近代光學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、光電器件光譜靈敏度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)原理：光電器件受光照后產(chǎn)生的光電效應(yīng)不同，可分為三類(lèi)：應(yīng)用外光電效應(yīng)而制成的器件有光電倍增管；應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）而制成的器件有各種光導(dǎo)管（光敏電阻）；應(yīng)用光生伏特效應(yīng)（阻擋層光電效應(yīng)）制成的器件有光電池（硅光電池、硒光電池）、光敏二極管、光敏三極管。光電器件所產(chǎn)生的光電流不僅與被照表面吸收的光通量有關(guān)，還與照射光的波長(zhǎng)有關(guān)。在正常條件下，對(duì)于同一波長(zhǎng)的光，光電器件所產(chǎn)生的光電流（或電壓）與被照表面吸收的光通量成正比；但它對(duì)不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)不同。如果不考慮照射光的波長(zhǎng)，則單位輻射通量引起的光電流的大小稱(chēng)為響應(yīng)率或積分靈敏度，簡(jiǎn)稱(chēng)靈敏度。如果只對(duì)單色光而言，

2、其響應(yīng)靈敏度則叫做光譜靈敏度。對(duì)某一單色光，當(dāng)被測(cè)光電器件表面所吸收的光通量為，該器件由此而產(chǎn)生的光電流為，與照射到該器件表面上的光通量成正比，其比值即為光譜靈敏度，用來(lái)表示由此可見(jiàn)，光譜靈敏度是光電器件接收單位單色輻射功率所產(chǎn)生的光電流，它反映了光電器件對(duì)單色光的光電轉(zhuǎn)換能力的大小，即光譜響應(yīng)的大小，因而光譜靈敏度又被稱(chēng)為“光譜響應(yīng)率”， 曲線(xiàn)被稱(chēng)為光譜靈敏度分布曲線(xiàn)，或叫做“光譜響應(yīng)曲線(xiàn)”。光譜靈敏度是波長(zhǎng)的函數(shù)，而且和也是波長(zhǎng)的函數(shù)。各種光電器件的光譜靈敏度分布情況與它們所采用的材料有關(guān)，即各種光電器件的光譜靈敏度的分布有所不同。通常定義當(dāng)光譜靈敏度的數(shù)值下降至靈敏度最大值的時(shí)所對(duì)應(yīng)的波

3、長(zhǎng)，為光電器件的探測(cè)極限波長(zhǎng)，所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值為光電器件的峰值波長(zhǎng)。因此測(cè)定出光電器件光譜靈敏度的分布曲線(xiàn)，就可確定其器件探測(cè)光波的工作范圍，即該器件的探測(cè)范圍，這在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的指導(dǎo)意義。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容預(yù)習(xí)包括以下方面：（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?；?）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理或涉及的知識(shí)點(diǎn)；（3）實(shí)驗(yàn)儀器與裝置；（4）實(shí)驗(yàn)方法、步驟、操作過(guò)程或設(shè)計(jì)方案（5）實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量與要求： 1測(cè)量硒光電池不同波長(zhǎng)照射下所產(chǎn)生的光電流i()； 2計(jì)算出相應(yīng)波長(zhǎng) 所對(duì)應(yīng)的光譜靈敏度S()，并將所得數(shù)據(jù)歸一化，繪出相應(yīng)的S()-曲線(xiàn)，并在S()-曲線(xiàn)上標(biāo)定出該光電器件的靈敏度峰值波長(zhǎng)(即Sm所對(duì)應(yīng)的m

