PDF《高斯光束束腰位置及尺寸的精确测量》

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1 5 收稿日期:

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1 6 基金资助: 大学生创新创业训练计划项目(

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6 1 ) 作者简介: 王W廷(

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8 1 ) , 男, 西安工业大学讲师, 主要研究方向为激光技术. E m a i l :

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9 0@q q . c o m. 近些年开发出了由电荷耦合元件( C h a r g e ? C o u p l e d D e v i c e s , C C D) 照相机组成的光束质量分析仪[

8 ] , 其特点在于将整个光束轮廓拍摄下来, 能够同时提 供整个光束的二维光强分布情况, 从而得到光束半 径, 再根据高斯光束的自由传输特性反推出束腰位 置和束腰半径, 这种测量方法不会受光强变化的影 响, 测量速度快, 但像素的大小成为测量精度的限 制因素, 而高分辨率的光束质量分析仪价格昂贵;

另外, 实际中高斯光束波前畸变也给光束半径的测 量带来一定误差, 反推过程中 光束 半径也 参与 运算, 使得测量结果具有较大误差. 如果实际中只有 普通的、 分辨率低的 C C D 照相机, 且待测高斯光束 的束腰半径又非 常小, 如何精确地 测量该 束腰 半径;

或者待测高斯光束近似平行, 如何精确地测量 束腰位置;

甚至束腰本身不能直接被仪器探测到, 如何精确地测量此种高斯光束的束腰位置及半径 尺寸. 文中提出了一种测量高斯光束参数的方法, 采用普通的 C C D 相机测量两个光斑半径值相等的 具体位置, 以期测量非常小的束腰半径、 近似平行 的高斯光束束腰位置以及束腰本身不能被仪器直 接探测到的高斯光束的束腰尺寸及位置.

1 测量装置及方法 测量装置如图1所示. 氦氖( H e ? N e ) 激光器发 射的激光经衰减( ) 并初步聚焦透镜( L e n s 1) 后作 为待测高斯光 束( I n c i d e n tB e a m) , 待测 高斯光 束 束腰半径为ω 0, 束腰位置距离薄透镜 L e n s 2距离 为 0, 薄透镜 L e n s 2焦距为, 待测高斯光束聚焦 以后的束腰半径及距离薄透镜 L e n s 2距离分别为 ω ′

0 和 ′

0 . C C D 相机( 尺寸为8mm *8mm) 固定 在数显平移台上面, 实际中由数显平移台改变其具 体位置. 图1 测量装置示意图 F i g .

1 T h em e a s u r e m e n t s e t u p 对于一般高斯光束而言, 束腰附近的光束半径 变化很小且大小值接近于束腰半径, 因此很难精确 地直接测量束腰半径大小及确定束腰位置, 但随着 高斯光束的传播, 远离束腰位置时, 光束会发散, 光 束半径大小增加且变化明显, 因此在这些位置可以 精确地测量光束半径的大小, 甚至用普通的测量仪 器就可以实现, 例如用低成本的 C C D 照相机等. 既 然高斯光束相对于束腰面对称, 实际中如果测得如 图1所示的任意两个光束半径 相同 的位置

1、 2对应的光束半径ω 1和ω 2, 且ω 1= ω 2, 则

1、 2中点即为高斯光束束腰位置 ′

0 , 且 ′

0 可以表示为 獭0=

1 + 2-

1 2 (

1 ) 根据式(

1 ) 可以确定高斯光束的束腰位置. 根据高 斯光束通过薄透镜的传输变换性质可得 獭0=+ ( 0-)

2 ( 0-)

2 + ( π ω

2 0 λ )

2 (

2 ) 其中λ为高斯光束对应的光波波长. 从式( 2) 看出, 只要用两个不同的薄透镜对高斯光束聚焦, 其焦距 分别为

1、 2, 并根据式( 1) 所示方法测得对应的 两个聚焦高斯光束的束腰位置分别为 ′

0 1 、 獭02,则根据式( 2) 推导得到待测高斯光束的束腰 位置 0和半径ω 0.