高斯光束強度分布特性研究

田 園，周 勖

（1.西安工業大學北方信息工程學院，陜西 西安 710025；2.西安電力高等專科學校，陜西 西安 710032）

激光器自產生以來，已廣泛應用于科學技術、通信、醫學等各個領域。高斯光束在激光器中的研究是更好地利用激光器的關鍵。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稱下的高階激光模，其性質已被人們深入研究。高斯光束的束腰半徑和位置、遠場發散角、衍射放大系數和高斯光束通過透鏡的變換規律是描述高斯光束基本特性的重要物理量和規律，也是激光物理教學的重要內容。

1 設計思想

本文激光實驗采用等距四點采光測量法[2]，激光光束被定義為垂直于光軸的截面上，強度分布為最大值e的平方分之一。在坐標軸上任意取4個點，其中一個點等于c，其他3個點與該點差的絕對值相等，并且值相等，該值小于所測的光束半徑，經過計算可得到強度分布。通過搭建實驗平臺并調試，能夠接收到高斯光斑。這種方法的優勢在于，它可以較為準確地判斷這一被測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度分布。系統方案流程如圖1所示。

圖1 系統方案流程

2 實驗結果

2.1 實驗原理

等距四點采光測量法其實是一種基于等距離三點采光測量方法的新原理。根據這個原理，只需要同時測量光束截面中任意相等間隔的4個點的光強，就可以定量地確定被測光束是否為高斯光束。在高斯光束的情況下，可以根據四點強度給出高斯光束的光束直徑和徑向強度分布。高斯光束的鑒別測量儀是一種基于四點法原理的新型儀器。這種發明將陣列接收元件以及計算機技術有機地結合起來，可以同時對光束截面中等距坐標點的光強進行采光測量，并且可以對測量數據以及光譜圖進行打印和說明，從而達到定量判別和測量高斯光束的目的[3]。

2.2 界面設計

實驗中采用CCD來接收光斑，利用Matlab對激光的輸出特性進行GUI界面設計，界面中可以對像素值、波長、束腰半徑、傳播距離等進行選擇，通過設置不同的參數值，可以得到高斯光束傳播距離不同時，振幅強度分布的示意圖[4]。

當輸入的像素值為500，波長為0.568 μm，束腰半徑為1 mm，傳播距離為1 m時，高斯光束傳播強度分布仿真如圖2所示。

圖2 傳播距離1 m時高斯強度分布

當輸入的像素值為500，波長為0.568 μm，束腰半徑為1 mm，傳播距離為10 m時，高斯光束傳播時強度分布仿真如圖3所示。

圖3 傳播距離10 m時高斯強度分布

當輸入的像素值為500，波長為0.568 μm，束腰半徑為1 mm，傳播距離為20 m時，高斯光束傳播時強度分布仿真如圖4所示。

高斯光束中心點的強度最大，頻率從中心點向外發散，該光束符合高斯分布強度分布特征[5-7]。

圖4 傳播距離為20 m時高斯強度分布

3 結語

本文采用等距四點采光測量法采集激光光斑，對高斯光束基本傳輸特性及其強度分布進行仿真，利用Matlab軟件對高斯光束輸出特性進行可視化界面設計，獲得了高斯光束在不同的傳播距離下強度分布的仿真效果圖，更加直觀地觀察到高斯光束強度分布特點。本文創新點在于利用GUI設計，能夠將抽象的高斯光束傳輸特性以及強度分布的理論知識，通過三維立體圖模擬仿真形象化，實驗結果分析通俗易懂。