4、值)，以及該光電器件所能探測(cè)的波長(zhǎng)范圍。預(yù)習(xí)思考與討論：1什么是光電器件?其基本工作原理是什么?幾種常用光電器件的使用范圍及工作電路是怎樣的? 光電器件的光譜靈敏度S()的物理含義是什么?測(cè)定它的意義是什么？2使用光電器件時(shí)要注意些什么?使用光電池時(shí)要特別注意什么?激光全息實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 掌握全息照相的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法。2. 熟悉全息照相的記錄與再現(xiàn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求 1. 拍攝菲涅爾全息圖，畫(huà)出所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)光路圖。2. 再現(xiàn)全息圖，并畫(huà)出再現(xiàn)原始像和共軛實(shí)像的光路圖。實(shí)驗(yàn)步驟 1. 打開(kāi)激光電源，設(shè)計(jì)和調(diào)整拍攝光路：激光束經(jīng)短焦距透鏡擴(kuò)束后，其透射光作為照射物體的光 (經(jīng)物體漫

5、反射而成物光)，其反射光作為參考光，使二者均照在底片上. 整個(gè)光路系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下條件： (1)物光和參考光的光程應(yīng)盡可能相等； (2)物光和參考光與底片法線(xiàn)夾角盡可能??； (3)漫反射物光與參考光的光強(qiáng)比取 1:2-1:5 (即被攝物距底片約5cm)。 2. 選定曝光時(shí)間(15-20秒),調(diào)好定時(shí)曝光器,關(guān)閉曝光快門(mén)； 3. 關(guān)閉照明燈，在全暗情況下將全息干板(底片)裝在底片夾上(注意:使感光藥膜面面向激光)，穩(wěn)定1-2分鐘后進(jìn)行曝光；曝光過(guò)程中要避免任何震動(dòng)。 4.顯影時(shí)間1-2分鐘，顯影結(jié)束后在清水中洗一下即可放入定影液，定影在15分鐘以上。定影完畢方可打開(kāi)照明燈，然后將干板水洗2分鐘，將

6、其晾干。（注意：顯影時(shí)間應(yīng)根據(jù)顯影液的濃度、環(huán)境溫度、曝光時(shí)間及感光板來(lái)確定或調(diào)整）5. 全息再現(xiàn): 將拍好的全息圖按拍攝時(shí)的放置方法置于底片夾上，用與參考光相同的激光束照射全息圖，迎著光線(xiàn)觀察，就能在物體的原位置上重現(xiàn)物體原始的立體象；用平行光或激光細(xì)光束照射全息圖，用光屏接收，可觀察到物體的共軛實(shí)象。注意事項(xiàng): 1. 正確判斷出全息干板的感光藥膜面，使其對(duì)著激光；2. 在曝光的過(guò)程中，盡量遠(yuǎn)離拍攝光路，不要講話(huà)走動(dòng)或引起震動(dòng)；3. 顯影和定影時(shí)應(yīng)將底片的感光面朝上，藥液不能太少。 4. 實(shí)驗(yàn)完畢,將藥液分別倒入桶內(nèi),并將藥液盤(pán)及漏斗清洗干凈。思考與討論： 1.全息照相與普通照相的異同點(diǎn)有哪

7、些？2.為什么要使物光與參考光的光程盡可能相等?3.菲涅爾全息圖再現(xiàn)像的特點(diǎn)有哪些？如果菲涅爾全息圖破碎了，為什么其中的碎片之一仍然能再現(xiàn)物體完整的像?4.試想記錄在全息圖上的干涉圖樣(相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的光柵)與正弦衍射光柵的不同之處。He-Ne激光模譜分析與測(cè)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解激光器模式的形成及特點(diǎn)，加深對(duì)其物理概念的理解；2 掌握激光模式分析與測(cè)量的基本方法，標(biāo)定出激光器的模式頻譜圖的模式結(jié)構(gòu)TEMmnq；3 了解共焦球面干涉儀的工作原理、性能及使用方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法1 按圖3-1-8的實(shí)驗(yàn)裝置方框圖接好線(xiàn)路，調(diào)整He-Ne激光器、共焦球面干涉儀及光電接收器共軸等高，直至在示波器熒

