He-Ne激光器光束強(qiáng)度分布及其發(fā)散角的測量Zw

1、He-Ne激光器光束強(qiáng)度分布及其發(fā)散角的測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜せ鶛M模光束特性掌握TEM(X)模高斯光束強(qiáng)度分布的測崑方法和鑒別測最He-Ne激光器的遠(yuǎn)場發(fā)散角二、基本工作原理He-Ne激光器的模式(指橫模)和遠(yuǎn)場發(fā)散角是激光器的基本參數(shù)之一。在激光準(zhǔn)直、導(dǎo)航等許多應(yīng)用中使用的He-Ne激光器，既要求是TEM,有要求激光束具有很好的方向性和準(zhǔn)直性。而激光器的遠(yuǎn)場發(fā)散角越小，輸出光束準(zhǔn)直距離越長，即準(zhǔn)直性越好。我們能夠把共焦腔基模光束的空間分布情況，用如卜的空間曲線方程表示：牙.+y-x*co2(O)A?z式中，CO(0)是Z=0處基模光斑半徑，也就是高斯光束的束腰半徑。TEM(X)模光束沿X軸是按

2、雙曲線規(guī)律變化的，包含Z軸的任何一小平面，如XZ平面內(nèi)，光束傳播軌跡是兩條雙曲線包圍部分，如圖7.1所示在垂直rz軸的平面內(nèi)是一個(gè)圓，在橫截面內(nèi)，其光強(qiáng)分布是高斯型的。圓的大小就是基模光斑半徑CD(A):3(Z)=Jx2+y2=coo11+(-v)2(2)V兀3JCD(Z)代表在Z處光斑半徑，即光強(qiáng)度卜降到中心強(qiáng)度的1/e2時(shí)，對應(yīng)的半徑1TEM(X)模式的鑒別鑒別He-Ne激光器輸出光束是否是TEM(“模，最簡單的方法是讓激光束垂直射到距離激光器輸出端1米處的白屏上，觀察光斑的亮度分布。若是基模光斑，它是一個(gè)圓，中心光強(qiáng)最人，則He-Ne激光器工作在TEM(XJ模。精確的方法是用打描干涉儀，

3、在示波器上觀察激光器的輸出頻譜，如果激光器輸出光束是基橫模，那么，在示波器上就能觀察到同一熒光譜線內(nèi)各個(gè)振蕩縱模C2厶的頻率間隔的均勻分布。本實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)和CCD攝彖機(jī)與A/D采集卡結(jié)合，記錄卜光斑的強(qiáng)度分布，以鑒別它是否是高斯分布，從而確定激光器是否工作在TEM模。基模光斑的強(qiáng)度分布是高斯分布，在一維情況卜，表示為：(3)式中，/為距離光斑中心為Z處的光強(qiáng)，為光斑中心強(qiáng)度，co(z)為距離束腰Z處的光斑半徑。它指強(qiáng)度下降到光斑中心強(qiáng)度1/e2=0135時(shí)的圓的半徑，如圖7.2所示。對(3)式兩邊取對數(shù)，則有：logl=-孝竺dog/。(4)我們只耍測出光斑強(qiáng)度沿Z軸的分布，并記錄下有關(guān)曲線

4、，經(jīng)過計(jì)算，就能作出loglx2的曲線，如果是一條直線，即/。對與Ji線性關(guān)系，這表明HeNe激光器輸出光束光強(qiáng)是高斯分布的。所以HeNe激光器工作在TEM(XJ基模狀態(tài)。2遠(yuǎn)場發(fā)散角的測定激光光束盡管方向性很好，但不是理想的平行光束，1佰是有一定的發(fā)散角。常用激光器的遠(yuǎn)場發(fā)散角來衡最激光束的準(zhǔn)直性好壞。遠(yuǎn)場發(fā)散角越小，表明激光束的能起在方向上越集中，即方向性越好，準(zhǔn)直性也越好。如圖7.1中，基模高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角定義為兩條雙曲線間的夾角0,即：在遠(yuǎn)場,即x瞥時(shí),兀3。在遠(yuǎn)場,即x瞥時(shí),兀3。limO(x)=0(oo)=XH0X兀7。(6)式中，C%是*0處的光斑半徑，即為通常所說的激光光束

5、的腰粗。因此，對Z很人時(shí),我們還可以用下式定義遠(yuǎn)場發(fā)散角：0(oo)=lim0(x)=lim=(7)“TooXTOO兀Z兀3。|何實(shí)際測駅遠(yuǎn)場發(fā)散角時(shí)，不可能在無窮遠(yuǎn)處去測崑，只能采用近似的方法。為了又能較準(zhǔn)確地測鼠6(00)由方程(5)和式，我們定義一個(gè)參數(shù)勺8%)0(78%)0(7由(8)式可以求得:這表明，當(dāng)我們在距離輸出端xxf處測屋光斑半徑，計(jì)算出的遠(yuǎn)場發(fā)散角誤差小JT%。上式中的co。，對J凹而腔:(04|L/?(1-A)=(10)(04|L/?(1-A)=(10)式中L是待測He-Ne激光器腔長，R是凹面鏡之曲率半徑。在實(shí)驗(yàn)中，刈丁3(%“的測最是和TEMoo模式鑒別結(jié)合起來的。

6、利用1og/-x2曲線，如是高斯分布的TEMoo模,則曲線就是一條直線。根據(jù)公式(4),求得直線的斜率a為：將(11)式代入(7)式中，便求得9(xjo如圖7.3所示，分別測量xl,x2兩處的光斑尺寸3（旺）和3（心）,也能直接算出光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角。20=相2業(yè)必迴交（12）x2-X光學(xué)諧振腔的振蕩模式可分布為縱模和橫模兩類。諧振腔內(nèi)部沿軸向形成穩(wěn)定的駐波花樣成為縱模。光場在橫向不同的穩(wěn)定分布通常稱為不同的橫模。即諧振腔內(nèi)的每一種激光模，它的一個(gè)主要性質(zhì)是在它的橫截面上的振幅分布的圖樣不應(yīng)隨時(shí)間而改變。所以激光器的橫模實(shí)際就是諧振腔所允許的能保持穩(wěn)定不變的光場的各種橫向分布。對不同的橫模，光場在垂直光傳播方向（即腔軸方向）的橫截面上就有不同的強(qiáng)度分布。橫摸花樣如圖7.4所示Q(a)TEMoo(b)TEM10(c)TEMn圖7.4橫?；尤龑?shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成：光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝彖機(jī)和計(jì)算機(jī)處理部分，實(shí)驗(yàn)光路如圖7.5所示。按實(shí)驗(yàn)原理圖調(diào)整光路，注意對雜散光的屏蔽；打開激光器電源，激光點(diǎn)燃后預(yù)熱30分鐘，使其輸出穩(wěn)定；打開計(jì)算機(jī)電源，熟悉CCD控制軟件的操作過程，切記在CCDT作過程中，避免任何強(qiáng)光照射CCD接收芯片，否則會(huì)引起CCD信號飽和直至CCD芯片燒毀！用計(jì)算機(jī)桌面上的“CAPTURE