基于刀片法的飞秒激光束腰半径的实时测量与计算.docx

1、基于刀片法的飞秒激光束腰半径的实时测量与计算基于刀片法的飞秒激光束腰半径的实时测量与计算韩秋菊;吴文智【摘 要】利用LabVIEW软件编程,使用数据采集卡配合光功率计,通过刀片切割光束的方法测量并计算了经过凸透镜的飞秒脉冲激光的束腰半径.对光功率随刀片位置变化的关系进行拟合,可以在线实时测量精确度为微米量级的激光束腰半径.对经过会聚透镜焦点附近的飞秒激光束腰半径进行了测量,发现在焦点之前束腰半径随位置的变化满足经过焦点后测量的束腰半径偏大,这主要是由于飞秒激光聚焦后峰值功率极大,对刀刃产生了破坏作用.【期刊名称】自动化博览【年(卷),期】2008(025)007【总页数】3页(P68-70)【

2、关键词】束腰半径;高斯光束;飞秒激光;测量精度【作 者】韩秋菊;吴文智【作者单位】东北农业大学理学院生物物理系,黑龙江,哈尔滨,150030;黑龙江大学电子工程学院,黑龙江,哈尔滨,150030【正文语种】中 文【中图分类】工业技术文献标识 码： A文章编号 ： 1003-0492(2008)07-0068 03中图分类号 ： TP274基于 刀 片法 的飞 秒激光束腰 半径 的实 时测 量 与计 算 Femtosecond LaserBeamRadiusOn-lineMeasurementandCalculation Based onaKnife-edgeMethod究方向为激光光束变。摘要

3、： 利用 LabVIEW 软件编程， 使用数据采集卡配合光功率计， 通过 刀片 切割光束的方法洲最并计算了经过凸透镜的飞秒脉冲激光的束愎半径。对光 功率随刀片位置变化的关系进行拟合，可以在线实时测虽精确度为微米量级 的激光束腰半径。 对经过会聚透镜焦点附近的 匕 秒激光束腰 。F 径进行 r 测 量，发现在焦点之前束腰半径随位置的变化满足经过焦点后测量的束腰半径偏大，这主要是由于飞秒激光聚焦后峰值功率极大， 对 )刃产生 了破坏作川。父键词： 束腰半径；高斯光束：飞秒激光；测量精度 Abstract:UsingLabVIEWsoftwareprogramand the scanningknif

4、e edgemethod.the Gaussianfemtosecondlaserbeamradius ismeasuredby lightpowermeteranddata collector.Byfittingrelationship function betweenlightpowersandthe knifeedge position,weareable to measureautomaticalIythe Gaussianlaserbeamradiuswith the precision of online.Laserbeamradius canalso be measuredaro

5、undthefocus position Lhroughthe convexlens.Wefind thatthe laser beamradius isbiggerthan theoretlcal value becauseof damageof knife blade. Keywords:Waist radius:GaussianBeam;Femtosecondlaser; Measurement Accuracyl 简介激光的发明对人们的工作和生活有着巨大的影响 ， 从 1 960 年的红宝石激光到二十一世纪末出现的量子点激光的性质研究 一直是科学工作者关注的热点。 激光的基本性质主要是

6、指其频 域和时域的性质 ， 为了指定和论述激光光束的传播特性 ， 必须对它的光斑半径进行定义 。 普遍被采用的定义是光束发光 （ 最 强烈） 峰值 ， 轴向或者数值的地方的半径衰减 l/e2(13.5%) ， 我 们称其为激光的束腰半径。 通常情况下需要实时判断激光的光 斑大小及位置来进一步优化实验结果 ， 需要在线观测并计算光 斑的尺寸和所处的位置 ， 基于这一 目的本文采用 刀片法进行了 激光束腰半径的实时测量与计算。在使用激光进行光学实验和实际应用中， 激光的束腰半径 是一个非常重要的物理量 ， 如 Z 扫描 ， 荧光动 力学和激光微加 工等实验中， 都需要求出激光的束腰半径。 它的测量