8、光屏上看到激光模式頻譜圖形。2 用已知腔長(zhǎng)的激光器標(biāo)定干涉儀的自由光譜區(qū)SR：采用輸出為基橫模的He-Ne激光器，腔長(zhǎng)L=25cm(即q為給出)，測(cè)出相鄰兩縱模的頻率間隔q所對(duì)應(yīng)的間距xq、自由光譜區(qū)SR所對(duì)應(yīng)的間距xSR(即相鄰兩個(gè)干涉序中對(duì)應(yīng)的同一縱模的間距)，根據(jù)“橫向坐標(biāo)正比于頻率變化”關(guān)系，計(jì)算出SR的實(shí)驗(yàn)值（原始數(shù)據(jù)要求測(cè)2次）。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)室給出的標(biāo)準(zhǔn)值SR=2667MHz，計(jì)算出相對(duì)誤差，并分析誤差原因。3 用掃描干涉儀分析未知腔長(zhǎng)激光器的模式：給定SR=2667MHz，通過(guò)分析該激光器那些譜線(xiàn)屬于同一個(gè)干涉序，那些是基橫模，那些是高階橫模，測(cè)量出相鄰兩個(gè)干涉序中對(duì)應(yīng)的同一縱模的

9、間距xSR、相鄰兩基橫模的間距xq 和相鄰兩橫模間距xmn，從而計(jì)算出q 和相鄰兩橫模頻率間隔mn（原始數(shù)據(jù)要求測(cè)次）。4 最后，分別畫(huà)出兩支激光器用TEMmnq表示的模式結(jié)構(gòu)圖。(提示:由示波器的橫向坐標(biāo)正比于頻率的關(guān)系可知：)【注意事項(xiàng)】1 激光器工作時(shí)電極兩端為高壓，在調(diào)節(jié)激光器時(shí)，切勿接觸到電極，以防觸電。2 旋轉(zhuǎn)偏置電壓時(shí)一定要緩慢、平穩(wěn)，以免造成掃描干涉儀的損壞。思考與討論：1 觀察示波器顯示屏上的激光模式頻譜圖，分析造成頻譜圖不穩(wěn)定的物理因素，并根據(jù)模式頻譜圖的移動(dòng)方向和物理原因，來(lái)判斷干涉儀的掃描頻譜中頻率增加的方向在示波器的橫向坐標(biāo)左方還是右方？2 實(shí)驗(yàn)中所測(cè)數(shù)據(jù)的誤差來(lái)源有

10、哪些？本實(shí)驗(yàn)中儀器的精度如何？光速測(cè)定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握光拍頻法測(cè)量光速的原理和方法，加深對(duì)拍頻波的形成條件與特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。2了解拍頻波和駐波各自不同的形成條件與特點(diǎn)，并對(duì)聲光效應(yīng)和壓電效應(yīng)有所認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法1接通激光電源，使激光器工作電流為5mA。接通15伏直流穩(wěn)壓電源，預(yù)熱一定時(shí)間后，調(diào)節(jié)高頻信號(hào)源的頻率為聲光頻移器的工作頻率（即滿(mǎn)足聲駐波條件，調(diào)節(jié)時(shí)一定要緩慢），使衍射光最強(qiáng)。2調(diào)整光路,使零級(jí)衍射光通過(guò)圓孔光闌，依次調(diào)節(jié)各全反鏡和半反鏡的調(diào)整架，使近程和遠(yuǎn)程的所有光束在同一水平面內(nèi)反射、傳播，直至近程光和遠(yuǎn)程光分別垂直照射到光電接收器的光敏面上，在示波器顯示屏上出現(xiàn)相應(yīng)的光拍頻

