He-Ne激光光束遠場發(fā)散角的測量研究

趙小俠,袁宇博,楊小龍,馬進如,劉 晗,賀俊芳,楊森林

(西安文理學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院，西安 710065)

激光光束遠場發(fā)散角一直是評價激光光束質(zhì)量的重要指標和技術(shù)參數(shù).一方面它反映了激光遠距離發(fā)射時光束的發(fā)散特性，另一方面它與束腰的乘積則構(gòu)成了激光光束質(zhì)量的品質(zhì)因子(M2因子)[1-2]，因而 M2則包含了光束質(zhì)量的綜合特性[3]，可以較為直觀地說明了該激光光束可聚焦的程度.因此，精確測量激光遠場發(fā)散角有著十分重要的意義.測量激光發(fā)散角有多種方法，如套孔法、移動刀口法、移動狹縫法、探針掃描法和 CCD 攝像法等.在工程實際的檢驗和驗收中，為了使獲得的結(jié)果穩(wěn)定可靠，對激光發(fā)散角的檢測往往多采用套孔法[4].在本科生教育階段對于激光光束遠場發(fā)散角的測量主要有移動刀口法和CCD攝像法[5-6].

激光遠場發(fā)散角是基模高斯光束雙曲線的兩根漸近線之間的夾角，如圖1所示.

圖1 高斯光束遠場發(fā)散角

1 移動刀口法測量激光光束遠場發(fā)散角

(1)

實驗中因無法在無限遠處測量發(fā)散角，需用測量一個特別接近的近似值，可以證明[6]，當(dāng)z>7zf時.2θ(z)/2θ(∞)>99%，即當(dāng)z大于7zr時，測量出的遠場發(fā)散角的誤差在1%以內(nèi)，所以可以距離光源7zr以外測出遠場發(fā)散角的近似值.

在距離足夠遠處，全發(fā)散角為固定的一個值，可以在z>7zr處，利用z的值和相對應(yīng)ω(z)，利用公式：

2θ=2ω(z)/z

(2)

1.1 實驗測量裝置

移動刀口法測量激光遠場發(fā)散角的實驗裝置示意圖如圖2所示.

圖2 移動刀口法測量激光遠場發(fā)散角裝置的示意圖

He-Ne激光器的工作波長為632.8 nm，刀口安裝在移動的螺旋測微器上，螺旋測微器的精度為0.01 mm。功率計探頭安裝在刀口的X正方向和功率計連接在一起，激光最大輸出功率在選取的功率計量程內(nèi).

He-Ne激光器激光腔腔長100.0 mm，選取激光器輸出鏡距離刀口不同距離時逐點推入刀口時實驗測得的功率值實驗數(shù)據(jù)如下表1和表2所示，分別為激光輸出鏡口到刀口距離Z分別為2 000.0 mm和2 500.0 mm(遠遠滿足z>7zf條件)時所測的兩組數(shù)據(jù)，實驗中螺旋測微器每次推進值為0.04 mm，記錄一次功率值數(shù)據(jù).刀口與功率計探頭之間距離ΔZ=105.0 mm，在整個數(shù)據(jù)測量過程中均保持不變.

表1 激光輸出鏡到刀口距離Z1為2 000.0 mm時逐點推入時的測定數(shù)據(jù)

表2 激光輸出鏡到刀口距離Z2為2 500.0 mm時逐點推入時的測定數(shù)據(jù)

1.2 實驗數(shù)據(jù)處理

把測量到的激光功率值歸一化后得到的相對功率值與刀口移動距離間的關(guān)系見下圖3所示.

圖3 相對功率與刀口移動距離關(guān)系圖

把測量到的激光功率值歸一化后得到的相對功率值與刀口移動距離間的關(guān)系見下圖4所示.

圖4 相對功率與刀移動距離關(guān)系圖

2 高斯函數(shù)擬合法測量激光光束遠場發(fā)散角

根據(jù)上面刀口法實驗測量激光輸出鏡到刀口距離Z1為2 000.0 mm和Z2為2 500.0 mm時逐點推入時的測定的激光功率數(shù)據(jù)，對功率歸一化后可以用高斯函數(shù)擬合，得到的歸一化功率值擬合的高斯光斑圖見下圖5和圖6所示.

圖6 由歸一化功率值擬合的高斯光斑圖(Z2=2 500.0 mm)

圖5 由歸一化功率值擬合的高斯光斑圖(Z1=2 000.0 mm)

3 CCD攝像法測量激光遠場發(fā)散角

3.1 實驗裝置

CCD法測量激光遠場發(fā)散角的實驗裝置如下圖7所示.激光光斑直接射入光電探測器CCD，CCD經(jīng)數(shù)據(jù)線與電腦相連，通過軟件直接觀察激光光斑.

圖7 CCD法測量激光遠場發(fā)散角裝置的示意圖

一般情況下由于He-Ne激光光斑的功率密度值比較大，容易使CCD過飽和，因此需要加上可調(diào)衰減片，并在電腦上合理設(shè)置CCD曝光參數(shù)，得到合適的激光光斑.

3.2 實驗數(shù)據(jù)

實驗中分別測量了He-Ne激光器出光口到CCD距離為900.0 mm 和1 400.0 mm時的光斑圖像與光強分布圖，如下圖8所示，其中圖8中上面是出光口到CCD距離為900.0 mm時，圖下面是距離為1400.0 mm時的激光光斑和光強分布圖.

通過光斑分析軟件得到激光光斑在X方向和Y方向的遠場發(fā)散角分別為1.282 4 mrad和3.050 14 mrad，平均發(fā)散角為2.116 3 mrad.由圖形可以看出由于衰減片的使用導(dǎo)致激光光斑形狀發(fā)生畸變，導(dǎo)致激光在X方向的發(fā)散角有較大誤差.

4 結(jié)語

本文對He-Ne激光器的光斑發(fā)散角進行了研究，分別采用刀口法、擬合法和CCD法.刀口法測量實驗裝置簡單，實驗過程中需要保證激光功率不受背景光的影響，對實驗條件有較高要求，實驗數(shù)據(jù)量較大，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄誤差.在激光器輸出鏡到刀口距離Z分別為2 000.0 mm和2 500.0 mm進行了實驗研究，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算得到遠場發(fā)散角分別為1.600 95 mrad和1.423 064 mrad.擬合法可克服移動刀口法中可能出現(xiàn)的測量誤差，提高測量的精度.擬合法得到的遠場發(fā)散角分別為1.609 94 mrad和1.385 6 mrad.CCD法雖然能在一定程度上保證測量精度的提高，但激光的高功率密度特性容易使CCD存在過飽和現(xiàn)象，衰減片的使用雖然可以滿足測量的需要，但是有可能引起光斑的畸變，影響實驗結(jié)果.實驗測得的激光在X和Y方向的遠場發(fā)散角分別為1.282 4 mrad和3.050 14 mrad，平均發(fā)散角為2.116 3 mrad.誤差的來源主要是衰減片使激光光斑的變形導(dǎo)致.