7、精度会直 接影响实验数据结果和分析的准确性。 目前对光斑尺寸测量的 方法有狭缝法， Ronchi 等光栅法1 21 ，Radon 分析法l 31 ， Talbot 效应法I41和 刀 口 法酬等。 刀 口法采用的是测透射光强的测量方法 ，采用 刃 口平直的 刀 口 ， 其透过率函数为阶跃函数 ， 在光电 接收元件尽可能靠近 刀 口时减小衍射量 ， 精确地测量 “ m 级光 斑大小是可行的。 我们通常接触到的激光在TEM （ 横模和纵模 为0）模式下沿传播方向的截面形状都是高斯型 ， 我们称其为高斯光束。2 高斯光束的基本性质和测量原理高斯光束沿 z 轴横截面的场强分布可以表示为 ： I (x，

8、：) 2 五乏 了 exp （ 一（ 石二 +y 二） ：（ 二） ）(1)式中c 为常数因子 ， x ， y 为垂直于光束方向 z 轴的横截面 内的坐标 ，(I)(z) 为z 处的束腰半径。 高斯光束经过透镜后传输的 光束仍为高斯光束。 光束的束腰半径随坐标 z （ 光束传播方向） 按双 曲线规律变化。 在像方， 透镜焦点位置处光斑最小。 在高斯激光束束腰处横截面内的强度分布可表示为：石寺exp(-2(x+ 二) n） !(：)(2) 68 j 一 ， t 。？ I 芰， 2008 年 07 月刊AUTOMATIONPANORAMA文章编号 ： 1003-0492(2008)07-0068

9、LaserBeamRadiusOn-lineMeasurementandCalculation on a Knife-edgeMethod摘要： 利用 LabVIEW 软件编程， 使用数据采集卡配合光功率计， 通过 刀片切割光束的方法洲最并计算了经过凸透镜的飞秒脉冲激光的束愎半径。对光功率随刀片位置变化的关系进行拟合，可以在线实时测虽精确度为微米量级的激光束腰半径。 对经过会聚透镜焦点附近的 匕 秒激光束腰。F径进行 r 测量，发现在焦点之前束腰半径随位置的变化满足经过焦点后测量的束腰半径 Abstract:UsingLabVIEWsoftwareprogramand the scanning

10、knife edgemethod. the Gaussianfemtosecondlaserbeamradius ismeasuredby lightpowermeterand data collector.Byfittingrelationship function betweenlightpowersandthe knife edge position,weareable to measureautomaticalIythe Gaussianlaserbeamradius with the precision of online.Laserbeamradius canalso be mea

11、suredaroundthe focus position Lhroughthe convexlens.Wefind thatthe laser beamradius isbigger than theoretlcal value becauseof damageof knife blade. Key words: Waist radius:GaussianBeam;Femtosecondlaser; Measurement Accuracy l简介激光的发明对人们的工作和生活有着巨大的影响 ， 从 1 960年的红宝石激光到二十一世纪末出现的量子点激光的性质研究一直是科学工作者关注的热点。

12、激光的基本性质主要是指其频域和时域的性质 ， 为了指定和论述激光光束的传播特性 ， 必须对它的光斑半径进行定义 。 普遍被采用的定义是光束发光 （ 最强烈） 峰值 ， 轴向或者数值的地方的半径衰减 l/e2(13.5%) ， 我们称其为激光的束腰半径。 通常情况下需要实时判断激光的光斑大小及位置来进一步优化实验结果 ， 需要在线观测并计算光斑的尺寸和所处的位置 ， 基于这一 目的本文采用 刀片法进行了激光束腰半径的实时测量与计算。在使用激光进行光学实验和实际应用中， 激光的束腰半径是一个非常重要的物理量 ， 如 Z 扫描 ， 荧光动 力学和激光微加工等实验中， 都需要求出激光的束腰半径。 它的

