激光光束特性研究实验Word下载.docx
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描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量L和自旋角动量S，它们都是量子化的。
电子从高能级态向低能级态跃迁只能发生在L=_1的两个状态之间，这是选择原则。
若选择原则不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。
在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这一能级上，由于不满足跃迁的选择规则，可使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁，这种能级称为亚稳态能级。
但在外加光的诱发下可以迅速跃迁到低能级，并发出光子。
此过程称为受激辐射，是激光的基础。
受激辐射过程大致如下：
原子开始处于高能级（E2），当一个外来光子所带的能量h正好为某一对能级之差（E2-巳），则这原子在此外来光子的诱发下由E2跃迁至E1，发生受
激辐射，并辐射一个光子。
受激辐射的光子有显著的特点，就是受激辐射发出的光子与诱发光子为同态，即两光子的频率（能量）、发射方向、偏振态以及光波的相位都完全一样于是，入射一个光子，就出射两个完全相同的光子，这意味着原来光信号被放大。
这种在受激过程中产生并被放大的光，称为激光。
双能级原子中的三种跃迁过程如图1所示：
C高能级态原子匸低能级态原子
——OE2
I
心E
（a）自发辐射过程
——:
/E2
工
Ei
（c）受激辐射过程
图1双能级原子中的三种跃迁过程图
外来诱发光子不仅能引起受激辐射，而且也能引起受激吸收，所以只有当处于高能级态的原子数目比处于低能级态的原子还多时，受激辐射才能超过受激吸收，才能产生激光。
工作物质的原子处于高能级的数目比处于低能级的多，这称为粒子数反转。
根据波耳兹曼分布规律，在热平衡条件下，高能级上的原子数目远小于低能级上的原子数，原子几乎都处于最低能级态（基态）。
实现粒子数反转是产生激光的必要条件。
激光器一般包括三个部分。
a激光工作物质：
可以是固体、气体、液体或半导体。
这种介质可以实现粒子数反转。
b激励源：
为使工作介质实现粒子数反转，必须用一定的方法去激励介质原子体系。
有电激励、光激励、热激励和化学激励等。
c谐振腔：
由放置在
激光器两端相对而装的两块反射率很高的镜面构成，一方面可使部分激光反射回工作介质中继续诱发新的受激辐射，实现光放大。
另一方面实现激光光波场模式选择。
激光束横向能量分布、光斑尺寸和束腰光斑尺寸是衡量激光器性能的重要物理量。
目前光束能量的横向分布和光斑尺寸是由光电扫描法测量。
其原理是利用小面积的光电探测器，依靠机械位移装置，在激光束光斑横截面上进行扫描，通过记录相应位置处的光功率指示仪上的数据并且作图得到光信号的分布，即光束能量的横向分布，再由曲线图计算出
光斑尺寸。
激光束的发散角及束腰光斑尺寸的测量是在三米导轨上不同位置处，用小面积光电探测器和机械装置进行扫描，再由不同位置处的光强分布曲线计算出发散角，或用焦面光斑法来测量激光束发散角的束腰光斑尺寸。
2.1.1激光束的发散角-
激光器发出的激光束在空间的传播如图2所示，光束横截面最细处称为束腰。
选激光
束的束腰截面的中点作为坐标原点，建立柱坐标乙r,「，z是光束传播方向。
设光束束腰截面半径为Wo，距束腰为z处的光斑半径为wz，则:
12
二W0
式中■为激光波长。
上式可写为双曲线方程:
二W0z
式中z要求足够大。
根据（4）式可知只要测得离束腰很远的z处的光斑大小2wz，便可算出激光光束的发散角。
2.1.2激光光束横向光场分布
图3高斯光束振幅分布和光强分布
如图3所示，激光光束沿z轴传播，其基模的横向光场振幅曰°
随柱坐标值r的分布为高斯分布形式：
Eqqr=Egozexp|L-r2fw2z（5）
式中E°
oz为离束腰z处横截面内中心轴线上的光场振幅，wz为离束腰z处横截面的光
束半径，Eoor则为该横截面内离中心r处的光场振幅。
由于横向光场振幅分布为高斯分布，故这样的激光光束称为高斯光束。
当r=wz时，则Eqqr为E°
°
z的1e倍。
光束半径wz定义为振幅下降到中心振幅1/e点处离中心的距离。
实际测量中，我们所能测得的是光束横向光强分布，光强正比于振幅的平方，则光强分布为
l°
o（r）=EQ°
（r）=E0o（z）exp「-2r2/w2（z）]
_」_-（6）
Toozexp||-2r2,w2z
式中I表示所对应的光强。
光束半径wz也可定义为光强下降为中心光强的e，点处离中心点的距离。
在光束半径wz范围内集中了86.5%的光功率。
如图2所示，实线表示的为光强的归一化高斯分布，虚线表示的为归一化的横向振幅分布。
2.2测量方案
氦氖激光器结构简单、操作方便、体积不大、输出的光波长为632.8nm的红光。
本实
验对氦氖激光器输出的基模高斯光束的光束半径和发散角进行测量。
实验测量装置如图4
所示，所用的激光器为平凹型谐振腔，其腔长为L，凹面镜曲率半径为R,则由激光原理
内容可知，对应的基模高斯光束的束腰处的光斑半径（束腰）为
由这个w0值，也可以从v-2h：
w0算出激光光束的发散角-o
图4测量装置示意图
平凹型谐振腔激光器输出的高斯光束的束腰位于谐振腔输出平面镜的位置，实验测量
距束腰距离z约为3.5m处的光束半径。
实验中为了缩短测量装置的长度，我采用了平面反
射镜折返光路。
测量时狭缝连同其后面的硅光电池作为一个整体沿光束直径方向作横向扫描，由和硅光电池连接的反射式检流计给出激光光束光强横向分布。
根据测得的激光束光
强横向分布曲线，求出光强下降到最大光强的e，（e=2.71828,e，=0.13533）倍处的光束半径wz,它就是激光光斑大小的描述。
