何穎卓+李春芝+杜新迪

摘 要：隨著激光在我們現(xiàn)代生活中越來(lái)越多地應(yīng)用，需要更深入地研究激光物理參量。氦氖激光束光斑半徑及發(fā)散角是激光器的兩個(gè)重要物理參量。通過(guò)對(duì)兩個(gè)參量測(cè)量實(shí)驗(yàn)的研究，對(duì)常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，得到一個(gè)更簡(jiǎn)便測(cè)量光斑半徑的方法。并對(duì)兩種測(cè)量方法分別進(jìn)行了幾個(gè)不同位置光斑半徑的測(cè)量，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析研究，得出改進(jìn)后的測(cè)量方法具有簡(jiǎn)單及精確度較高等優(yōu)點(diǎn)。此外，對(duì)測(cè)量位置選擇范圍進(jìn)行了一些討論。這些研究?jī)?nèi)容有助于人們加深對(duì)激光器的了解和認(rèn)識(shí)，為更好的應(yīng)用激光提供一些科學(xué)依據(jù).

關(guān)鍵詞：激光；光斑半徑；發(fā)散角

中圖分類號(hào)：TN241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）35-0089-02

激光以其亮度高、相干性好、單色性和方向性好等特征在現(xiàn)代科技及日常生產(chǎn)生活中已有較多的應(yīng)用，為了更廣泛地應(yīng)用激光，我們對(duì)氦氖激光束光斑半徑及發(fā)散角等重要物理參量進(jìn)行了更深入地研究[1，2]。通常測(cè)量氦氖激光束光斑半徑的方法是：先根據(jù)激光器光束選擇一個(gè)測(cè)量位置，并進(jìn)行相對(duì)于激光束橫向位置和對(duì)應(yīng)光強(qiáng)的測(cè)量，利用這些數(shù)據(jù)作圖就可以得到激光束光斑半徑，再通過(guò)計(jì)算還能得到激光束發(fā)散角的大小[3]。這種測(cè)量方法存在兩個(gè)問(wèn)題：一是測(cè)量位置的選擇問(wèn)題；二是該測(cè)量方法常規(guī)測(cè)量的數(shù)據(jù)多比較繁瑣的問(wèn)題.我們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)通常測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，得到一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)量光斑半徑的方法，并得到更好的實(shí)驗(yàn)效果。通過(guò)這些研究可以完善氦氖激光束光斑半徑的測(cè)量，為從事激光器應(yīng)用與研究人士提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 氦氖激光束的光斑半徑及發(fā)散角[3]

氦氖激光器發(fā)出的激光在垂直于激光束傳播方向截面上的光強(qiáng)分布為：

1.2 發(fā)散角的理論計(jì)算

實(shí)驗(yàn)選用的激光器是平凹型諧振腔氦氖激光器，并且輸出可見(jiàn)紅色的激光，其束腰處的光斑半徑為

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置介紹及粗調(diào)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器介紹

測(cè)量氦氖激光束光斑大小和發(fā)散角的實(shí)驗(yàn)所使用的儀器設(shè)備包括：氦氖激光器、光功率測(cè)試儀、硅光電池接收器、狹縫、微動(dòng)位移臺(tái)等。如圖2所示，分別介紹如下：（1）氦氖激光器：氦氖激光器是具有連續(xù)輸出特性的氣體激光束的儀器。（2）光功率測(cè)試儀：我們使用的是SGN-Ⅱ光功率測(cè)試儀，與測(cè)試儀相連接的是硅光電池接收器，用于測(cè)量氦氖激光器激光能量。（3）硅光電池接收器：它接收從狹縫入射激光的能量，并固定在微動(dòng)位移臺(tái)上。（4）狹縫：是限制入射激光強(qiáng)度，為了達(dá)到良好的測(cè)量效果。狹縫連同其后面的硅光電池接收器作為一個(gè)整體固定在一起。（5）微動(dòng)位移臺(tái)：微動(dòng)位移臺(tái)上有一個(gè)微動(dòng)螺桿A，旋轉(zhuǎn)A可以調(diào)節(jié)硅光電池接收器的位置，同時(shí)用光功率測(cè)試儀可以測(cè)量激光束橫向（垂直激光傳播方向）光場(chǎng)分布情況。