11、波形（此時(shí)再微調(diào)高頻信號(hào)源，使拍頻波的振幅最大），高頻信號(hào)源的頻率由頻率計(jì)數(shù)器測(cè)出。3調(diào)節(jié)斬光器的轉(zhuǎn)速，借助示波管的余輝在屏上同時(shí)看到近程光和遠(yuǎn)程光的兩個(gè)拍頻波形，并使其波形的振幅相等（若振幅不相等，可微調(diào)最后一個(gè)半反鏡的傾角或光電接收器的位置）。4移動(dòng)可動(dòng)正交反射鏡的位置以改變遠(yuǎn)程光的光程（即改變遠(yuǎn)近兩光束的光程差），當(dāng)二光拍信號(hào)同相(二波形重合)時(shí)，兩路光的光程差L等于拍頻波長(zhǎng) (從不同方向移動(dòng)“可動(dòng)鏡”的位置，要求測(cè)量2次或4次)。5計(jì)算光速，并與公認(rèn)值 c =299792458m/s相比較，并算出相對(duì)誤差，進(jìn)行誤差分析?！咀⒁馐马?xiàng)】1激光器的電極兩端為高壓，切忌觸摸激光器的電極，以保證

12、安全。2切忌用手指或其它污穢、粗糙物(如測(cè)量時(shí)用的鋼卷尺或?qū)Ь€(xiàn)頭)接觸光學(xué)元件的光學(xué)面。3當(dāng)斬光器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，切忌觸摸；避免斬光器長(zhǎng)時(shí)間工作而燒壞小電機(jī)。思考與討論：分析本實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源，并討論怎樣提高本實(shí)驗(yàn)的精度。在測(cè)量拍頻波長(zhǎng)時(shí)，移動(dòng)“可動(dòng)鏡”尋找兩光拍頻波同相位的位置(即二波形重合)，為什么要求從不同方向移動(dòng)“可動(dòng)鏡”并測(cè)量多次，試分析這里可能產(chǎn)生什么誤差？屬于偶然誤差還是系統(tǒng)誤差？應(yīng)采取什么措施和方法來(lái)減少這種誤差？3比較拍頻波和駐波的形成條件與特點(diǎn)有何異同點(diǎn)？光電器件光譜靈敏度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆展怆娖骷庾V靈敏度的基本原理及測(cè)量方法，了解其探測(cè)范圍和靈敏度峰值波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)原理：光電器件受

13、光照后產(chǎn)生的光電效應(yīng)不同，可分為三類(lèi)：應(yīng)用外光電效應(yīng)而制成的器件有光電倍增管；應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）而制成的器件有各種光導(dǎo)管（光敏電阻）；應(yīng)用光生伏特效應(yīng)（阻擋層光電效應(yīng)）制成的器件有光電池（硅光電池、硒光電池）、光敏二極管、光敏三極管。光電器件所產(chǎn)生的光電流不僅與被照表面吸收的光通量有關(guān)，還與照射光的波長(zhǎng)有關(guān)。在正常條件下，對(duì)于同一波長(zhǎng)的光，光電器件所產(chǎn)生的光電流（或電壓）與被照表面吸收的光通量成正比；但它對(duì)不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)不同。如果不考慮照射光的波長(zhǎng)，則單位輻射通量引起的光電流的大小稱(chēng)為響應(yīng)率或積分靈敏度，簡(jiǎn)稱(chēng)靈敏度。如果只對(duì)單色光而言，其響應(yīng)靈敏度則叫做光譜靈敏度。對(duì)某一單色光，

14、當(dāng)被測(cè)光電器件表面所吸收的光通量為，該器件由此而產(chǎn)生的光電流為，與照射到該器件表面上的光通量成正比，其比值即為光譜靈敏度，用來(lái)表示：，由此可見(jiàn)，光譜靈敏度是隨波長(zhǎng)變化的函數(shù)。換言之，光譜靈敏度是光電器件接收單位單色輻射功率所產(chǎn)生的光電流，它反映了光電器件對(duì)單色光的光電轉(zhuǎn)換能力的大小，即光譜響應(yīng)的大小，因而光譜靈敏度又被稱(chēng)為“光譜響應(yīng)率”， 曲線(xiàn)被稱(chēng)為光譜靈敏度分布曲線(xiàn)，或叫做“光譜響應(yīng)曲線(xiàn)”。光譜靈敏度是波長(zhǎng)的函數(shù)，而且和也是波長(zhǎng)的函數(shù)。各種光電器件的光譜靈敏度分布情況與它們所采用的材料有關(guān)，即各種光電器件的光譜靈敏度的分布有所不同。通常定義當(dāng)光譜靈敏度的數(shù)值下降至靈敏度最大值的時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)

