器管芯。TOSA 的结构决定了其生产流程：激光器焦距测试、管芯帽与管芯焊接、光纤适配器与激光器的耦合焊接。其中管芯帽的高度取决于激光器焦距，管芯帽与管芯的焊接属于无对准焊接；光纤与激光器的焊接属于耦合对准焊接，耦合过程在管芯帽平面进行。理论上光纤与激光器的对准应尽可能在焦平面进行，才能达到足够的耦合效率，因此，光发射模块的成功取决于半导体激光器焦距值的确定，所以确定激光器焦距是耦合的关键技术之一。封装底座上表面到管帽透镜汇聚焦点的距离被定义为激光二极管的焦距，如图 1-3 所示。激光二极管的一个重要指标是焦距，精确的焦距测量值能给耦合提供关键的距离参考，自动化的焦距测试是减少耦合时间、提高耦合效率、降低耦合成本的重要突破口

示意图,焦距,激光二极管,示意图

图1-2 激光二极管实物与TOSA结构示而下依次是光纤适配器、管芯帽和激光器管：激光器焦距测试、管芯帽与管芯焊接、光管芯帽的高度取决于激光器焦距，管芯帽与激光器的焊接属于耦合对准焊接，耦合过程器的对准应尽可能在焦平面进行，才能达的成功取决于半导体激光器焦距值的确定，术之一。面到管帽透镜汇聚焦点的距离被定义为激光二极管的一个重要指标是焦距，精确的焦考，自动化的焦距测试是减少耦合时间、提破口，因此精确测量焦距指标是必须的。

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