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激光光束分析实验报告

发布时间：2019-11-10 来源：文档文库

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激光光束分析实验报告
引言
1960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。b5E2RGbCAP
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、因子的倒数K因子<通常称为光束传播因子）。其中因子和因子为国际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。p1EanqFDPw
因子的定义为：

其中为实际光束束腰宽度，为实际光束远场发散角。采用模(因子时，作为光束质量比较标准的是理想高斯光束。基，可以证明对于模> 高斯光束有最好的光束质量，其。一般的激光光束有因子越大，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的拉格朗日守恒量。DXDiTa9E3d 实验原理
不变，是几何光学中
如图选定坐标系。设光束的束腰位置为，束腰直径为，远场发散角为。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为：RTCrpUDGiT

。光束传播方程的一级近似光束的因子为：

其中n为传播介质折射率，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。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自变量。对于高斯光束，可以证明：5PCzVD7HxA

其中：

因此只要测出能量密度函数直面上的光束直径有了测量光束直径。
就可以求出传播轴上任一垂的方法后，分别在轴向位置和处测量能量密度函数，求出光束直径传播的一级近似方程jLBHrnAILg
，之后将其代入光束中，得到方程组：
由该方程组可以求出束腰直径已知的情况下，就能求出因子。
与远场发散角。在光束波长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。xHAQX74J0X 实验内容
利用型激光光束分析仪分析半导体激光器的激光束，测因子、瑞利距离、焦深等数据。量束腰直径、远场发散角、LDAYtRyKfE
实验所用仪器：激光光束分析仪

实验步骤：
1.按照光束取样光路调节好激光光路。 2.利用相机接收激光束，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。Zzz6ZB2Ltk
3.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：

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。

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，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，因此无法测量值，即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。dvzfvkwMI1 观察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”。使用软件的功能可以消除上的直流背景噪声，但我们使用该功能后没有发现图像有明显改善。rqyn14ZNXI
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。这可能是由于有的背景噪声或是外部干扰引起的。EmxvxOtOco
固
我们认为，本实验的误差主要来自以下几个方面。
(1>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。 (2> (3>在暗箱内分辨率较小，影响了精确度。
对可见光波段仍然存在噪声，因此我们推测以外的光也有反应，于是造成了误差。
(4>光路调节时，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。SixE2yXPq5

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/2d8970d5e55c3b3567ec102de2bd960591c6d9d7.html