Введение к работе
Актуачыюсть темы диссертации. Задача автоматизированного съема пространственного распределения светового излучения импульсных и непрерывных источников и обработки результатов в реальном масштабе времени актуальна при проведении исследований в области квантовой электроники, физики плазмы, спектроскопии, при юстировке сложных лазерных систем, при проведении интерфе-рометрического контроля качества прецизионных поверхностей.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работы, вошедшие в диссертацию, выполнялись по союзным и республиканским комплексным программам, постановлениям правительства и других директивных органов, в частности, в рамках программ "Плазма" и "Автоматизация", финансируемых Министерством образования и науки Республики Беларусь.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка методов, аппаратных и программных средств регистрации пространственного распределения светового излучения импульсных и непрерывных источников для автоматизации широкого круга исследований в области фото- и спектрометрии.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
провести анализ способов фотоэлектрического преобразования с пространственным разрешением применительно к задачам квантовой электроники и лазерной спектроскопии;
разработать структуру многоканального оптического анализатора (МОА), включающего устройства измерения и компенсации детерминированной составляющей пространственного шума, нелинейности свет-сигнальной характеристики и неоднородности чувствительности приборов с зарядовой связью (ПЗС);
разработать методику іїомпенсации детерминированной составляющей пространственного шума, коррекции нелинейности свет-сигнальной характеристики и неоднородности чувствительности приемной ПЗС-матрицы;
разработать методы оценки метрологических характеристик МОА, включающие в себя аттестацию тракта аналого-цифрового преобразования (интегральной и дифференциальной нелинейности, случайной погрешности) и тракта фотоэлектрического преобразования (определение чувствительности и пространственного разрешения);
разработать алгоритмы обработки информации в МОА;
на основе автоматизированного многоканального спектро-анализатора провести количественные измерения параметров плазмы лазерного эрозионного факела меди; исследовать пространственное изменение плотности плазмы с целью выявления доиспарения капель материала мишени в процессе их движения навстречу лазерному лучу;
на основе созданной системы многоканального оптического анализа решить задачи юстировки многокомпонентных лазерных систем пикосекундного диапазона, оптимизации беспичкового режима генерации неодимового лазера, интерферометрического контроля качества рельефа прецизионных оптических поверхностей.
Научная новизна полученных результатов. Создан автоматизированный измерительный комплекс для фото- и спектрометрических исследований, позволяющий проводить экспресс-анализ оптической информации в реальном масштабе времени при помощи спецпроцессора и работающей на линии ЭВМ. Высокие метрологические характеристики комплекса обеспечены аппаратно-программными методами компенсации детерминированной составляющей пространственного шума, коррекции нелинейности свет-сигнальной характеристики и неоднородности чувствительности приемной ПЗС-матрицы.
Разработан программно-алгоритмический комплекс для систем многоканального оптического анализа, обеспечивающий диалоговый режим работы и широкие возможности графического отображения и документирования результатов измерений.
В результате исследования динамики плазмообраэования при взаимодействии излучения мощного неодимового лазера с медной мишенью обнаружено возрастание давления и плотности плазмы в эрозионном факеле при удалении от мишени в приповерхностной области. На основании этого показано, что мелкодисперсная жидкокапельная фаза материала мишени доиспаряется в процессе движения навстречу лазерному лучу, создавая более плотную среду, чем при адиабатическом разлете прозрачных паров.
Практическая значимость полученных результатов. Созданные автоматизированные системы многоканального оптического анализа существенно расширяют функциональные возможности оборудования при выполнении оптико-физических измерений, ускоряют настройку и юстировку оптических элементов и установок.
Разработанные аппаратные и программные средства существенно сокращают временные затраты на проведение эксперимента как
за счет многоканальности системы регистрации оптического излучения, так и за счет эффективных высокоскоростных приемов цифровой обработки измерительной информации.
На основе аппаратно-программных средств многоканального оптического анализа разработаны методики юстировки многокомпонентных лазерных систем пикосекундного диапазона, широкоапер-турных систем инфракрасного диапазона и обработки интерферо-грамм при прецизионном контроле качества рельефа поверхностей оптических элементов.
