高斯光束的特性实验

实验2高斯光束的测量实验目的1.熟悉基本模式光束特性。2.掌握高斯光速强度分布的测量方法。3.测量高斯光速的远场发散角。两个实验原则众所周知，电磁场运动的一般规律可以用麦克斯韦方程来描述。对于光频电磁场的稳态传输，可以归结为在光学现象中起主要作用的电矢量所满足的波动方程。在标量场近似的条件下，它可以简化为亥姆霍兹方程。高斯光束是缓变振幅近似下亥姆霍兹方程的特殊解，它能很好地描述激光束的特性。利用高斯光束的复参数表示和ABCD定律可以统一简洁地处理高斯光束在腔内外的传输和变换。高斯光束的一般表达式可以通过在慢变振幅近似下求解亥姆霍兹方程得到：(6)其中，是振幅常数；定义为场振幅降低到最大值的值，称为腰斑，即高斯光束光斑半径的最小值；分别表示高斯光束的光斑半径、等平面曲率半径和相位因子，这是描述高斯光束的三个重要参数，它们的具体表达式是：(7)(8)(9)其中，称为瑞利范围或共焦参数(也用F表示)。(a)在高斯光束平面内，场振幅以高斯函数的形式从中心向外平滑减小，因此光斑半径以双曲线形式跟随坐标Z:(10)规则的向外扩展，如图4所示高斯光束的定义及相关参数图4(b)在等式(10)中，相位部分等于常数，并且省略该项，从而获得高斯光束的等平面等式：(11)因此，可以认为高斯光束的等相面是球形的。瑞利范围的物理含义是：当时。在实际应用中，通常取高斯光束的准直范围，即在这个长度范围内，高斯光束近似被认为是平行的。因此，瑞利范围越长，高斯光束的准直范围越大，反之亦然。高斯光束的远场发散角一般被定义为当高斯光束的振幅在中心减小到最大值时与Z轴的交角。这表示为：(12)三。实验仪器氦氖激光器、光电二极管、电荷耦合器件、电荷耦合器件光阑、偏振器、计算机四个实验内容：(a)发散角测量关键是如何保证接收器能够在垂直光束的传播方向上扫描，这是测量光束截面尺寸和发散角的必要条件。由于远场发散角实际上是以光斑大小为轨迹的两条双曲线的渐近线之间的夹角，我们应该尽可能地扩展光路以保证其精度。可以证明，当距离大于理论远场发散角时测得的总发散角小于1%。(1)确定并调整激光束的出射方向。(CCD靶面垂直入射到光源前的L1，用软件测量相应位置的光斑直径D1。(3)用同样的方法测量L2后方的光斑直径D2。(4)由于发散角很小，所以可以进行近似计算，即D2-D1/L2-L1，并且可以计算全发散角2。(2)高斯光束腰斑测量。(1)打开氦氖激光器，调整高度和间距，使其输出光束平行于导轨。这可以通过来回移动带有小孔的支撑杆来实现。(2)启动计算机并运行光束观察激光束参数测量软件。(3)氦-氖激光输出光束测量和模式分析。激光束垂直入射到电荷耦合器件目标表面，在软件上可以看到形成的光斑图案，在电荷耦合器件前面的电荷耦合器件光阑上添加适当的衰减片。激光束参数测量软件可用于分析激光束的模式，并确定输出光束是基模高斯光束还是高阶横模(作为先前模式分析实验的一部分)。(4)氦氖激光输出束腰位置的确定。来回移动CCD探测器，使用激光束参数测量软件观察不同位置的光斑大小。现场(3)外腔氦氖激光器偏振态验证由于布儒斯特窗位于外腔氦氖激光器的谐振腔中，输出光的偏振态被限制为垂直于桌面的线偏振。因此，可以将偏振片放置在输出端的前面，通过旋转偏振片来分析外腔氦氖激光器的激发光的偏振方向。本实验中使用的半外腔HeNe激光器在其输出端有一个布鲁斯特窗，因此是线偏振的。(1)调节半外腔HeNe激光器稳定发光。(2)将偏光板垂直放入光路中，然后放置CCD进行检测。(3)旋转偏振片，观察CC