一種簡(jiǎn)易的激光橫模觀測(cè)系統(tǒng)

摘要：為了方便地觀測(cè)激光的橫模特性，利用Matlab的攝像頭編程技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取激光的光斑圖像。再利用圖像數(shù)據(jù)處理方法，將激光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為可以方便顯示的灰度值，從而可以實(shí)現(xiàn)激光模式的二維或三維實(shí)時(shí)在線顯示。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可以方便地開(kāi)展激光模式的實(shí)時(shí)觀測(cè)，為激光模式觀測(cè)提供一個(gè)可以借鑒的方法。

關(guān)鍵詞：激光模式；Matlab；在線觀測(cè)；圖像處理

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）51-0267-02

一、引言

在激光類(lèi)的課程教學(xué)過(guò)程中，諧振腔理論是一個(gè)非常重要的內(nèi)容。該部分內(nèi)容比較抽象，而且數(shù)學(xué)知識(shí)較多，其中激光橫模特性更加抽象。為了解橫模特性，理論上主要是從菲涅耳—基爾霍夫積分衍射方程出發(fā)，求得其近似解析解，或者利用數(shù)值迭代的計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)上可以有熱成像，線性掃描，激光模式分析儀來(lái)進(jìn)行直觀地觀測(cè)。教學(xué)上激光實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展主要還是圍繞激光諧振腔來(lái)實(shí)驗(yàn)，激光模式的觀察與控制就顯得非常重要。因此，需要能夠?qū)崟r(shí)地顯示激光模式的變化，當(dāng)諧振腔參數(shù)變化時(shí)，模式是如何地變化等，使學(xué)生能更好地了解模式與腔的關(guān)系。本文正是在這樣一個(gè)背景下，圍繞如何控制各個(gè)模式的出現(xiàn)與觀測(cè)，以及分析其形成與消亡的原因，自行制作了一套簡(jiǎn)易的模式觀測(cè)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中用到的攝像頭為普通的USB接口的攝像頭，編程用Matlab 2007以上的版本，利用Matlab對(duì)攝像頭進(jìn)行編程不需要寫(xiě)太多代碼，幫助中給出的例子程序就夠用了。下面給出編程的主要代碼，方便參考。

獲取攝像頭vid=videoinput（'winvideo'）；獲取圖像大小vidRes=get（vid，'VideoResolution'）；imWidth=vidRes（1）；

imHeight=vidRes（2）；nBands=get（vid，'NumberOfBands'）；設(shè)定圖像大小hImage=image（zeros（imHeight，imWidth，nBands））；set（gca，'unit'，'pixels'，'position'，[35 145 imWidth imHeight]）；此處的35和145是屏幕上相對(duì)位置。預(yù)覽圖像preview（vid，hImage）；捕獲圖像frame=getsnapshot（vid）。

圖像數(shù)據(jù)存在三維數(shù)組frame里面，其結(jié)構(gòu)是[x，y，Value]，value代表了各個(gè)點(diǎn)的RGB值，利用z=（30*R+59*G+11B）/100，可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)灰度值。這樣就生成一組[x，y，z]的數(shù)據(jù)，x，y表示光斑位置，z代表灰度值，也就是光強(qiáng)，這樣就可以繪制出一幅光斑模式的二維或三維圖，對(duì)于基模等都能做到很方便地觀測(cè)與分辨。

實(shí)驗(yàn)中用的激光器為開(kāi)腔He-Ne激光器，最大輸出功率小于5mw。為了避免攝像頭產(chǎn)生飽和，以至于觀測(cè)到一片白色，無(wú)法對(duì)其強(qiáng)度做出分辨。我們嘗試讓攝像頭獲取激光器全反鏡透出的光斑，先照射到一張黑紙上，然后TEM00、低階模TEM01，TEM10用攝像頭獲取照射面的圖像。這樣不但避免了散射對(duì)光的均勻化，也不會(huì)產(chǎn)生飽和作用，實(shí)驗(yàn)證明：這種方法簡(jiǎn)便易行，對(duì)觀測(cè)結(jié)果沒(méi)有影響，而且可以做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