15、，為光電器件的探測(cè)極限波長(zhǎng)，所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)值為光電器件的峰值波長(zhǎng)。因此測(cè)定出光電器件光譜靈敏度的分布曲線(xiàn)，就可確定其器件探測(cè)光波的工作范圍。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求： 1測(cè)定硒光電池的光譜靈敏度的分布曲線(xiàn)S()-，確定該光電器件所能探測(cè)的波長(zhǎng)范圍，及其靈敏度峰值波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)包括以下方面：（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?；?）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理或涉及的知識(shí)點(diǎn)；（3）實(shí)驗(yàn)儀器與裝置；（4）實(shí)驗(yàn)方法、步驟、操作過(guò)程或設(shè)計(jì)方案（5）實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。He-Ne基模激光器的光束特性與發(fā)散角的測(cè)量實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 進(jìn)一步了解基模激光器，掌握其光束傳播特性和橫向光強(qiáng)分布特點(diǎn)；2. 掌握逐點(diǎn)法測(cè)量光束橫向光強(qiáng)的分布，

16、以及如何確定光束光斑的尺寸；3. 測(cè)量激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，對(duì)其激光發(fā)散角有一個(gè)定量的了解。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求 1.調(diào)節(jié)光路：使激光束垂直照射到光接收器的平面上，取光束傳播距離大于； 2. 測(cè)量光束的光強(qiáng)的分布：首先觀察光強(qiáng)的變化范圍，選擇檢流計(jì)合適的量程檔，使其最大電流達(dá)到滿(mǎn)刻度的2/3以上；然后進(jìn)行精確測(cè)量（注意：一定要使小孔掃描沿著通過(guò)光斑直徑的方向進(jìn)行），記錄與位置的數(shù)據(jù)，要求每隔0.5mm 測(cè)一個(gè)點(diǎn)，并在光強(qiáng)的峰值附近可間隔小一些；3.測(cè)量激光的傳播距離（ 在激光器輸出端的平面反射鏡的位置）；4.繪出曲線(xiàn)（令光強(qiáng)最大時(shí)，），由曲線(xiàn)按定義確定其光斑的大??；5.計(jì)算所測(cè)激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角；6.

17、利用和的數(shù)據(jù)，繪出 關(guān)系線(xiàn)，以此驗(yàn)證該激光束為高斯函數(shù)分布?！咀⒁馐马?xiàng)】 1.檢流計(jì)一般用最大量程 X0.01檔； 若電流太大，可采用“檢流計(jì)量程改裝”線(xiàn)路，或直接用并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行分流，但注意的是，測(cè)量過(guò)程中檢流計(jì)不能換檔。 2.測(cè)量光強(qiáng)與位置時(shí)，應(yīng)使入射光方向與光電接收器移動(dòng)的方向垂直，并注意使測(cè)量點(diǎn)通過(guò)光斑中心；測(cè)量時(shí)，光電接收器應(yīng)沿同一方向移動(dòng)，中途不得倒轉(zhuǎn)，以免產(chǎn)生回程差，且旋轉(zhuǎn)時(shí)要緩慢、平穩(wěn)，避因震動(dòng)影響檢流計(jì)的示數(shù)。 3.若移動(dòng)檢流計(jì)，應(yīng)先關(guān)閉檢流計(jì)的儀器開(kāi)關(guān)旋鈕，或置于“短路”檔，否則易損壞儀器。 4.接通激光器時(shí)，應(yīng)注意區(qū)分激光器的正、負(fù)極，切勿接反；激光器工作時(shí)電極兩端為

