He-Ne激光器光束强度分布及其发散角的测量Zw

1、He-Ne激光器光束强度分布及其发散角的测量一、实验目的熟悉基横模光束特性掌握TEM(X)模高斯光束强度分布的测崑方法和鉴别测最He-Ne激光器的远场发散角二、基本工作原理He-Ne激光器的模式(指横模)和远场发散角是激光器的基本参数之一。在激光准直、导航等许多应用中使用的He-Ne激光器，既要求是TEM,有要求激光束具有很好的方向性和准直性。而激光器的远场发散角越小，输出光束准直距离越长，即准直性越好。我们能够把共焦腔基模光束的空间分布情况，用如卜的空间曲线方程表示：牙.+y-x*co2(O)A?z式中，CO(0)是Z=0处基模光斑半径，也就是高斯光束的束腰半径。TEM(X)模光束沿X轴是按

2、双曲线规律变化的，包含Z轴的任何一小平面，如XZ平面内，光束传播轨迹是两条双曲线包围部分，如图7.1所示在垂直rz轴的平面内是一个圆，在横截面内，其光强分布是高斯型的。圆的大小就是基模光斑半径CD(A):3(Z)=Jx2+y2=coo11+(-v)2(2)V兀3JCD(Z)代表在Z处光斑半径，即光强度卜降到中心强度的1/e2时，对应的半径1TEM(X)模式的鉴别鉴别He-Ne激光器输出光束是否是TEM(“模，最简单的方法是让激光束垂直射到距离激光器输出端1米处的白屏上，观察光斑的亮度分布。若是基模光斑，它是一个圆，中心光强最人，则He-Ne激光器工作在TEM(XJ模。精确的方法是用打描干涉仪，

3、在示波器上观察激光器的输出频谱，如果激光器输出光束是基横模，那么，在示波器上就能观察到同一荧光谱线内各个振荡纵模C2厶的频率间隔的均匀分布。本实验采用计算机和CCD摄彖机与A/D采集卡结合，记录卜光斑的强度分布，以鉴别它是否是高斯分布，从而确定激光器是否工作在TEM模。基模光斑的强度分布是高斯分布，在一维情况卜，表示为：(3)式中，/为距离光斑中心为Z处的光强，为光斑中心强度，co(z)为距离束腰Z处的光斑半径。它指强度下降到光斑中心强度1/e2=0135时的圆的半径，如图7.2所示。对(3)式两边取对数，则有：logl=-孝竺dog/。(4)我们只耍测出光斑强度沿Z轴的分布，并记录下有关曲线

4、，经过计算，就能作出loglx2的曲线，如果是一条直线，即/。对与Ji线性关系，这表明HeNe激光器输出光束光强是高斯分布的。所以HeNe激光器工作在TEM(XJ基模状态。2远场发散角的测定激光光束尽管方向性很好，但不是理想的平行光束，1佰是有一定的发散角。常用激光器的远场发散角來衡最激光束的准直性好坏。远场发散角越小，表明激光束的能起在方向上越集中，即方向性越好，准直性也越好。如图7.1中，基模高斯光束的远场发散角定义为两条双曲线间的夹角0,即：在远场,即x瞥时,兀3。在远场,即x瞥时,兀3。limO(x)=0(oo)=XH0X兀7。(6)式中，C%是*0处的光斑半径，即为通常所说的激光光束

5、的腰粗。因此，对Z很人时,我们还可以用下式定义远场发散角：0(oo)=lim0(x)=lim=(7)“TooXTOO兀Z兀3。|何实际测駅远场发散角时，不可能在无穷远处去测崑，只能采用近似的方法。为了又能较准确地测鼠6(00)由方程(5)和式，我们定义一个参数勺8%)0(78%)0(7由(8)式可以求得:这表明，当我们在距离输出端xxf处测屋光斑半径，计算出的远场发散角误差小JT%。上式中的co。，对J凹而腔:(04|L/?(1-A)=(10)(04|L/?(1-A)=(10)式中L是待测He-Ne激光器腔长，R是凹面镜之曲率半径。在实验中，刈丁3(%“的测最是和TEMoo模式鉴别结合起來的。

6、利用1og/-x2曲线，如是高斯分布的TEMoo模,则曲线就是一条直线。根据公式(4),求得直线的斜率a为：将(11)式代入(7)式中，便求得9(xjo如图7.3所示，分别测量xl,x2两处的光斑尺寸3（旺）和3（心）,也能直接算出光束的远场发散角。20=相2业必迴交（12）x2-X光学谐振腔的振荡模式可分布为纵模和横模两类。谐振腔内部沿轴向形成稳定的驻波花样成为纵模。光场在横向不同的稳定分布通常称为不同的横模。即谐振腔内的每一种激光模，它的一个主要性质是在它的横截面上的振幅分布的图样不应随时间而改变。所以激光器的横模实际就是谐振腔所允许的能保持稳定不变的光场的各种横向分布。对不同的横模，光场在垂直光传播方向（即腔轴方向）的横截面上就有不同的强度分布。横摸花样如图7.4所示Q(a)TEMoo(b)TEM10(c)TEMn图7.4横模花样三实验装置本实验系统由三部分组成：光学系统、CCD摄彖机和计算机处理部分，实验光路如图7.5所示。按实验原理图调整光路，注意对杂散光的屏蔽；打开激光器电源，激光点燃后预热30分钟，使其输出稳定；打开计算机电源，熟悉CCD控制软件的操作过程，切记在CCDT作过程中，避免任何强光照射CCD接收芯片，否则会引起CCD信号饱和直至CCD芯片烧毁！用计算机桌面上的“CAPTURE