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1、激光光束分析实验报告引言1960 年,世界上第一台激光器诞生。激光作为一种相干光源,以其高亮度 高准直性、高单色性的优点,一直在各种生产和研究领域发挥着重要的作用。虽然激光具有上述优点,然而严格地说,激光并不是平面光束,而是一种满 足旁轴近似的旁轴波。由稳定谐振腔发出的激光束大多为高斯光束,其主要参数 为光束宽度、光束发散角和光束传播因子。由于这几个参数不同,不同激光束的 质量也就有了差别,因此就需要制定评价光束质量的普适方法。常用来评价光束质量的因子有:衍射极限倍数因子、斯特列耳比、环围能量比、:二因子和:二因子的倒数K因子(通常称为光束传播因子)。其中阿2因子为国际ISO组织推荐的评价标准
2、,也是我们在实验中采用的评价标准。工因子的定义为:远场发散角X实际光東東腰直径n aM2 = 远场发散角并理想高斯光東東腰直径仇其中;I为实际光束束腰宽度,-为实际光束远场发散角。采用工因子时,作为光束质量比较标准的是理想高斯光束。基模-三:模)高斯光束有最好的光束质量,其:-二二可以证明对于一般的激光光束有:二上-。:二因子越大,实际光束偏离理想高斯光束越远,光束品质越差。当高斯光束通过无像差、衍射效应可忽略的透镜、望远镜系统聚焦或扩束镜时,虽 然光腰尺寸或远场发散角会发生变化,但光束宽度和发散角之积:召不变,:/是 几何光学中的拉格朗日守恒量。实验原理?_.o为了简化问题,假设光束关于束腰
3、对称,则可求出传播轴上任一垂直面上的 光束直径二-二。光束传播方程的一级近似为:d;二d爲+ 0_环光束的I二因子为:M2 =其中n为传播介质折射率,二为光束波长。对于束腰宽度和远场发散角, 可用如下方法测得。本实验中,我们采用的 CCD 能够测量在柱坐标系中传播轴上任一垂直面上 的光束能量密度函数匚:。由于能量密度函数关于传播轴中心对称,故在分布函数中没有三自变量。对于高斯光束,可以证明:其中:因此只要测出能量密度函数r :,就可以求出传播轴上任一垂直面上的 光束直径:二。有了测量光束直径和:的方法后,分别在轴向位置和二:处测量能量密度 函数,求出光束直径;:二和和二,之后将其代入光束传播的
4、一级近似方程二二二二n -=- -二中,得到方程组:代锂=d爲4-角-忑(叨=醸4-闰-引圈由该方程组可以求出束腰直径二二:与远场发散角三:。在光束波长已知的情 况下,就能求出:工因子。本实验还要求测量高斯光束的瑞利距离和焦深。轴上光强降为束腰光强一 半的位置称为瑞利距离,轴上光束直径增加为束腰直径的11倍的位置称为焦深。 瑞利距离和焦深都能通过CCD容易地测得。实验内容利用二-二二型激光光束分析仪分析半导体激光器的激光束,测量束腰直 径、远场发散角、:二因子、瑞利距离、焦深等数据。实验所用仪器:X -二I :激光光束分析仪实验步骤:1.按照光束取样光路调节好激光光路。2利用:二相机接收激光束
5、,由图像采集卡传送给计算机处理,软件实时显示激光光斑的二维/三维光强分布图。3.通过测量不同轴向位置光斑,计算模拟出激光束的光束发散角等参数。实验结果本实验我们测得一组图像,衰减片选择分别为6 一-一:光束能量密度分布三维图mmX、Y轴上光强分布图应该指出,实际的光束是圆对称的,由于软件的问题,光束显示成了椭圆形。二二型激光光束分析仪的光路比较复杂,给我们测量相关数据造成了 很大困难。为了减弱半导体激光器光束光强,该分析仪采用一楔形石英分束镜将 激光束分成几束,:二接收其中的第一级光束。由上面关于几何光学拉格朗日不 变量的讨论,由于光学级石英对被测光束的吸收小、热胀系数小,在较强激光照 射下对
6、被测光束功率、能量分布的畸变也极小,所以分束镜不影响:二因子的测 量,但是我们不清楚分束镜是否也不影响其它有关参量的测量。由于采用了这一 光路而非是在传统的光具座上进行实验,而我们没带直尺,因此无法测量二值,即二二面与束腰面之间的距离。另外软件自身并没有对能量密度函数进行分析的 功能,因此我们也无法算出光束直径和测量瑞利距离、焦深。如果用仁上软件 编程的话,可以解决这些问题,但鉴于实验时间与实验定位,我们也无法完成这 些工作。我们只能对所得的几张图像进行分析。观察二二成像的激光光束的光斑,可以发现它是一个近似圆形的光斑,同时 也可以看到其光强分布也确实是由中心开始向周围逐渐变弱,大概满足高斯函
7、数。但是我们同时也看到在光斑上仍然有较大的噪声,背景也过“亮”。使用软 件的功能可以消除二二上的直流背景噪声,但我们使用该功能后没有发现 图像有明显改善。经过软件处理后绘制出的光束光强在:、轴上的光强分布曲线和拟合的高斯 函数也吻合得较好,但是存在震荡。这可能是由于二二固有的背景噪声或是外部 干扰引起的。我们认为,本实验的误差主要来自以下几个方面。(1) 二二固有的背景噪声太大。过大的背景噪声将会影响对能量密度函数进行 全平面积分的结果。(2) 二二分辨率较小,影响了精确度。(3) 在暗箱内二二仍然存在噪声,因此我们推测二二对可见光波段以外的光也 有反应,于是造成了误差。光路调节时,二不可能与激光光轴绝对垂直,造成光斑直径测量不准确。综上,我们建议将该实验改为在光具座上进行,这样对各数据的测量都会容 易很多。至于光束强度过大的问题,可以多用几个衰减片来解决。另外软件的功 能也有待改进。