採用刀片法對飛秒雷射束腰半徑的實時測量

2020-12-06 OFweek維科網

　　本文介紹了利用LabVIEW軟體編程，使用數據採集卡配合光功率計，通過刀片切割光束的方法測量並計算了經過凸透鏡的飛秒脈衝雷射的束腰半徑。對光功率隨刀片位置變化的關係進行擬合，可以在線實時測量精確度為微米量級的雷射束腰半徑。對經過會聚透鏡焦點附近的飛秒雷射束腰半徑進行了測量。發現在焦點之前束腰半徑隨位置的變化滿足經過焦點後測量的柬腰半徑偏大，這主要是由於飛秒雷射聚焦後峰值功率極大，對刀刃產生了破壞作用。

　　1 簡介

　　雷射的發明對人們的工作和生活有著巨大的影響，從1960年的紅寶石雷射到二十一世紀末出現的量子點雷射的性質研究一直是科學工作者關注的熱點。雷射的基本性質主要是指其頻域和時域的性質，為了指定和論述雷射光束的傳播特性，必須對它的光斑半徑進行定義。普遍被採用的定義是光束髮光(最強烈)峰值，軸向或者數值的地方的半徑衰減1/e2(13.5％)，我們稱其為雷射的束腰半徑。通常情況下需要實時判斷雷射的光斑大小及位置來進一步優化實驗結果，需要在線觀測並計算光斑的尺寸和所處的位置，基於這一目的本文採用刀片法進行了雷射束腰半徑的實時測量與計算。

　　在使用雷射進行光學實驗和實際應用中，雷射的束腰半徑是一個非常重要的物理量，如Z掃描，螢光動力學和雷射微加工等實驗中，都需要求出雷射的束腰半徑。它的測量精度會直接影響實驗數據結果和分析的準確性。目前對光斑尺寸測量的方法有狹縫法，Ronchi等光柵法，Radon分析法，Talbot效應法和刀口法等。刀口法採用的是測透射光強的測量方法，採用刃口平直的刀口，其透過率函數為階躍函數，在光電接收元件儘可能靠近刀口時減小衍射量，精確地測量μm級光斑大小是可行的。我們通常接觸到的雷射在TEM(橫模和縱模為0)模式下沿傳播方向的截面形狀都是高斯型，我們稱其為高斯光束。

　　2 高斯光束的基本性質和測量原理

　　高斯光束沿z軸橫截面的場強分布可以表示為：

 

　　式中c為常數因子，x，y為垂直於光束方向z軸的橫截面內的坐標，ω(z)為z處的束腰半徑。高斯光束經過透鏡後傳輸的光束仍為高斯光束。光束的束腰半徑隨坐標z(光束傳播方向)按雙曲線規律變化。在像方，透鏡焦點位置處光斑最小。在高斯雷射束束腰處橫截面內的強度分布可表示為：

 

　　式中Po為雷射的總功率，ω(z)為按強度1/e2所定義的束腰半徑，對於高斯光束場並不局限在束腰半徑範圍內，理論上它橫向延伸到無窮遠，只是大於束腰半徑的區域內光強很弱。

　　當刀片切割雷射光束時透過的光功率可以表示為:

 

　　ω(z)為按強度1/e2所定義的不同位置處的束腰半徑，式(3)可以約化為:

 

　　可見l(x，z)是一個Guassian誤差函數，其對x的導數為:

 

　   可見只要求得刀片切割雷射光束時透過的光功率隨刀片位置的變化，然後求其導數進行Gauss擬合就可以得出在相應位置處的束腰半徑。
 

 

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