氦氖激光束光斑大小和發(fā)散角的測(cè)量

1、氦氖激光束光斑大小和發(fā)散角的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握測(cè)量激光束光斑大小和發(fā)散角的方法。2、深入理解基模激光束橫向光場(chǎng)高斯分布的特性及激光束發(fā)散角的意義。實(shí)驗(yàn)儀器氮氤激光器、光功率指示儀、硅光電池接收器、狹縫、微動(dòng)位移臺(tái)等。實(shí)驗(yàn)原理1、激光原理概述普通光源的發(fā)光是由于物質(zhì)在受到外界能量作用，物質(zhì)的原子吸收能量躍遷到某高能級(jí)（氣），原子 處于此高能級(jí)的壽命約為10-8 10-9 S，即處于高能級(jí)的原子很快自發(fā)地向低能級(jí)（氣）躍遷，產(chǎn)生光電 磁輻射，輻射光子能量為加=E E21這種輻射為自發(fā)輻射，此輻射過(guò)程是隨機(jī)的，即各發(fā)光原子的發(fā)光過(guò)程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)。各原子發(fā) 出的光子位相、偏振態(tài)和傳播方向也各不

2、相同。另一方面由于原子能級(jí)有一定寬度，所發(fā)出的光的頻率 也不是單一的。根據(jù)波耳茲曼分布規(guī)律，在通常熱平衡條件下，處于高能級(jí)的原子數(shù)密度遠(yuǎn)低于處于低 能級(jí)的原子數(shù)密度。因此普通光源所輻射出的光的能量是不強(qiáng)的。由量子理論可知，物質(zhì)原子的一個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)其電子的一個(gè)能量狀態(tài)。描寫原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除 能量外，還有軌道角動(dòng)量L和自旋角動(dòng)量，它們都是量子化的。電子從高能級(jí)態(tài)向低能級(jí)態(tài)躍遷只能 發(fā)生在L = 1的兩個(gè)狀態(tài)之間，這是選擇原則。若選擇原則不滿足，則躍遷的幾率很小，甚至接近零。 在原子中可能存在這樣一些能級(jí)，一旦電子被激發(fā)到這一能級(jí)上，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，可使它 在這種能級(jí)上的壽命很長(zhǎng)，不易

3、發(fā)生自發(fā)躍遷，這種能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。但在外加光的誘發(fā)下可以迅 速躍遷到低能級(jí)，并發(fā)出光子。此過(guò)程稱為受激輻射，是激光的基礎(chǔ)。受激輻射過(guò)程大致如下：原子開(kāi)始處于高能級(jí)（E2），當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量hv正好為某一對(duì) 能級(jí)之差（E E），則這原子在此外來(lái)光子的誘發(fā)下由E躍遷至E，發(fā)生受激輻射，并輻射一個(gè)光子。2121受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)，就是受激輻射發(fā)出的光子與誘發(fā)光子為同態(tài)，即兩光子的頻率（能量）發(fā)射方向、偏振態(tài)以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個(gè)光子，就出射兩個(gè)完全相同的光子，這 意味著原來(lái)光信號(hào)被放大。這種在受激過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光，稱為激光。雙能級(jí)原子中的三種躍遷過(guò)程如下：

4、OEJ. 2；O-(a)自發(fā)輻射過(guò)程(c)受激輻射過(guò)程E2E1/WW 士 ：O!E(b)受激吸收過(guò)程高能級(jí)態(tài)原子o低能級(jí)態(tài)原子外來(lái)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處于高能級(jí)態(tài)的原子數(shù)目 比處于低能級(jí)態(tài)的原子還多時(shí)，受激輻射才能超過(guò)受激吸收，才能產(chǎn)生激光。工作物質(zhì)的原子處于高能 級(jí)的數(shù)目比處于低能級(jí)的多，這稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。根據(jù)波耳茲曼分布規(guī)律，在熱平衡條件下，高能級(jí)上 的原子數(shù)目遠(yuǎn)小于低能級(jí)上的原子數(shù)，原子幾乎都處于最低能級(jí)態(tài)(基態(tài))。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激 光的必要條件。激光器一般包括三個(gè)部分。激光工作物質(zhì)：可以是固體、氣體、液體或半導(dǎo)體。這種介質(zhì)可以實(shí) 現(xiàn)粒子數(shù)反

5、轉(zhuǎn)。激勵(lì)源：為使工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)介質(zhì)原子體系。有 電激勵(lì)、光激勵(lì)、熱激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)等。諧振腔：由放置在激光器兩端相對(duì)而裝的兩塊反射率很高的 鏡面構(gòu)成，一方面可使部分激光反射回工作介質(zhì)中繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，實(shí)現(xiàn)光放大。另一方面實(shí)現(xiàn) 激光光波場(chǎng)模式選擇。激光束的發(fā)散角和橫向光斑大小是激光應(yīng)用中的兩個(gè)重要參數(shù)，激光束雖有方向性好的特點(diǎn)，但也 不是理想的平行光，而具有一定大小的發(fā)散角。在激光準(zhǔn)直和激光干涉儀中都需要設(shè)置擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡來(lái)減 小激光束的發(fā)散度。2、激光束的發(fā)散角0激光器發(fā)出的激光束在空間的傳播如圖所示，光束橫截面最細(xì)處稱為束腰。選激光束的束腰截面的中點(diǎn)作為坐標(biāo)原

