90/10刀口法测量激光高斯光束束腰的实验研究

　　1　引　言

　　在激光技术及应用中,激光束腰的尺寸是一个重要的参数,它的精度直接影响激光光束质量因子的判定。在激光器的设计中它的大小还会影响对晶体热效应的估算。激光光束直径的测量一般有套孔法、刀口法、CCD法等。对于套孔法,在实验上很难做到孔与光束同心,因而精度难以保证。而CCD法虽然精度高,但仅对低功率的光束测量适用。而对于高功率激光,CCD存在饱和现象,如果用衰减片,则会引起光束的畸变。而刀口法不存在上述问题,对高能量光束半径的测量特别实用。因而,刀口法是一种测量高斯光束光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法[1]。但是以往刀口法的研究大多只集中在光斑直径位置所对应的能量百分比的理论研究上,采用90/10刀口法对高斯光束光斑及束腰进行测量的研究基本没有。

　　2　实验理论及方法

　　图1是单横模激光束圆对称的激光光斑的能量分布曲线。其光强分布为:

　　式中,I0为光斑中心极大处的光强; I为距离中心r处的光强;ω(z)为z处横截面内光强降落到中心值的1/e2的光斑直径。

　　由于光束能量的这种分布模式,使得激光光斑横向尺寸的测量很值得研究。我们采用90/10刀口法对高斯光束光斑及束腰进行测量,方法如下:

　　将刀片固定在可四维调节的光学平台上,且平台下面装有沿前后、左右两垂直方向都可较长距离旋进的螺旋测微器,使刀片所在的平面垂直于高斯光束轴线(Z轴),如图2所示。设在刀片没有遮挡时高斯激光光束的功率为P,沿-X轴方向旋转测微器移动刀口,当刀口运动X1到处时,刀片会挡住10%的激光功率,即此时功率计探测到的功率为P1,且P1=90%P时,记录下此位置所对应的螺旋测微器示数X1。再沿-X轴方向继续移动刀口,当功率计示数为P2,且P2=10%P时,记录下此位置所对应的螺旋测微器示数X2。此时测量到的高斯光束束腰的直径ω=X1-X2。再旋转纵向螺旋测微器,在高斯光束束腰两侧沿Z轴等距离间隔测出一组光束直径ωn,如图3所示,就可以通过双曲线拟合方程拟合出系数A,B,C,再通过公式计算出高斯光束束腰直径的测量值ω[2-3]。进而计算得实际的高斯光束束腰直径为ω0=1·561ω[4]。

　　3　实验装置

　　如图4所示,LD泵浦的TEM00模运转激光波长为1064nm的Nd∶YVO4激光器经过透镜M1、M2、耦合系统(扩束比1∶0·5)聚焦,对A、B束腰的大小进行测量。

　　整个实验装置只需要:一刀口较好的刀片、可安装刀片的四维调节架,在沿被测高斯光束的纵向和横向上都装有千分尺的光学平台、一台灵敏功率计。整个实验可在普通实验室进行。