18、高壓，在實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)切勿接觸激光器的電極,以保證安全。關(guān)閉激光器時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉激光電源，然后小心取下電極使之短路放電。另外勿用眼直接看激光或經(jīng)全反鏡反射的激光直射到眼睛。思考與討論： 1. 繪曲線(xiàn)時(shí)，為什么在光強(qiáng)最大時(shí)令，由曲線(xiàn)如何確定其光斑的大小；2.利用繪出的關(guān)系線(xiàn)，為什么說(shuō)能驗(yàn)證激光束為高斯光束？ 3. 為什么必須要求測(cè)量光斑的直徑上的光強(qiáng)，而不只是測(cè)量光斑的半徑上的光強(qiáng)？在光斑的中心附近減小測(cè)量間隔是為什么？He-Ne基模激光器的光束特性與發(fā)散角的測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理激光束的發(fā)散角是激光的重要參數(shù)之一。它反映激光遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的發(fā)散特性，是評(píng)估激光儀器的品質(zhì)和激光的傳輸質(zhì)量的重要參數(shù)。隨著激光技術(shù)日

19、益廣泛的應(yīng)用，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，如激光通訊、激光雷達(dá)、激光測(cè)距和空間光通信等都要求激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角小，特別是精確制導(dǎo)武器和衛(wèi)星導(dǎo)航等，對(duì)光源提出了更為嚴(yán)格的要求。（一）高斯光束的電矢量根據(jù)激光原理，采用穩(wěn)定腔的激光器，它所發(fā)射的基橫模激光是高斯光束，對(duì)于沿軸方向傳播的高斯光束，其電矢量表達(dá)式為 (1)其中為基模高斯光束的腰斑半徑；為與傳播軸線(xiàn)相交于點(diǎn)的高斯光束等相位面的曲率半徑；是點(diǎn)的電矢量振幅為中心最大值的時(shí)離中心的距離，稱(chēng)為點(diǎn)的光斑尺寸，又叫光斑半徑或有效截面半徑（簡(jiǎn)稱(chēng)光腰）。式(1)中參數(shù)，分別為= (2) = (3)式中，是高斯光束的準(zhǔn)直距離，是指從點(diǎn)（0,0,0）到(0,0,)這

20、段距離內(nèi)可近似看成平行光（因?yàn)檫@段范圍內(nèi)的發(fā)散角很?。Ｊ歉咚构馐囊粋€(gè)特征參量，由激光器的輸出波長(zhǎng)和腔的結(jié)構(gòu)決定。對(duì)于共焦腔（兩個(gè)反射鏡的曲率半徑與腔長(zhǎng)相等），。對(duì)于廣泛使用，的平凹腔，其光束的腰斑半徑不僅與激光器的輸出波長(zhǎng)和腔長(zhǎng)有關(guān)，還與腔鏡的曲率半徑有關(guān)，有= (4)（二）高斯光束光強(qiáng)分布由公式（1）可得基模激光束波陣面上的光強(qiáng)分布 (5)其中是處的波陣面上的光斑中心點(diǎn)的光強(qiáng)，為該波陣面上的光強(qiáng)最大值。對(duì)于一個(gè)確定的與傳播軸線(xiàn)(即腔軸)相交于點(diǎn)的波陣面，、和的值都是確定的，但波面上的光強(qiáng)是不均勻的，它隨著離開(kāi)腔軸的距離的增大按高斯指數(shù)而衰減，如圖1（b）所示。而且是以腔軸為中心在半徑為的