13、测量精度会直接影响实验数据结果和分析的准确性。 目前对光斑尺寸测量的方法有狭缝法，Ronchi等光栅法1 21Radon分析法l 31Talbot效应法I41和 刀 口 法酬等。 刀 口法采用的是测透射光强的测量方采用 刃 口平直的 刀 口 ， 其透过率函数为阶跃函数 ， 在光电接收元件尽可能靠近 刀 口时减小衍射量 ， 精确地测量 “ m 级光斑大小是可行的。 我们通常接触到的激光在TEM （ 横模和纵模为0斯光束。 2高斯光束的基本性质和测量原理 I(x，：) 2五乏了exp（一（石二+y二）：（ (1)式中c 为常数因子 ， x ， y 为垂直于光束方向 z 轴的横截面内的坐标 ，(I)

14、(z) 为z 处的束腰半径。 高斯光束经过透镜后传输的光束仍为高斯光束。 光束的束腰半径随坐标 z （ 光束传播方向）按双 曲线规律变化。 在像方， 透镜焦点位置处光斑最小。在高斯激光束束腰处横截面内的强度分布可表示为： j一 ， t 。？I芰，2008年07月刊 AUTOMATIONPANORAMA式中PO 为激光的总功率，(：) 为按强度 l/e2所定 义的束腰 Ii 径 ， 对于高斯光束， 场 并不局限在束腰半径范围内， 理论上匕横向延 伸到无穷远 ， 只是 大干束腰半径的区域内光强很弱。、 l7 片切割激光光束时透过的光功率可以表示 为l 71 鬯， （ - 。， =Er 羔cxpt

15、一等 芋 胤 = 只 f 层 志唧t一番冰 (3) (t)( ：) 为按强度 l e-所定义的不同位置处的束腰半径 ， 式子 (3) 可以约化为 ， cx，：， =21Poerfc2 ，(4)可见l(x，z) 是一个 Guassian 误差函数， 其对 x 的导数为 dI(J ，：) P 瓜一 石 晶(五 exp( 。x 二 (：) ：)(5)可见只要求得刀 片切割激光光束时透过的光功率随 刀片位 置的变化 ， 然后求其导数进行 Gauss 拟合就可以得出在相应位 置处的束睽半径。实验装置和系统控 制 (a) (b)图 1(a)刀片与光斑的相对位置的截面图 (b) 用于测量激光束腰半径的实验装

16、置图刀片法是一种简单而灵敏的测量激光光束束腰半径的实验方法。它可以测量高斯光束经透镜聚焦在像方的束腰半径。 整 个实验装置如 图 l 所示 ， 其中包括 ： 被测的飞秒激光(Spitfire ，SpectraPhysics) ， 聚焦透镜 (焦距为20cm) 及能量衰减器 ， 激光 功率计 （ 物科光电） ， 单刃剃须刀 刀片， 电动平移台 （ 卓立汉光 ， 步长为2.5 ）和数据采集卡 (PCI2300 ， Art) 等。 激光的波长为800nm平均功率约为 100 毫瓦 ， 重复频率为 1000Hz 。 这里要 进 行测量的激光是飞秒激光 ，它是一种以脉冲形式运转的激光， 持续时间极短 ，

17、 8 禾 宽为 130 飞秒 ， 峰值功率极高。 飞秒激光脉 冲较为稳定， 所以在实验中不需要另一功率计来监测飞秒激光 的波动。 飞秒激光经过会聚透镜聚焦 ， 形成直径为几十微米量 级的光斑 ， 光信号由激光功率计来采集 ， 通过激光功率计的信号输出 L输出电压信 号， 并经 由数据采集卡(PCI2300 ， Art)将模 拟信号转换成数字信号 ， 进行读数并对信号进行强度归一化。 实验中选用两个步长精度为2.5 微米的电动平移台叠放在一起组 成两维移动平台， 一 个在x 轴方向移动 ， 用来切割 Gauss 光束， 另一 个在 z 轴方 向移动 ， 测量 不同位置处的束腰半径。 使用LabV

