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1、KOT-12激光远场发散角测量实验装置一、实验目的1 .掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法。2.深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义。二、实验仪器用具氨氖激光器、光功率指示仪、硅光电池接收器、狭缝、微动磁性座。三、实验原理激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数，激光束虽有 方向性好的特点，但它不是理想的平行光，而具有一定大小的发散角。在激光准 直和激光干涉测长仪中都需要设置扩束望远镜来减小激光束的发散度。1激光束的发散角0激光器发出的激光束在空间的传播如图1-1所示光束截面最细处成为束腰。 我们将柱坐标(z、r、)的原点选在束腰截面的中点，z是光束传播
2、方向。束腰 截面半径为w0,距束腰为z处的光斑半径为w(z)，则人Z、】w(z) = w 1 + ()21/20其中人是激光波长。上式可改写成双曲线方程旭2 - 2 =1 w丸w 2 /人双曲线的形状已画在1-1中。我们定义双曲线渐近线的夹角0为激光束的发散角， 则有0 = 2 人 /(kw0 ) = 2w( z)/z(z 很大) (1.1)由式(1.1)可知，只要我们测得离束腰很远的z处的光斑大小2 w(z)，便可算出激光束发散角。2激光束横向光场分布如图1-1 ,激光束沿z轴传播，其基模的横向光场振幅E00随柱坐标值r的 分布为高斯分布的形式E (r) = E (z)expr2/w2(z)
3、( 1.2)式中E00( z)是离束腰z处横截面内中心轴线上的光场振幅，w( z)是离束腰z处横截面的光束半径，E (r)则是该横截面内离中心,处的光场振幅。由于横向光场 00振幅分布是高斯分布，故这样的激光束称为高斯光束。当量值r = w(z)时，则E00(r)为 E00(z)的 1/e 倍。前面的讨论中，我们并未对光束半径下定义。现在可以将光束半径w(z)定 义为振幅下降到中心振幅1/e的点离中心的距离。实际测量中，我们测得的是光束横向光强分布，光强正比于振幅的平方，故将(1.2) 式两边平方，得Z图1-1激光束的发散角图1-2高斯光束的振幅分布和光强分布100() = E200 (r)
4、= E2。(乙)exp-2r2/w2(z)=I (z)exp-2r2/w2(z)( 1.3 )式中I表示所对应的光强。光束半径w(z)也可定义为光强下将为中心光强e-2倍 的点离中心点的距离。图1-2中画出了激光束横向振幅分布(虚线)和光强分布(实线)，并且已将E (z)和I (z)归一化。在光束半径w(z)范围内集中了 86.5%的总功率。 00003光束半径和发散角的测量氨氖激光器结构简单、操作方便、体积不大、输出的波长为632.8nm的红光。本实验对氨氖激光束的光束半径和发散角进行测量。实验测量装置如图1-3所示。 所用的激光器是平凹型谐振腔氨氖激光器，其腔长为凹面曲率半径为R，则 可得
5、到其束腰处的光斑半径为w =(爻)1/2修-1)1/4( 1.4)由这个W0值，也可从。=2人/丸w算出激光束的发散角己这种激光器输出光束 的束腰位于谐振腔输出平面镜的位置，我们测量距束腰距离z约为35m处的光 束半径。为了缩短测量装置的长度，采用了平面反射镜折返光路，如图1-3所示。测量狭缝连同其后面的硅光电池作为一个整体沿光束直径方向作横向扫描，由和 硅光电池连接的反射式检流计给出激光束光强横向分布。根据测得的激光束光强 横向分布曲线，求出光强下降到最大光强的e-2(e = 2.718281828, e-2= 0.13533 ) 倍处的光束半径w(z)，它就是激光光斑大小的描述。然后根据式
6、(1.1)0 = 2w(z)/z算出光束发散角0。测量时应使测量狭缝的宽度是光斑大小的1/10以下。图1-3测量装置示意图实验内容1测量前的准备按图(1-3)摆好光路各部件，打开氨氖激光器电源。调整标尺及平面反射 镜使激光束照亮测量狭缝，取Z值约 35m，缝宽小于光斑大小1/10，接好光 功率指示仪。2光强横向分布的测量移动微动磁性座，使狭缝和硅光电池接收器同时扫过光束，移动的方向应与光传播方向垂直。每隔0.10.2mm，记录光功率指示仪的读值，重复测量三次， 进行激光束的光强横向分布测量，测量Z值。3光斑半径W（Z）及发散角0的确定：以平均值做出光功率指示仪随测量位移之间的变化曲线，由曲线求出光斑半 W（Z）,并算出0值，用式（1.4）算出发散角将。=2w（ z）/z的确定值和式 （1.4）的0值进行比较。注意事项1 .操作过程中切忌直接迎者激光传播方向观察。2 .注意激光高压电源，以免触电和短路。3 .测量发散角时应减小震动，避免光斑在狭缝口晃动。
