激光光束分析实验报告讲解

1、激光光束分析实验报告引言I960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、 子的倒数K因子（通常称为光束传播因子）。其中腸因子为国际ISO组织推荐的 评价标准，也是我们

2、在实验中采用的评价标准。泓因子的定义为:也=帥佔光棘晦远场发散加理硼光東剌殖径其中I为实际光束束腰宽度，-为实际光束远场发散角采用瓠因子时，作为光束质量比较标准的是理想高斯光束。基模 （预耳说模） 高斯光束有最好的光束质量，其酿“，可以证明对于一般的激光光束有.-.-。a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询瞒不变，是 几何光学中的拉格朗日守恒量。实验原理如图选定坐标系。设光束的束腰位置为_,束腰直径为,远场发散角为 。为了简化问题，假设光束关于束

3、腰对称，则可求出传播轴上任一垂直面上的 光束直径二。光束传播方程的一级近似为：朮(z) = d；0 -光束的用因子为：M2 =%其中n为传播介质折射率，细为光束波长。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 邈。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-自变量。对于高斯光束，可以证明:其中：ff r2ErdrdflmF 因此只要测出能量密度函数址就可以求出传播轴上任一垂直面上的 光束直径2虑。有了测量光束直径江(的方法后，分别在轴向位置 冷氏处测量能量密度函数，求出光束直径 乩工喙i和二二

4、,之后将其代入光束传播的一级近似方程 化；二厂壬中，得到方程组：驚（X）= % +（Z-砧逛离 臨+ - z0）:e；由该方程组可以求出束腰直径二与远场发散角】：。在光束波长已知的情况下，就能求出酿因子。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 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。实验内容利用隠號;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、協因子、瑞利距离、焦深等数据。实验所用仪器:址磁激光光束分析仪N朋）t学昭耕实验步骤：1. 按照光束取样光路调节好激光光路。2. 利

5、用零北相机接收激光束，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1光束能量密度分布三维图X轴上光强分布X. 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。 谑瀚鸞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，黑: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

6、胀系数小，在较强激光照 射下对被测光束功率、能量分布的畸变也极小，所以分束镜不影响心因子的测量，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，因此无法测量值，即f芻血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 劇能: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。观察隠3；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

7、向周围逐渐变弱，大概满足高斯函 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”。使用软件的川加功能可以消除朮11；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 了刘血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)一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。讥工分辨率较小，影响了精确度。(3) 在暗箱内一仍然存在噪声，因此我们推测嫁对可见光波段以外的光也 有反应，于是造成了误差。(4) 光路