氦氖激光束光斑大小和发散角的测量

实验六 氦氖激光束光斑大小和发散角的测量

【实验目的】

1、 加深对高斯光束物理图像的理解；

2、 掌握外腔式氦氖激光器的使用和调整方法；

3、 掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法；

4、 深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义。

【实验仪器】

氦氖激光器、光功率指示仪、硅光电池接收器、狭缝、微动位移台

【实验原理】

激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数，激光束虽有方向性好的特点，但它也不是理想的平行光，而是具有一定大小的发散角。在激光准直和激光干涉测长仪中都需要设置扩束望远镜来减小激光束的发散角。

1、 激光束的发散角θ

激光器发出的激光束在空间的传播如图1所示，光束截面最细处为束腰，z 是光束传播方向。若束腰截面半径为0ω，距束腰为z 处的光斑半径为()z ω，则有

()z ωω=

其中λ是激光波长，上式可改写成双曲线方程

222

2

2

()1(

)

z z

ωπωωλ

-= 双曲线的形状如图1所示。定义双曲线渐近线的夹角θ为激光束的发散角，则有

22()z z

λ

ωθπω=

=

（z 很大） (1)

由(1)式可知，只要我们测得离束腰很远的z 处的光斑大小2()z ω，便可算出激光束发散角。

图1 高斯光束的发散角

2、 激光束横向光场分布

如图1，激光束沿z 轴传播，其基模的横向光场振幅00E 随柱坐标值r 的分布为高斯分布的形式

2

2

[()]

0000()()r

z E r E z e

ω-= (2)

式中00()E z 是离束腰z 处横截面内中心轴线上的光场振幅，()z ω是离束腰z 处横截面的光束半径，00()E r 则是该横截面内离中心r 处的光场振幅。由于横向光场振幅分布是高斯分布，故这样的激光束称为高斯光。当量值()r z ω=时，则00()E r 为00()E z 的1e 倍。

光束半径()z ω定义为振幅下降到中心振幅1e 的点离中心的距离。

实际测量中，我们测得的是光束横向光强分布，光强正比于振幅的平方，故将(2)式两边平方，得

2

2

2

2

22[2()]

0000

00

[2()]

00()()()()r

z r

z I r E

r E

z e

I z e

ωω--=== (3)

式中I 表示所对应的光强，光束半径()z ω也可定义为光强下降为中心光强2

1e

倍的点离

中心点的距离。

图2中画出了激光束横向振幅分布（虚线）和光强分布（实线），并且已将00()E z 和00()I z 归一化。在光束半径()z ω范围内集中了86.5％的总功率。

图2 高斯光束的振幅分布和光强分布

3、 光束半径和发散角的测量

氦氖激光器结构简单，操作方便，体积不大，输出的波长为632.8nm 的红光。本实验对氦氖激光束的光束半径和发散角进行测量。试验装置如图3所示。所用的激光器是平凹型谐振腔氦氖激光器，其腔长为L ，凹面曲率半径为R ，则可得到其束腰处的光斑半径为

1

1

240(

)(

1)L R L

λ

ωπ

=- (4)

由0ω值，可由(1)式02θλ=计算出激光束的发散角θ。这种激光器输出光束的束腰位于谐振腔输出平面镜的位置，我们测量距束腰距离z 约为3～5m 处的光束半径。为了缩短测量装置的长度，采用了平面反射镜折返光路，如图3所示。测量狭缝连同其后面的硅光电池作为一个整体沿光束直径方向做横向扫描，由和硅光电池连接的反射式检流计给出激光束光强横向分布。根据测得的激光束光强横向分布曲线，求出光强下降到最大光强的21e （ 2.718281828e =）倍处的光束半径()z ω，它就是激光光斑大小的描述。然后根据式(1)2()z z θω=算出光束发散角θ。

测量时应使测量狭缝的宽度是光斑大小的110以下。

①氦氖激光器；②反射镜；③反射镜；④狭缝；⑤硅光电池；⑥光功率指示仪

图3 测量装置示意图

【实验内容及步骤】

1、测量前的准备

按图3摆好光路各部件，打开氦氖激光器电源，调整激光器输出镜，产生激光振荡，直到输出光能量最大。调整标尺及平面反射镜使激光束照亮测量狭缝，取z 值约3～5m ，缝宽小于光斑大小的1/10，接好光功率指示仪。 2、测量光强横向分布

移动微动平台，使狭缝和硅光电池接收器同时扫过光束，移动的方向应与光传播方向垂直，每隔0.1～0.2mm ，记录光功率指示仪的读值，测量激光束的光强横向分布，重复测量三次，并测量z 值。

3、确定光斑半径()z ω及发散角θ

以平均值做出光功率指示仪随测量位移之间的变化曲线，由曲线求出光斑半径()z ω，并算出θ值。 4、结果比较 由(4)式算出0

ω值，并进一步算出θ值，将这个计算值同由实验测量结果算出的θ值进行比

较。 【注意事项】

调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。 注意激光高压电源，以免触电或短路。

测量过程中应减小震动，避免光斑在狭缝口晃动。 禁止用手触及光学零件的透光表面。