采用刀片法對飛秒激光束腰半徑的實時測量與計算

本文介紹了利用LabVIEW軟件編程，使用數(shù)據(jù)采集卡配合光功率計，通過刀片切割光束的方法測量并計算了經(jīng)過凸透鏡的飛秒脈沖激光的束腰半徑。對光功率隨刀片位置變化的關系進行擬合，可以在線實時測量精確度為微米量級的激光束腰半徑。對經(jīng)過會聚透鏡焦點附近的飛秒激光束腰半徑進行了測量。發(fā)現(xiàn)在焦點之前束腰半徑隨位置的變化滿足經(jīng)過焦點后測量的柬腰半徑偏大，這主要是由于飛秒激光聚焦后峰值功率極大，對刀刃產(chǎn)生了破壞作用。

　　1 簡介

　激光的發(fā)明對人們的工作和生活有著巨大的影響，從1960年的紅寶石激光到二十一世紀末出現(xiàn)的量子點激光的性質(zhì)研究一直是科學工作者關注的熱點。激光的基本性質(zhì)主要是指其頻域和時域的性質(zhì)，為了指定和論述激光光束的傳播特性，必須對它的光斑半徑進行定義。普遍被采用的定義是光束發(fā)光(最強烈)峰值，軸向或者數(shù)值的地方的半徑衰減1/e2(13.5％)，我們稱其為激光的束腰半徑。通常情況下需要實時判斷激光的光斑大小及位置來進一步優(yōu)化實驗結(jié)果，需要在線觀測并計算光斑的尺寸和所處的位置，基于這一目的本文采用刀片法進行了激光束腰半徑的實時測量與計算。
　在使用激光進行光學實驗和實際應用中，激光的束腰半徑是一個非常重要的物理量，如Z掃描，熒光動力學和激光微加工等實驗中，都需要求出激光的束腰半徑。它的測量精度會直接影響實驗數(shù)據(jù)結(jié)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。刀口法采用的是測透射光強的測量方法，采用刃口平直的刀口，其透過率函數(shù)為階躍函數(shù)，在光電接收元件盡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。我們通常接觸到的激光在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(zhì)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(shù)因子，x，y為垂直于光束方向z軸的橫截面內(nèi)的坐標，ω(z)為z處的束腰半徑。高斯光束經(jīng)過透鏡后傳輸?shù)墓馐詾楦咚构馐?。光束的束腰半徑隨坐標z(光束傳播方向)按雙曲線規(guī)律變化。在像方，透鏡焦點位置處光斑最小。在高斯激光束束腰處橫截面內(nèi)的強度分布可表示為：

　式中Po為激光的總功率，ω(z)為按強度1/e2所定義的束腰半徑，對于高斯光束場并不局限在束腰半徑范圍內(nèi)，理論上它橫向延伸到無窮遠，只是大于束腰半徑的區(qū)域內(nèi)光強很弱。
　當?shù)镀懈罴す夤馐鴷r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(shù)，其對x的導數(shù)為:

　可見只要求得刀片切割激光光束時透過的光功率隨刀片位置的變化，然后求其導數(shù)進行Gauss擬合就可以得出在相應位置處的束腰半徑。

　　3 實驗裝置和系統(tǒng)控制

　　刀片法是一種簡單而靈敏的測量激光光束束腰半徑的實驗方法。它可以測量高斯光束經(jīng)透鏡聚焦在像方的束腰半徑。整個實驗裝置如圖I所示，其中包括：被測的飛秒激光(Spitfire，Spectra Physics)，聚焦透鏡(焦距為20cm)及能量衰減器，激光功率計(物科光電)，單刃剃須刀刀片，電動平移臺(卓立漢光，步長為2.5和數(shù)據(jù)采集卡(PCI2300，Art)等。激光的波長為800nm，平均功率約為100毫瓦，重復頻率為1000Hz。這里要進行測量的激光是飛秒激光，它是一種以脈沖形式運轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時間極短，脈寬為130飛秒，峰值功率極高。飛秒激光脈沖較為穩(wěn)定，所以在實驗中不需要另一功率計來監(jiān)測飛秒激光的波動。飛秒激光經(jīng)過會聚透鏡聚焦，形成直徑為幾十微米量級的光斑，光信號由激光功率計來采集，通過激光功率計的信號輸出口輸出電壓信號，并經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡(PCI2300，Art)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進行讀數(shù)并對信號進行強度歸一化。實驗中選用兩個步長精度為2.5微米的電動平移臺疊放在一起組成兩維移動平臺，一個在x軸方向移動，用來切割Gauss光束，另一個在z軸方向移動，測量不同位置處的束腰半徑。使用LabVIEW程序通過計算機的串口控制電動平移臺在x，z方向上的移動，在移動平臺上固定刀片，刀片與入射激光光束z軸方向垂直。刀片由完全遮擋光束向遠離光軸方向移動，從而使入射到功率計探頭的激光的光功率從零增加到最大值。電動平移臺沿x軸方向每次走20步，進行數(shù)據(jù)采集并多次累計取其平均值。測量不同位置處的束腰半徑通過移動沿z軸的另一電動平移臺來實現(xiàn)。

圖1 (a)刀片與光斑的相對位置的截面圖(b)用于測量激光束腰半徑的實驗裝置圖nextpage4 實驗數(shù)據(jù)的采集和自動處理