He-Ne激光器束腰光斑的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

鄭秋莎,胡鈺黎

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

He-Ne激光管的兩端是組成光學(xué)諧振腔的涂有多層介質(zhì)膜的高反射鏡片，中間是抽成真空后充氦氣和氖氣的放電管。He-Ne激光器具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，功率小的激光器價(jià)格也便宜，所以是實(shí)驗(yàn)室常用的一種激光光源。在大學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，He-Ne激光器主要用來(lái)準(zhǔn)直、干涉、衍射等實(shí)驗(yàn)。光電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可能涉及激光模式，高斯光束變換，激光散斑等實(shí)驗(yàn)[1]。光斑尺寸和束腰光斑尺寸[2-3]是實(shí)驗(yàn)中的重要物理參量，以常見的氦氖激光器為例，本文利用CCD測(cè)量了He-Ne激光器束腰光斑輸出特性，測(cè)量了光斑束腰大小，并研究了不同光環(huán)境對(duì)CCD測(cè)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用的氦氖激光器的波長(zhǎng)632.8nm，腔長(zhǎng)250mm，輸出功率1.6mw，輸出模式為單模。單模高斯光束的光斑測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究裝置圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中衰減片用偏振片取代。實(shí)驗(yàn)所要用到的實(shí)驗(yàn)裝置放在光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，衰減片和探測(cè)器CCD放在有尺寸標(biāo)識(shí)的導(dǎo)軌上。CCD是二維的面陣，它能夠?qū)⒐饩€變?yōu)殡姾?，也可將存?chǔ)之電荷使電壓發(fā)生變化顯示出來(lái)，可以探測(cè)光斑的光強(qiáng)分布狀態(tài)[4]。

圖1 光斑測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程首先調(diào)節(jié)支架的高度，使得激光的輸出光束在同一水平高度，并使激光光束依次通過(guò)各器件的中心，最后入射到CCD，注意減小激光光強(qiáng)，以免損壞CCD器件。用CCD采集卡連接計(jì)算機(jī)，并用光斑分析軟件分析得到光斑大小的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)1：室內(nèi)黑暗條件下，對(duì)激光器的高斯光束光斑進(jìn)行測(cè)量。取激光器輸出端面的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O，在導(dǎo)軌上移動(dòng)CCD的位置并測(cè)量光斑半徑，導(dǎo)軌移動(dòng)的方向設(shè)為Z軸。為盡量減小偶然誤差，每個(gè)位置測(cè)量了7次，去掉最大值和最小值后取平均。不同位置光斑大小的平均值的數(shù)據(jù)如表 1所示。

表1 室內(nèi)黑暗條件下高斯光束在不同位置光斑半徑

實(shí)驗(yàn)2：室內(nèi)燈光下，對(duì)激光器直接輸出的高斯光束進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 室內(nèi)燈光下高斯光束在不同位置光斑半徑半徑

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析

高斯光束沿著導(dǎo)軌Z軸傳播，各處的光斑半徑的包絡(luò)線是一個(gè)雙曲面，該雙曲面有漸近線。在任何Z位置，光斑半徑大小的公式可以表示如下[5]：

(1)

式中：f是焦參數(shù)，ω0是高斯光束傳輸中的最小光斑，稱為束腰半徑，z0是束腰位置，ω(z)是位置z處的光斑半徑。用A，B，C取代式(1)中的參數(shù)：

ω(z)2=Az2+Bz+C

(2)

根據(jù)上面表格中不同位置的光斑半徑，然后用最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合，可以得到系數(shù)A，B，C，再根據(jù)式(1)(2)就可以計(jì)算出高斯光束的束腰光斑ω0。

根據(jù)表1 擬合的曲線如圖2所示，其中二次項(xiàng)系數(shù)A=1.07808E-5，一次項(xiàng)系數(shù)B=-0.00347，常數(shù)項(xiàng)系數(shù)C=2.06966。由公式(1)(2)計(jì)算，得到ω0=1.34mm。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)擬合得到圖3，得到A=1.87827E-5，B=-0.0028，C=1.59189.

計(jì)算得ω0=1.22mm。

在室內(nèi)黑暗和有燈光兩種情況下，測(cè)量光斑半徑時(shí)取的位置都是相同的。測(cè)量結(jié)果顯示有環(huán)境光時(shí)，光斑軟件計(jì)算出的光斑半徑整體偏大，而擬合的束腰光斑半徑偏小，數(shù)據(jù)波動(dòng)也較大。說(shuō)明由于CCD對(duì)光線的敏感度，環(huán)境光會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大的影響。

圖2 室內(nèi)黑暗條件下高斯光束光斑半徑變化

圖3 室內(nèi)燈光時(shí)高斯光束光斑變化

3 結(jié)論

本文利用CCD探測(cè)了He-Ne激光器的高斯光束光斑大小，環(huán)境光對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，為了減少環(huán)境光的影響，應(yīng)該盡量減少外界光進(jìn)入CCD。同時(shí)，由于CCD對(duì)光敏感特性，數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性受到較大影響，應(yīng)改進(jìn)光斑分析軟件的采集方式減少偶然誤差。另外，Z軸位置的選取也對(duì)擬合結(jié)果影響較大，這個(gè)有待后續(xù)更多實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。