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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。