21、圓上的各點(diǎn)光強(qiáng)均相同，所以基模激光束波陣面上的光強(qiáng)對(duì)于軸心是對(duì)稱(chēng)分布的，其強(qiáng)度集中在軸線(xiàn)及其附近。由于光斑半徑遠(yuǎn)小于該處波陣面的曲率半徑，故激光束的橫截面與其波陣面基本重合，因此通常所說(shuō)激光束橫截面上光強(qiáng)分布即是指波陣面上的光強(qiáng)分布。在實(shí)驗(yàn)中，就是通過(guò)測(cè)量光束橫截面上的光強(qiáng)分布來(lái)反應(yīng)其波陣面的光強(qiáng)分布。（三）高斯光束的遠(yuǎn)程發(fā)散角公式（2）可改寫(xiě)為以下的形式 （6）即光斑半徑的軌跡是一組雙曲線(xiàn)，如圖1（a）所示。在光腰處，光斑尺寸最小，隨的增大，光斑尺寸按雙曲線(xiàn)規(guī)律向外擴(kuò)展，即高斯光束就是以（6）式的雙曲線(xiàn)繞z 軸旋轉(zhuǎn)所構(gòu)成的回轉(zhuǎn)雙曲面為界的光束。(a) (b)圖1 高斯光束由此可見(jiàn)，激光束并不

22、嚴(yán)格平行，它具有一定的發(fā)散度，一般用全發(fā)散角表征它的發(fā)散度： （7）在= 0處，= 0；在的遠(yuǎn)場(chǎng)情況下，光束的發(fā)散角稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，此時(shí)有 (8)可見(jiàn)是個(gè)定值，它稱(chēng)為激光束的遠(yuǎn)程發(fā)散角（或稱(chēng)遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，又直接稱(chēng)為激光的發(fā)散角）。顯然，高斯光束的遠(yuǎn)程發(fā)散角正是雙曲線(xiàn)的漸近線(xiàn)的夾角，如圖1（a）所示。不難證明，當(dāng)z7時(shí)， （9）即在實(shí)驗(yàn)中，只要取大于7，即可認(rèn)為測(cè)得的發(fā)散角是遠(yuǎn)程發(fā)散角。（四）高斯光束的等相面高斯光束的相移特性由（1）式中的相位因子決定，位相因子用表示 （10）它描述高斯光束在點(diǎn)（x,y,z）處相對(duì)于原點(diǎn)（0，0，0）處的相位移滯后。其中描述幾何相移，arctg描述高斯光束在空間行

23、進(jìn)距離時(shí)相對(duì)幾何相移的附加相位超前，因子表示與橫向坐標(biāo)（x,y）有關(guān)的相移，它表明高斯光束的等相面是以為半徑的球面，由（3）式給出。由（3）式可見(jiàn)，等相面的曲率半徑隨著的變化而取不同的值，并且不同位置的等相面的曲率中心也不同，一般不在原點(diǎn)。但在幾種特殊位置時(shí)的情況有：當(dāng)=0時(shí)，表明光腰所在處的等相面為平面。當(dāng)時(shí)，表明離光腰無(wú)限遠(yuǎn)處的等相面亦為平面，而且曲率中心就在光腰處。因此，足夠大時(shí)，等相面的曲率中心向原點(diǎn)趨近，這就意味著足夠大時(shí)高斯光束可以近似看成曲率中心在原點(diǎn)的“球面波”，但值得注意的它是不同于“點(diǎn)光源發(fā)射的均勻球面波”，因?yàn)楦咚构馐认嗝嫔系墓鈴?qiáng)分布為非均勻的高斯分布。 綜上所述，激光器輸出的基模是在共軸穩(wěn)定諧振腔中產(chǎn)生的一種特殊的高斯光束，在其軸線(xiàn)附近可近似看作是一種非均勻的球面波，等相面的曲率中心隨著傳輸過(guò)程而不斷改變（因此又稱(chēng)高斯光束為變心球面波），但等相面上的振幅（或光強(qiáng)）始終保持高斯分布的特性。實(shí)驗(yàn)儀器與裝置基模He-Ne激光器、可讀數(shù)滑軌、光電接收器、檢流計(jì)或微電流測(cè)試儀、小孔光屏、可調(diào)平面反射境、米尺。高斯光束于發(fā)散角測(cè)量的裝置如圖