2.2 儀器粗調(diào)

按圖2擺好各儀器位置，打開(kāi)氦氖激光器后調(diào)節(jié)激光束水平：把微動(dòng)位移臺(tái)放置在距激光約3-4m處，調(diào)節(jié)硅光電池接收器及激光器的高度，使狹縫中心高度和激光束中心高度相同。

3 激光束半徑及發(fā)散角的測(cè)量方法

3.1 通常測(cè)量方法

3.2 改進(jìn)的測(cè)量方法

由于圖3曲線可以看出兩側(cè)都比較圓滑，因此，可以直接測(cè)量Iz及兩側(cè)Iz、Ize-2相應(yīng)的d1、d2讀數(shù)就可以完成該實(shí)驗(yàn)。具體方法：先按3.1中（1）（2）步驟把儀器調(diào)整好后，緩慢調(diào)節(jié)微動(dòng)螺桿旋鈕A測(cè)出光強(qiáng)最大Iz，計(jì)算出Ize-2后，再增大或減小旋鈕A分別讀出與光功率測(cè)試儀顯示Ize-2相應(yīng)的d1和d2的讀數(shù)，則|d1-d2|就是光斑直徑。測(cè)量位置選取及數(shù)據(jù)處理參考3.1，見(jiàn)表1右半部。

4 實(shí)驗(yàn)分析及討論

4.1 實(shí)驗(yàn)誤差及測(cè)量位置的選取分析討論

4.1.1 測(cè)量位置z選為1m、2m的情況

由圖3得出通常測(cè)量方法z→小，I→大，曲線就越尖，光強(qiáng)變化快，不容易找到Iz，且光斑半徑相對(duì)較小，測(cè)量誤差？啄大于12%（見(jiàn)表1）。改進(jìn)后的測(cè)量方法相對(duì)通常測(cè)量方法誤差雖然小一些，但還是比大于2位置m大很多。

4.1.2 z選3m、4m、5m的情況

4.2 兩種測(cè)量方法的比較

通常測(cè)量方法是每隔0.5mm測(cè)量一次，需要得出一組數(shù)據(jù)才能得到結(jié)果。測(cè)量時(shí)還不一定測(cè)到光強(qiáng)最大值，為了減小測(cè)量誤差，建議增加光強(qiáng)最大值處的測(cè)量。改進(jìn)后的測(cè)量方法其優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量方法簡(jiǎn)單，只測(cè)一個(gè)極大值和兩組數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)較少，還不需要作圖；測(cè)量精確度相對(duì)也高。如果不需要研究激光束橫向光場(chǎng)變化情況，只測(cè)量光斑半徑及發(fā)散角，最好采用改進(jìn)的測(cè)量方法。

注意實(shí)驗(yàn)當(dāng)中狹縫寬度可以適當(dāng)窄一些，但不能太窄，狹縫越窄光強(qiáng)變小，容易造成較大誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述：在氦氖激光束光斑半徑及發(fā)散角測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，改進(jìn)的測(cè)量方法具有測(cè)量方法簡(jiǎn)單及測(cè)量精確度較高等優(yōu)點(diǎn)，最好采用此方法測(cè)量。而通常測(cè)量方法可以觀察橫向激光光場(chǎng)整個(gè)變化情況。但注意兩種測(cè)量方法測(cè)量位置都要選擇3-5m范圍內(nèi)才能得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳思成，王祖銓.近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1995：162-176.

[2]何元金，馬興坤.近代物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：49-55.

[3]吳先球，熊予瑩.近代物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2009：103-106.

[4]楊曉冬，等.高斯光束特性實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（8）：23-25.

[5]王喜山.激光原理基礎(chǔ)[M].山東科學(xué)技術(shù)出版社，1979：238-244.

[6]楊秋平，葉兵.用雙平凸薄透鏡組聚焦高斯激光束[J].激光技術(shù)，2010，34（4）：520-524.endprint