氦氖激光束光斑半径及发散角测量方法的改进

何颖卓+李春芝+杜新迪

摘 要：随着激光在我们现代生活中越来越多地应用，需要更深入地研究激光物理参量。氦氖激光束光斑半径及发散角是激光器的两个重要物理参量。通过对两个参量测量实验的研究，对常规测量方法进行改进，得到一个更简便测量光斑半径的方法。并对两种测量方法分别进行了几个不同位置光斑半径的测量，对测量数据进行比对分析研究，得出改进后的测量方法具有简单及精确度较高等优点。此外，对测量位置选择范围进行了一些讨论。这些研究内容有助于人们加深对激光器的了解和认识，为更好的应用激光提供一些科学依据.

关键词：激光；光斑半径；发散角

中图分类号：TN241 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）35-0089-02

激光以其亮度高、相干性好、单色性和方向性好等特征在现代科技及日常生产生活中已有较多的应用，为了更广泛地应用激光，我们对氦氖激光束光斑半径及发散角等重要物理参量进行了更深入地研究[1，2]。通常测量氦氖激光束光斑半径的方法是：先根据激光器光束选择一个测量位置，并进行相对于激光束横向位置和对应光强的测量，利用这些数据作图就可以得到激光束光斑半径，再通过计算还能得到激光束发散角的大小[3]。这种测量方法存在兩个问题：一是测量位置的选择问题；二是该测量方法常规测量的数据多比较繁琐的问题.我们通过大量的实验研究对通常测量方法进行改进，得到一个简单的测量光斑半径的方法，并得到更好的实验效果。通过这些研究可以完善氦氖激光束光斑半径的测量，为从事激光器应用与研究人士提供参考。

1 实验原理

1.1 氦氖激光束的光斑半径及发散角[3]

氦氖激光器发出的激光在垂直于激光束传播方向截面上的光强分布为：

1.2 发散角的理论计算

实验选用的激光器是平凹型谐振腔氦氖激光器，并且输出可见红色的激光，其束腰处的光斑半径为

2 实验测量装置介绍及粗调

2.1 实验仪器介绍

测量氦氖激光束光斑大小和发散角的实验所使用的仪器设备包括：氦氖激光器、光功率测试仪、硅光电池接收器、狭缝、微动位移台等。如图2所示，分别介绍如下：（1）氦氖激光器：氦氖激光器是具有连续输出特性的气体激光束的仪器。（2）光功率测试仪：我们使用的是SGN-Ⅱ光功率测试仪，与测试仪相连接的是硅光电池接收器，用于测量氦氖激光器激光能量。（3）硅光电池接收器：它接收从狭缝入射激光的能量，并固定在微动位移台上。（4）狭缝：是限制入射激光强度，为了达到良好的测量效果。狭缝连同其后面的硅光电池接收器作为一个整体固定在一起。（5）微动位移台：微动位移台上有一个微动螺杆A，旋转A可以调节硅光电池接收器的位置，同时用光功率测试仪可以测量激光束横向（垂直激光传播方向）光场分布情况。

2.2 仪器粗调

按图2摆好各仪器位置，打开氦氖激光器后调节激光束水平：把微动位移台放置在距激光约3-4m处，调节硅光电池接收器及激光器的高度，使狭缝中心高度和激光束中心高度相同。

3 激光束半径及发散角的测量方法

3.1 通常测量方法

3.2 改进的测量方法

由于图3曲线可以看出两侧都比较圆滑，因此，可以直接测量Iz及两侧Iz、Ize-2相应的d1、d2读数就可以完成该实验。具体方法：先按3.1中（1）（2）步骤把仪器调整好后，缓慢调节微动螺杆旋钮A测出光强最大Iz，计算出Ize-2后，再增大或减小旋钮A分别读出与光功率测试仪显示Ize-2相应的d1和d2的读数，则|d1-d2|就是光斑直径。测量位置选取及数据处理参考3.1，见表1右半部。

4 实验分析及讨论

4.1 实验误差及测量位置的选取分析讨论

4.1.1 测量位置z选为1m、2m的情况

由图3得出通常测量方法z→小，I→大，曲线就越尖，光强变化快，不容易找到Iz，且光斑半径相对较小，测量误差？啄大于12%（见表1）。改进后的测量方法相对通常测量方法误差虽然小一些，但还是比大于2位置m大很多。

4.1.2 z选3m、4m、5m的情况

4.2 两种测量方法的比较

通常测量方法是每隔0.5mm测量一次，需要得出一组数据才能得到结果。测量时还不一定测到光强最大值，为了减小测量误差，建议增加光强最大值处的测量。改进后的测量方法其优点：测量方法简单，只测一个极大值和两组数据，测量数据较少，还不需要作图；测量精确度相对也高。如果不需要研究激光束横向光场变化情况，只测量光斑半径及发散角，最好采用改进的测量方法。

注意实验当中狭缝宽度可以适当窄一些，但不能太窄，狭缝越窄光强变小，容易造成较大误差。

5 结束语

综上所述：在氦氖激光束光斑半径及发散角测量实验中，改进的测量方法具有测量方法简单及测量精确度较高等优点，最好采用此方法测量。而通常测量方法可以观察横向激光光场整个变化情况。但注意两种测量方法测量位置都要选择3-5m范围内才能得到较好的实验效果。

参考文献：

[1]吴思成，王祖铨.近代物理实验[M].北京：北京大学出版社，1995：162-176.

[2]何元金，马兴坤.近代物理实验教程[M].北京：清华大学出版社，2003：49-55.

[3]吴先球，熊予莹.近代物理实验教程[M].北京：科学出版社，2009：103-106.

[4]杨晓冬，等.高斯光束特性实验研究[J].实验室研究与探索，2010，29（8）：23-25.

[5]王喜山.激光原理基础[M].山东科学技术出版社，1979：238-244.

[6]杨秋平，叶兵.用双平凸薄透镜组聚焦高斯激光束[J].激光技术，2010，34（4）：520-524.endprint