He-Ne激光器束腰光斑的测量实验

郑秋莎,胡钰黎

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205)

He-Ne激光管的两端是组成光学谐振腔的涂有多层介质膜的高反射镜片，中间是抽成真空后充氦气和氖气的放电管。He-Ne激光器具有较好的稳定性和可靠性，功率小的激光器价格也便宜，所以是实验室常用的一种激光光源。在大学物理的实验教学中，He-Ne激光器主要用来准直、干涉、衍射等实验。光电专业实验教学中可能涉及激光模式，高斯光束变换，激光散斑等实验[1]。光斑尺寸和束腰光斑尺寸[2-3]是实验中的重要物理参量，以常见的氦氖激光器为例，本文利用CCD测量了He-Ne激光器束腰光斑输出特性，测量了光斑束腰大小，并研究了不同光环境对CCD测量的影响。

1 实验

实验选用的氦氖激光器的波长632.8nm，腔长250mm，输出功率1.6mw，输出模式为单模。单模高斯光束的光斑测量实验研究装置图如图1所示，实验中衰减片用偏振片取代。实验所要用到的实验装置放在光学实验平台上，衰减片和探测器CCD放在有尺寸标识的导轨上。CCD是二维的面阵，它能够将光线变为电荷，也可将存储之电荷使电压发生变化显示出来，可以探测光斑的光强分布状态[4]。

图1 光斑测量实验装置示意图

实验过程首先调节支架的高度，使得激光的输出光束在同一水平高度，并使激光光束依次通过各器件的中心，最后入射到CCD，注意减小激光光强，以免损坏CCD器件。用CCD采集卡连接计算机，并用光斑分析软件分析得到光斑大小的数据。

实验1：室内黑暗条件下，对激光器的高斯光束光斑进行测量。取激光器输出端面的位置为坐标原点O，在导轨上移动CCD的位置并测量光斑半径，导轨移动的方向设为Z轴。为尽量减小偶然误差，每个位置测量了7次，去掉最大值和最小值后取平均。不同位置光斑大小的平均值的数据如表 1所示。

表1 室内黑暗条件下高斯光束在不同位置光斑半径

实验2：室内灯光下，对激光器直接输出的高斯光束进行测量。测量结果如表2所示。

表2 室内灯光下高斯光束在不同位置光斑半径半径

2 实验数据的处理和分析

高斯光束沿着导轨Z轴传播，各处的光斑半径的包络线是一个双曲面，该双曲面有渐近线。在任何Z位置，光斑半径大小的公式可以表示如下[5]：

(1)

式中：f是焦参数，ω0是高斯光束传输中的最小光斑，称为束腰半径，z0是束腰位置，ω(z)是位置z处的光斑半径。用A，B，C取代式(1)中的参数：

ω(z)2=Az2+Bz+C

(2)

根据上面表格中不同位置的光斑半径，然后用最小二乘法对测量数据进行二次函数拟合，可以得到系数A，B，C，再根据式(1)(2)就可以计算出高斯光束的束腰光斑ω0。

根据表1 拟合的曲线如图2所示，其中二次项系数A=1.07808E-5，一次项系数B=-0.00347，常数项系数C=2.06966。由公式(1)(2)计算，得到ω0=1.34mm。

根据表2数据拟合得到图3，得到A=1.87827E-5，B=-0.0028，C=1.59189.

计算得ω0=1.22mm。

在室内黑暗和有灯光两种情况下，测量光斑半径时取的位置都是相同的。测量结果显示有环境光时，光斑软件计算出的光斑半径整体偏大，而拟合的束腰光斑半径偏小，数据波动也较大。说明由于CCD对光线的敏感度，环境光会对实验结果造成较大的影响。

图2 室内黑暗条件下高斯光束光斑半径变化

图3 室内灯光时高斯光束光斑变化

3 结论

本文利用CCD探测了He-Ne激光器的高斯光束光斑大小，环境光对实验结果影响较大，为了减少环境光的影响，应该尽量减少外界光进入CCD。同时，由于CCD对光敏感特性，数据采集的稳定性受到较大影响，应改进光斑分析软件的采集方式减少偶然误差。另外，Z轴位置的选取也对拟合结果影响较大，这个有待后续更多实验的验证。