根据（4）式=2wzz算出光束发散角。
实验测量时应使测量狭缝的宽度小于光斑大小的110o
3实验过程
3.1测量前的准备
按实验装置图4摆好光路各部件，打开氦氖激光器电源，待激光器输出激光稳定，调
整标尺及平面反射镜使激光束照到测量狭缝，取z值约为3.5m，取缝宽小于光斑大小的110，
接好光功率指示仪。
3.2光强横向分布的测量
移动微动平台，使狭缝和硅光池接收器同时扫过光束，移动的方向应与光传播方向垂直。
每隔0.2mm,记录光功率指示仪的读数值，重复测量三次，进行激光束的光强横向分布测量，测量z值。
3.3光斑半径wz及发散角v的确定
以三组测量数据的光功率的平均值随测量位移之间的变化作归一化曲线，由归一化曲线根据光束半径定义求出光斑半径wZ，并算出发散角二值。
4实验结果及结论
4.1实验数据记录
实验原始数据记录见附录1。
注释：
表2、表3以及表4分别依次接在表1的右端来查看数据，理论值和w0值见表1，w（z）和二实验值的平均值见表4。
相关的仪器参数：
激光器的腔长L=20mm;
中心波长是632.8nm；
凹面反射镜曲率半径为20mm,其反射率为99%;
光路Z为3.3m。
4.2实验结果分析
依据光斑半径w（z）与光功率P的关系，可以做出一个半径-功率曲线，如图5所示。
半径■功率曲线
图5光斑半径w（z）与光功率P的曲线
由此可知，激光光功率即光强是随着激光光斑半径而变化的，在靠近激光中心处，其光强最强，光功率最高；
而在两端，靠近光斑边缘的地方，其光强最弱，光功率最低。
而这也恰恰反映了光强横向分布的特点，即边缘低中心高。
另外，按照所测数据，最终实验测得的发散角B的平均值为1.84710*rad。
而理论上,发散角的值为1.410~rad，两者相差一个数量级。
究其原因，可能是微动位移台不够精确才导致出现如此大的偏差。
5心得体会
利用课余时间，我查找了相关的资料，设计了实验所需要的光路图。
在实验室，我将自己设计的光路图付诸于实践，发现光路的调节还是需要熟练程度的，幸亏以前做过类似的光学实验，因此对实验器具的摆放显得得心应手一些。
在实验过程中,要有足够的耐心和细心来操作，要遵守实验过程中的注意事项：
切忌直接迎着激光光束传播的方向观察；
注意激光高压电源，以免触电和短路；
测量发散角时应该减小震动，避免光斑在狭缝口晃动。
此次实验，我所得到的结果误差较大，其中最主要的原因是实验仪器的限制。
通过此次开放性实验，我掌握了激光光束光斑大小和发散角的测量方法，深入理解了基模激光光束横向光场高斯分布的特性以及激光光束发散角的意义，巩固了我的理论知识，锻炼了我的动手能力。
6参考文献
[1]周炳琨，高以智，陈倜嵘，陈家骅激光原理国防工业出版社2007.11
附录1：
实验原始数据记录
z（mm）
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
P（uw）
4.4
5.3
6.8
8.3
9.7
11.3
13.2
5.2
7.4
8.4
10.5
12.1
14.2
16.4
6.5
10.3
11.8
16.2
17.7
P平均（uw）
尸5.367
f7.000
"
8.500
，10.200
r12.000
尸13.900
r15.767
w（z）
0.2944887
0.2953241
0.2961572
0.296988
0.2978164
0.2986426
0.2994664
theta实验
1.785E-04
1.790E-04
1.795E-04
1.800E-04
1.805E-04
1.810E-04
1.815E-04
theta理论
1.4E-03
w0
0.2865036
续：
表二
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.6
15.2
16.5
18.3
19.1
19.2
18.6
17.6
18.9
19.6
19.9
19.7
19.3
18.7
20.1
21.2
21.5
21.8
20.8
17.367
18.500
19.500
19.900
20.200
19.767
18.833
0.300288
0.3011074
0.3019245
0.3027395
0.3035522
0.3043628
0.3051712
1.820E-04
1.825E-04
1.830E-04
1.835E-04
1.840E-04
1.845E-04
1.850E-04
表三
4.8
5.0
5.4
5.6
5.8
6.0
18.1
16.7
14.5
12.7
11.4
10.6
8.9
16.6
15.5
13.4
11.5
8.5
7.1
18.5
14.8
12.0
10.8
9.2
7.3
‘17.733
r16.267
r14.233
r12.067
10.633
9.433
7.767
0.3059775
0.3067816
0.3075837
0.3083837
0.3091816
0.3099774
0.3107713
1.854E-04
1.859E-04
1.864E-04
1.869E-04
1.874E-04
1.879E-04
1.883E-04
表四
6.2
6.4
6.6
7.0
3.1
2.5
5.5
2.1
6.1
2.7
6.233
4.800
3.733
3.000
2.433
0.3115631
0.3123528
0.3131406
0.3139264
0.3147103
0.3047069
1.888E-04
1.893E-04
1.898E-04
1.903E-04
1.907E-04
1.847E-04
实验过程记录图
图6光屏记录光斑形状
图7实验光路图
实验仪器清单
氦氖激光器
—.台
光功率指示仪
硅光电池接收器
微动位移台
光学仪器支架
五架
凹面反射镜
两片
狭缝
一个
光屏
升级会员 