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。
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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、因子和
因子的倒数K因子<通常称为光束传播因子）。
其中因子为国际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。
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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。
采用因子时，作为光束质量比较标准的是理想高斯光束。
基
模(模> 高斯光束有最好的光束质量，其，可以证明对于
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不变，是几何光学中的拉格朗日守恒量。
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实验原理
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。
光束传播方程的一级近似为：RTCrpUDGiT
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就可以求出传播轴上任一垂直面上的光束直径。
有了测量光束直径的方法后，分别在轴向位置处测
量能量密度函数，求出光束直径和，之后将其代入光束
传播的一级近似方程中，得到方程组：jLBHrnAILg
由该方程组可以求出束腰直径与远场发散角。
在光束波长已知的情况下，就能求出因子。
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。
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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
量束腰直径、远场发散角、因子、瑞利距离、焦深等数据。
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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。
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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。
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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。
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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。
这可能是由于固有的背景噪声或是外部干扰引起的。
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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> 分辨率较小，影响了精确度。
(3>在暗箱内仍然存在噪声，因此我们推测对可见光波段
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。
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