6、點(diǎn)建立柱坐標(biāo)(z, r,中)，光束傳播方向?yàn)閦坐標(biāo)方向。設(shè)光束束腰截面半徑為氣， 則距束腰為z處的光斑半徑w(z)為：w (z )= w0式中人為激光波長(zhǎng)。上式可寫為雙曲線方程:w(z)2兀W2 .快1-0 J0定義雙曲線漸近線的夾角。為激光束的發(fā)散角，則式中z要求足夠大。即只要測(cè)得離束腰很遠(yuǎn)的z處的光斑大小2w(z)，便可算出激光束的發(fā)散角。3、激光束橫向光場(chǎng)分布激光束沿z軸傳播，其基模的橫向光場(chǎng)振幅0隨柱坐標(biāo)值,的分布為高斯分布形式:式是E0(z)為離束腰z處橫截面內(nèi)中心軸線上的光場(chǎng)振幅，w(z)為離束腰z處橫截面的光束半徑，氣。(r)則為該橫截面內(nèi)離中心r處的光場(chǎng)振幅。由于橫向光場(chǎng)振幅分

7、布為高斯分布，古攵這樣的激光束稱為高斯光束。當(dāng)r=w (z)時(shí)，則E00(r)為E0(z)的1e倍。光束半徑w (z)定義為振幅下降到中心振幅實(shí)際測(cè)量中，所能測(cè)得的是光束橫向光強(qiáng)分布，光強(qiáng)正比于振幅的平方，則光強(qiáng)分布為100 (r )= E00 (r )= E0 (z )=I01e點(diǎn)處離中心的距離。exp -2r 2(z )exp -2r2/w2(z )式中I表示所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)。光束半徑w(z)也可定義為光強(qiáng)下降為中心光強(qiáng)的e-2點(diǎn)處離中心點(diǎn)的距離。在光束半徑w(z)范圍內(nèi)集中了 86.5%的光功率。上圖實(shí)線所標(biāo)示的為光強(qiáng)的歸一化高斯分布。4、光束半徑和發(fā)散角的測(cè)量氦氖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、

8、體積不大、輸出的光波長(zhǎng)為632.8nm的紅光。本實(shí)驗(yàn)對(duì)氦氖激 光器輸出的基模高斯光束的光束半徑和發(fā)散角進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置如下圖所示，所用的激光器為平 凹型諧振腔，其腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，凹面鏡曲率半徑為R，則由激光原理內(nèi)容可知，對(duì)應(yīng)的基模高斯光束的束腰處的光斑半徑(束腰)為光功率指示儀平凹型諧振腔激光器輸出的高斯光束的束腰位于諧振腔輸出平面鏡的位置，實(shí)驗(yàn)測(cè)量距束腰距離z 約為3 5m處的光束半徑。實(shí)驗(yàn)上為了縮短測(cè)量裝置的長(zhǎng)度，采用了平面反射鏡折返光路。測(cè)量時(shí)狹縫連同其后面的硅光電池作為一個(gè)整體沿光束直徑方向作橫向掃描，由和硅光電池連接的反射式檢流計(jì)給出激光束光強(qiáng)橫向分布。根據(jù)測(cè)得的激光束光強(qiáng)橫向分布曲

9、線，求出光強(qiáng)下降到最大光強(qiáng)的e -2(e = 2.71828,e-2 = 0.13533)倍點(diǎn)處坐標(biāo)到最大光強(qiáng)點(diǎn)處坐標(biāo)的距離，即為光束半徑巧(z)，它就是激光光斑大小的描述。根據(jù)式。=2w(z),z算出光束發(fā)散角。實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)應(yīng)使測(cè)量狹縫的寬度小于光斑大小的110。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)量前的準(zhǔn)備按實(shí)驗(yàn)裝置圖擺好光路各部件，打開(kāi)氦氖激光器電源，待激光器輸出激光穩(wěn)定，調(diào)整標(biāo)尺及平面反 射鏡使激光束照到測(cè)量狹縫，取乙值約為3 5m，取縫寬小于光斑大小的110，接好光功率指示儀。2、光強(qiáng)橫向分布的測(cè)量移動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)，使狹縫和硅光池接收器同時(shí)掃過(guò)光束，移動(dòng)的方向應(yīng)與光傳播方向垂直。每隔0.1 0.2mm，記錄光功率指示儀的讀數(shù)值，重復(fù)測(cè)量三次，進(jìn)行激光束的光強(qiáng)橫向分布測(cè)量，測(cè)量z 值。3、光斑半徑w(z)及發(fā)散角