田 園，周 勖

（1.西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院，陜西 西安 710025；2.西安電力高等?？茖W(xué)校，陜西 西安 710032）

激光器自產(chǎn)生以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)、通信、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。高斯光束在激光器中的研究是更好地利用激光器的關(guān)鍵。高斯光束(如厄米-高斯光束、拉蓋爾-高斯光束[1]，可用于描述矩形和圓形對(duì)稱下的高階激光模，其性質(zhì)已被人們深入研究。高斯光束的束腰半徑和位置、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、衍射放大系數(shù)和高斯光束通過(guò)透鏡的變換規(guī)律是描述高斯光束基本特性的重要物理量和規(guī)律，也是激光物理教學(xué)的重要內(nèi)容。

1 設(shè)計(jì)思想

本文激光實(shí)驗(yàn)采用等距四點(diǎn)采光測(cè)量法[2]，激光光束被定義為垂直于光軸的截面上，強(qiáng)度分布為最大值e的平方分之一。在坐標(biāo)軸上任意取4個(gè)點(diǎn)，其中一個(gè)點(diǎn)等于c，其他3個(gè)點(diǎn)與該點(diǎn)差的絕對(duì)值相等，并且值相等，該值小于所測(cè)的光束半徑，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到強(qiáng)度分布。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并調(diào)試，能夠接收到高斯光斑。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于，它可以較為準(zhǔn)確地判斷這一被測(cè)量的光束是否為高斯光束，而且還能求出此光束的束徑和徑向強(qiáng)度分布。系統(tǒng)方案流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

等距四點(diǎn)采光測(cè)量法其實(shí)是一種基于等距離三點(diǎn)采光測(cè)量方法的新原理。根據(jù)這個(gè)原理，只需要同時(shí)測(cè)量光束截面中任意相等間隔的4個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)，就可以定量地確定被測(cè)光束是否為高斯光束。在高斯光束的情況下，可以根據(jù)四點(diǎn)強(qiáng)度給出高斯光束的光束直徑和徑向強(qiáng)度分布。高斯光束的鑒別測(cè)量?jī)x是一種基于四點(diǎn)法原理的新型儀器。這種發(fā)明將陣列接收元件以及計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可以同時(shí)對(duì)光束截面中等距坐標(biāo)點(diǎn)的光強(qiáng)進(jìn)行采光測(cè)量，并且可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)以及光譜圖進(jìn)行打印和說(shuō)明，從而達(dá)到定量判別和測(cè)量高斯光束的目的[3]。

2.2 界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中采用CCD來(lái)接收光斑，利用Matlab對(duì)激光的輸出特性進(jìn)行GUI界面設(shè)計(jì)，界面中可以對(duì)像素值、波長(zhǎng)、束腰半徑、傳播距離等進(jìn)行選擇，通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)值，可以得到高斯光束傳播距離不同時(shí)，振幅強(qiáng)度分布的示意圖[4]。

當(dāng)輸入的像素值為500，波長(zhǎng)為0.568 μm，束腰半徑為1 mm，傳播距離為1 m時(shí)，高斯光束傳播強(qiáng)度分布仿真如圖2所示。

圖2 傳播距離1 m時(shí)高斯強(qiáng)度分布

當(dāng)輸入的像素值為500，波長(zhǎng)為0.568 μm，束腰半徑為1 mm，傳播距離為10 m時(shí)，高斯光束傳播時(shí)強(qiáng)度分布仿真如圖3所示。

圖3 傳播距離10 m時(shí)高斯強(qiáng)度分布

當(dāng)輸入的像素值為500，波長(zhǎng)為0.568 μm，束腰半徑為1 mm，傳播距離為20 m時(shí)，高斯光束傳播時(shí)強(qiáng)度分布仿真如圖4所示。

高斯光束中心點(diǎn)的強(qiáng)度最大，頻率從中心點(diǎn)向外發(fā)散，該光束符合高斯分布強(qiáng)度分布特征[5-7]。

圖4 傳播距離為20 m時(shí)高斯強(qiáng)度分布

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用等距四點(diǎn)采光測(cè)量法采集激光光斑，對(duì)高斯光束基本傳輸特性及其強(qiáng)度分布進(jìn)行仿真，利用Matlab軟件對(duì)高斯光束輸出特性進(jìn)行可視化界面設(shè)計(jì)，獲得了高斯光束在不同的傳播距離下強(qiáng)度分布的仿真效果圖，更加直觀地觀察到高斯光束強(qiáng)度分布特點(diǎn)。本文創(chuàng)新點(diǎn)在于利用GUI設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒊橄蟮母咚构馐鴤鬏斕匦砸约皬?qiáng)度分布的理論知識(shí)，通過(guò)三維立體圖模擬仿真形象化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通俗易懂。