激光器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，首先調(diào)節(jié)諧振腔，使激光器輸出基模，對(duì)于小功率激光器，一般都能夠滿足?；D像如圖1（a）所示，這是光斑直接照在白墻上拍照所得。圖1（b）是用實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)在電腦端顯示的圖像，這里給出的是一個(gè)三維的相對(duì)光強(qiáng)分布。相對(duì)二維分布，三維光強(qiáng)分布能夠體現(xiàn)出高斯光束高斯分布的特點(diǎn)。圖像中心由于光強(qiáng)飽和，顯示出一個(gè)平頂，所以對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)，后續(xù)的圖像數(shù)據(jù)處理還可以不斷優(yōu)化。

高階模式的獲得可以將輸出鏡的調(diào)整螺絲輕微扭動(dòng)，當(dāng)獲得一個(gè)穩(wěn)定的模式輸出時(shí)停止。這并不是說(shuō)在基模時(shí)諧振腔就調(diào)整地非常好，恰恰相反，能夠?qū)崿F(xiàn)高階模，尤其是圓柱對(duì)稱(chēng)的高階模，諧振腔的對(duì)稱(chēng)性才最好。圖2是實(shí)驗(yàn)中觀察到的TEM01模式，圖2（a）是通過(guò)擴(kuò)束鏡后照射在白紙上拍照形成的，圖2（b）是實(shí)時(shí)觀測(cè)到的圖像。雖然擴(kuò)束鏡給出的結(jié)果看上去更清晰一些，但擴(kuò)束鏡是個(gè)短焦透鏡，在使用中的調(diào)整還是有些不方便。包括入射光的位置選擇，擴(kuò)束后拍照位置的選擇等，都需要一定的技巧和經(jīng)驗(yàn)。而實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)只要攝像頭固定好了，基本不用再調(diào)整，需要做的就是在電腦端記錄下比較理想的圖像。

圖3是一個(gè)非常難以獲得的模式，該模式在教科書(shū)中比較常見(jiàn)，大多數(shù)圖像都是給出的理論模擬圖像，如3（a）所示。該模式的獲得需要諧振腔的圓柱對(duì)稱(chēng)性得以滿足，而這個(gè)條件在氣體放電中往往很難滿足，實(shí)驗(yàn)中也是在多次調(diào)整過(guò)程中偶然獲得，而且重復(fù)性也很難保證。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還獲得了許多模式，這里就不一一展示。對(duì)于開(kāi)展激光實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)照教科書(shū)上的模式一一嘗試，如果能夠獲得當(dāng)然最好，可以理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)來(lái)加深認(rèn)識(shí)。如果實(shí)驗(yàn)中不能夠獲得某個(gè)模式，比如需要圓柱對(duì)稱(chēng)很好的模式，也可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件加以解釋。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)中往往會(huì)得到許多課本中所沒(méi)有的一些模式，這些模式往往是好幾個(gè)模式的疊加，可以利用現(xiàn)有的幾個(gè)模式通過(guò)疊加而獲得。這也能更好地認(rèn)識(shí)諧振腔的理論，理論上給出的都是單一的模式分布，而實(shí)驗(yàn)中大部分情況是多個(gè)模式的疊加。

四、小結(jié)

利用Matlab的圖像處理功能，介紹了攝像頭的獲取，圖像的獲取、存儲(chǔ)及后期處理方法。利用該方法實(shí)現(xiàn)了激光光斑圖像的實(shí)時(shí)獲取，從而可以實(shí)現(xiàn)激光模式的二維或三維實(shí)時(shí)在線顯示。對(duì)激光實(shí)驗(yàn)中獲得的模式結(jié)合理論進(jìn)行了一定分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)上不能獲得的模式以及教材中不存在的模式進(jìn)行了討論。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論對(duì)比，能夠?qū)α私饧す庵C振腔理論提供一定的幫助。

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A Simple Observing System for Laser Transverse Mode

CHEN Gang

（Department of Applied Physics，College of Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310023，China）

Abstract：In order to observe the transverse mode conveniently，a real time technology is designed to obtain the laser mode using the camera acquirement method in Matlab. Then the 2D or 3D graph of laser mode was displayed real-time on the computer by calculating the gray value of graph data. This method has the advantages of simple structure and low cost. It is benefit to the experiment of observing the laser mode real-time.

Key words：laser mode；Matlab；on-line observation；image processing