氦氖激光束光斑半徑及發散角測量方法的改進

何穎卓+李春芝+杜新迪

摘 要：隨著激光在我們現代生活中越來越多地應用，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散角是激光器的兩個重要物理參量。通過對兩個參量測量實驗的研究，對常規測量方法進行改進，得到一個更簡便測量光斑半徑的方法。并對兩種測量方法分別進行了幾個不同位置光斑半徑的測量，對測量數據進行比對分析研究，得出改進后的測量方法具有簡單及精確度較高等優點。此外，對測量位置選擇范圍進行了一些討論。這些研究內容有助于人們加深對激光器的了解和認識，為更好的應用激光提供一些科學依據.

關鍵詞：激光；光斑半徑；發散角

中圖分類號：TN241 文獻標志碼：A 文章編號：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代科技及日常生產生活中已有較多的應用，為了更廣泛地應用激光，我們對氦氖激光束光斑半徑及發散角等重要物理參量進行了更深入地研究[1，2]。通常測量氦氖激光束光斑半徑的方法是：先根據激光器光束選擇一個測量位置，并進行相對于激光束橫向位置和對應光強的測量，利用這些數據作圖就可以得到激光束光斑半徑，再通過計算還能得到激光束發散角的大小[3]。這種測量方法存在兩個問題：一是測量位置的選擇問題；二是該測量方法常規測量的數據多比較繁瑣的問題.我們通過大量的實驗研究對通常測量方法進行改進，得到一個簡單的測量光斑半徑的方法，并得到更好的實驗效果。通過這些研究可以完善氦氖激光束光斑半徑的測量，為從事激光器應用與研究人士提供參考。

1 實驗原理

1.1 氦氖激光束的光斑半徑及發散角[3]

氦氖激光器發出的激光在垂直于激光束傳播方向截面上的光強分布為：

1.2 發散角的理論計算

實驗選用的激光器是平凹型諧振腔氦氖激光器，并且輸出可見紅色的激光，其束腰處的光斑半徑為

2 實驗測量裝置介紹及粗調

2.1 實驗儀器介紹

測量氦氖激光束光斑大小和發散角的實驗所使用的儀器設備包括：氦氖激光器、光功率測試儀、硅光電池接收器、狹縫、微動位移臺等。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輸出特性的氣體激光束的儀器。（2）光功率測試儀：我們使用的是SGN-Ⅱ光功率測試儀，與測試儀相連接的是硅光電池接收器，用于測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，并固定在微動位移臺上。（4）狹縫：是限制入射激光強度，為了達到良好的測量效果。狹縫連同其后面的硅光電池接收器作為一個整體固定在一起。（5）微動位移臺：微動位移臺上有一個微動螺桿A，旋轉A可以調節硅光電池接收器的位置，同時用光功率測試儀可以測量激光束橫向（垂直激光傳播方向）光場分布情況。

2.2 儀器粗調

按圖2擺好各儀器位置，打開氦氖激光器后調節激光束水平：把微動位移臺放置在距激光約3-4m處，調節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 激光束半徑及發散角的測量方法

3.1 通常測量方法

3.2 改進的測量方法

由于圖3曲線可以看出兩側都比較圓滑，因此，可以直接測量Iz及兩側Iz、Ize-2相應的d1、d2讀數就可以完成該實驗。具體方法：先按3.1中（1）（2）步驟把儀器調整好后，緩慢調節微動螺桿旋鈕A測出光強最大Iz，計算出Ize-2后，再增大或減小旋鈕A分別讀出與光功率測試儀顯示Ize-2相應的d1和d2的讀數，則|d1-d2|就是光斑直徑。測量位置選取及數據處理參考3.1，見表1右半部。

4 實驗分析及討論

4.1 實驗誤差及測量位置的選取分析討論

4.1.1 測量位置z選為1m、2m的情況

由圖3得出通常測量方法z→小，I→大，曲線就越尖，光強變化快，不容易找到Iz，且光斑半徑相對較小，測量誤差？啄大于12%（見表1）。改進后的測量方法相對通常測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 兩種測量方法的比較

通常測量方法是每隔0.5mm測量一次，需要得出一組數據才能得到結果。測量時還不一定測到光強最大值，為了減小測量誤差，建議增加光強最大值處的測量。改進后的測量方法其優點：測量方法簡單，只測一個極大值和兩組數據，測量數據較少，還不需要作圖；測量精確度相對也高。如果不需要研究激光束橫向光場變化情況，只測量光斑半徑及發散角，最好采用改進的測量方法。

注意實驗當中狹縫寬度可以適當窄一些，但不能太窄，狹縫越窄光強變小，容易造成較大誤差。

5 結束語

綜上所述：在氦氖激光束光斑半徑及發散角測量實驗中，改進的測量方法具有測量方法簡單及測量精確度較高等優點，最好采用此方法測量。而通常測量方法可以觀察橫向激光光場整個變化情況。但注意兩種測量方法測量位置都要選擇3-5m范圍內才能得到較好的實驗效果。

參考文獻：

[1]吳思成，王祖銓.近代物理實驗[M].北京：北京大學出版社，1995：162-176.

[2]何元金，馬興坤.近代物理實驗教程[M].北京：清華大學出版社，2003：49-55.

[3]吳先球，熊予瑩.近代物理實驗教程[M].北京：科學出版社，2009：103-106.

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