采用刀片法對(duì)飛秒激光束腰半徑的實(shí)時(shí)測(cè)量

　　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(jì)，通過(guò)刀片切割光束的方法測(cè)量并計(jì)算了經(jīng)過(guò)凸透鏡的飛秒脈沖激光的束腰半徑。對(duì)光功率隨刀片位置變化的關(guān)系進(jìn)行擬合，可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量精確度為微米量級(jí)的激光束腰半徑。對(duì)經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)附近的飛秒激光束腰半徑進(jìn)行了測(cè)量。發(fā)現(xiàn)在焦點(diǎn)之前束腰半徑隨位置的變化滿(mǎn)足經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)后測(cè)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(duì)刀刃產(chǎn)生了破壞作用。

　　1 簡(jiǎn)介

　　激光的發(fā)明對(duì)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(jì)末出現(xiàn)的量子點(diǎn)激光的性質(zhì)研究一直是科學(xué)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。激光的基本性質(zhì)主要是指其頻域和時(shí)域的性質(zhì)，為了指定和論述激光光束的傳播特性，必須對(duì)它的光斑半徑進(jìn)行定義。普遍被采用的定義是光束發(fā)光(最強(qiáng)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(chēng)其為激光的束腰半徑。通常情況下需要實(shí)時(shí)判斷激光的光斑大小及位置來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要在線(xiàn)觀測(cè)并計(jì)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(jìn)行了激光束腰半徑的實(shí)時(shí)測(cè)量與計(jì)算。

　　在使用激光進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中，激光的束腰半徑是一個(gè)非常重要的物理量，如Z掃描，熒光動(dòng)力學(xué)和激光微加工等實(shí)驗(yàn)中，都需要求出激光的束腰半徑。它的測(cè)量精度會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和分析的準(zhǔn)確性。目前對(duì)光斑尺寸測(cè)量的方法有狹縫法，Ronchi等光柵法，Radon分析法，Talbot效應(yīng)法和刀口法等。刀口法采用的是測(cè)透射光強(qiáng)的測(cè)量方法，采用刃口平直的刀口，其透過(guò)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(shí)減小衍射量，精確地測(cè)量μm級(jí)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(chēng)其為高斯光束。

　　2 高斯光束的基本性質(zhì)和測(cè)量原理

　　高斯光束沿z軸橫截面的場(chǎng)強(qiáng)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(biāo)，ω(z)為z處的束腰半徑。高斯光束經(jīng)過(guò)透鏡后傳輸?shù)墓馐詾楦咚构馐?。光束的束腰半徑隨坐標(biāo)z(光束傳播方向)按雙曲線(xiàn)規(guī)律變化。在像方，透鏡焦點(diǎn)位置處光斑最小。在高斯激光束束腰處橫截面內(nèi)的強(qiáng)度分布可表示為：

　　式中Po為激光的總功率，ω(z)為按強(qiáng)度1/e2所定義的束腰半徑，對(duì)于高斯光束場(chǎng)并不局限在束腰半徑范圍內(nèi)，理論上它橫向延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)，只是大于束腰半徑的區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)很弱。

　　當(dāng)?shù)镀懈罴す夤馐鴷r(shí)透過(guò)的光功率可以表示為:

　　ω(z)為按強(qiáng)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(jiàn)l(x，z)是一個(gè)Guassian誤差函數(shù)，其對(duì)x的導(dǎo)數(shù)為:

　 可見(jiàn)只要求得刀片切割激光光束時(shí)透過(guò)的光功率隨刀片位置的變化，然后求其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行Gauss擬合就可以得出在相應(yīng)位置處的束腰半徑。