(完整word版)激光光束分析实验报告讲解x
时间：2020-10-21 01:08:50 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
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、 ：■二因子和匸因 子的倒数K因子（通常称为光束传播因子）。其中因子为国际ISO组织推荐的 评价标准，也是我们在实验中采用的评价标准。
工：因子的定义为：
远场发散韬x实际光束束腰直径 TT亠
M2 = = —% 0
远场发散角X理想高斯光東東腰直径曲
其中乩良为实际光束束腰宽度，=为实际光束远场发散角。
采用矗肚因子时，作为光束质量比较标准的是理想高斯光束。基模 1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
■?-上-。--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住性於不变，马曲是 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二，束腰直径为洛「,远场发散角为
二。为了简化问题，假设光束关于束腰对称，则可求出传播轴上任一垂直面上的
光束直径$/严》。光束传播方程的一级近似为：
光束的?二因子为：
4入匚
4入匚
其中n为传播介质折射率，緞为光束波长。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二?-。由于能量密度函数关于传播轴中心对称，故在分布 函数中没有二自变量。对于高斯光束，可以证明:
dpfz) = 2v，r2ff(z)
其中：
b ⑵ _ jErdrdG
因此只要测出能量密度函数利沁泯“就可以求出传播轴上任一垂直面上的
光束直径占点也。
有了测量光束直径的方法后，分别在轴向位置\处测量能量密度
函数，求出光束直径川』篦』和亠?-一，之后将其代入光束传播的一级近似方程
丄匚中，得到方程组：
p畑）=^o+（靭一珀鸞
旳屈=嶠+佃一*吧
由该方程组可以求出束腰直径乱乘与远场发散角丐丐。在光束波长已知的情 况下，就能求出心〔」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1； - :ST：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、珂》因子、瑞利距离、焦深等数据。
实验所用仪器：」-二二激光光束分析仪
IV豐比学昭梢
实验步骤：
按照光束取样光路调节好激光光路。
利用二二相机接收激光束，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。
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，衰减片选择分别为二
光束能量密度分布三维UI
mm
X轴上光强分布
xav-FrefiiK
mm
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。
二-二二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，：工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 射下对被测光束功率、能量分布的畸变也极小，所以分束镜不影响 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：「「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I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 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3.功能可以消除：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 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。
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。
:::分辨率较小，影响了精确度。
在暗箱内：工仍然存在噪声，因此我们推测：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。