Экономическая значимость полученных результатов. Результаты исследований можно использовать для быстрого и надехного контроля параметров современных многокомпонентных оптических систем, для оптимизации режимов лазерной обработки металлов, для контроля качества прецизионных поверхностей при производстве оптических приборов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Автор ващищает:
-
Структурную организацию автоматизированной измерительно-вычислительной системы на базе матричных ПЗС-фотоприемников, расширенный динамический диапазон и высокая чувствительность которой достигаются компенсацией помеховых составляющих сигнала.
-
Методику калибровки измерительного тракта, предусматривающую:
создание равномерной фоновой подсветки приемной ПЗС-мат-рицы для повышения чувствительности и расширения динамического диапазона измерений;
создание равномерной освещенности для проведения коррекции неоднородности чувствительности приемной ПЗС-матрицы;
регистрацию прошедшего через калиброванный ступенчатый ослабитель излучения эталонного источника для учета нелинейности свет-сигнальной характеристики приемной ПЗС-матрицы.
3. Методику метрологической аттестации созданной системы
многоканального оптического анализа, предусматривающую:
аттестацию с помощью разработанных для этой цели аппаратных и программных средств тракта аналого-цифрового преобразования ;
использование аттестованного тракта аналого-цифрового преобразования для оценки метрологических характеристик тракта фотоэлектрического преобразования.
-
Комплекс алгоритмических и программных средств прецизионного многоканального оптического анализа, построенный по модульному принципу, функционирующий в диалоговом режиме и автономно, допускающий оперативное внесение изменений в состав применяемых алгоритмов. В состав комплекса входят модули, реализующие выделение зон на'оптическом изображении, проведение вычислительных операций над элементами зон, построение графиков, работу с графической информацией. Алгоритмы обработки результатов эксперимента могут быть как общими для систем многоканального оптического анализа (съем и контроль информации, предобработка, статистическая, корреляционная, спектральная обработка), таки учитывающими специфику .'эксперимента, в частности, реализующими функции юстировки и калибровки оборудования.
-
Экспериментальные результаты по диагностике лазерной плазмы и исследованию динамики плазмообразования, заключающиеся в обнаружении доиспарения капель материала мишени в процессе их движения навстречу лазерному лучу.
-
Методику юстировки многокомпонентных лазерных систем пикосекундного диапазона, позволяющую проводить отладку модово-го режима генерации, контроль заполнения оптических элементов реальным световым полем, настройку усилительных и формирующих оптических трактов, настройку соосности между инжекционным излучением и осью регенеративных усилителей резонаторного типа, отладку и контроль сходимости излучений различных трактов на мишени-объекте, контроль и отладку спектральных характеристик излучения перестраиваемых по частоте лазерных источников.
-
Методику юстировки широкоапертурных лазерных систем инфракрасного диапазона с целью получения равномерного во времени и пространстве излучения.
-
Методику обработки интерферограчм в реальном масштабе времени, позволяющую автоматизировать контроль качества рельефа прецизионных оптических поверхностей.
Личный вклад соискателя. Все основные результаты настоящей работы были получены автором самостоятельно. Научные руководители сформулировали тему исследования, осуществляли общее руководство и принимали непосредственное участие в обсуждении полученных результатов. Из работ, опубликованных в соавторстве, в диссертацию включены только принадлежащие автору результаты.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации
докладывались и обсуждались на:
8-й Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи информации, Москва- Куйбышев, 1981;
2-м Всесоюзном совещании ОСУ-84, Барнаул, 1984;
3-м Всесоюзном совещании "Координатно-чувствитель'ные фотоприемники, оптоэлектронные устройства на их основе", Барнаул, 1985;
2-м университетском семинаре "Применение лазерной и оп-то-электронной техники в народном хозяйстве", Минск, 1985;
8-й Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента з научных исследованиях", Ленинград, 1986;
3-м Всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой, Одесса, 1988.
Опубликованность результатов. По результатам исследований опубликовано 17 научных работ, в том числе 10 статей в научных журналах и сборниках, 6 в тезисах конференций и 1 изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Полный объем диссертации составляет 100 страниц машинописного текста и 36 страниц иллюстраций. Список использованных источников содержит 94 наименования.
Похожие диссертации на Аппаратные и программные средства многоканального анализа пространственно-временной структуры излучения в современных задачах прикладной оптики