18、IEW 程序通过计算机的串口控制电动平移台在x ， z 方向上 的移动， 在移动平台上固定刀片， 刀片与入射激光光束 z 轴方 向垂直。刀片由完全遮挡光束向远离光轴方向移动 ， 从而使人射到功率计探头的激光的光功率从零增加到最大值。 电动平移 台沿 x 轴方向每次走 20 步， 进行数据采集并多次累计取其平均 值。测量不同位置处的束腰半径通过移动沿 z 轴的另一电动平移台来实现。 一！ 实验数据的采集和 自动处理图 2(a) 刀片切割激光光束的透射功率随 x 轴位置变化的曲线（ 点为实验数据曲线， 实线为数据拟合曲线）对图 2(a) 中数据进行求导并拟合的曲线（ 点为实验数据曲线， 实线为数据

19、拟合曲线） LabVIEW 是一个具有革命性的图形化编程开发平台， 它内 置信号采集、 测量分析与数据显示功能 ， 摒弃了传统开发工具 的复杂性 ， 提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。 PCI 数据 采集卡带有可以供LabVIEW 调用的子程序， 而电动平移台可以 通过计算机串口输送指令， 使用数据采集卡的 l 通道作为信号 输 入端 ， 考虑到功率计的响应和激光器的重复频率， 每隔 10 微 秒采 集一次信号 ， 这样不会漏掉信号。 电动平移台每走一次 ， 光 功率计记录一个数值， 同时将数值与所走的步数作为数据输出 并进行存储。 2008 年 07 月刊 童 - ：曩 ： i 二69A

20、UTOMATIONPANORAMA Ii径 ，对于高斯光束， 场 并不局限在束腰半径范围内， 理论上、l 7片切割激光光束时透过的光功率可以表示 为l 71 鬯-。， =Er 羔 =只f 层志唧t一番冰 (t)(：)为按强度 l e -可以约化为cx，：， = 21Poerfc2 ， (4) P瓜一晶(五exp(。x二(：) (5)可见只要求得刀 片切割激光光束时透过的光功率随 刀片位置的变化 ， 然后求其导数进行 Gauss 拟合就可以得出在相应位置处的束睽半径。图1 (a)刀片与光斑的相对位置的截面图它可以测量高斯光束经透镜聚焦在像方的束腰半径。 整个实验装置如 图 l 所示 ， 其中包括

21、 ： 被测的飞秒激光(Spitfire ， SpectraPhysics) ， 聚焦透镜 (焦距为20cm) 及能量衰减器 ， 激光功率计 （ 物科光电） ， 单刃剃须刀 刀片， 电动平移台 （ 卓立汉光 ，步长为2.5 ）和数据采集卡 (PCI2300 ， Art) 等。 激光的波长为 800nm平均功率约为 100 毫瓦 ， 重复频率为 1000Hz 。 这里要进 行测量的激光是飞秒激光 ，它是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间极短 ， 8 禾 宽为 130 飞秒 ， 峰值功率极高。 飞秒激光脉冲较为稳定， 所以在实验中不需要另一功率计来监测飞秒激光的波动。 飞秒激光经过会聚透镜聚焦 ，

22、形成直径为几十微米量级的光斑 ， 光信号由激光功率计来采集 ， 通过激光功率计的信号输出 L输出电压信 号， 并经 由数据采集卡(PCI2300 ， Art)将模拟信号转换成数字信号 ， 进行读数并对信号进行强度归一化。实验中选用两个步长精度为2.5 微米的电动平移台叠放在一起组成两维移动平台， 一 个在x 轴方向移动 ， 用来切割 Gauss 光束，另一 个在 z 轴方 向移动 ， 测量 不同位置处的束腰半径。 使用 LabVIEW 程序通过计算机的串口控制电动平移台在x ， z 方向上的移动， 在移动平台上固定刀片， 刀片与入射激光光束 z 轴方向垂直。射到功率计探头的激光的光功率从零增加

23、到最大值。 电动平移台沿 x 轴方向每次走 20 步， 进行数据采集并多次累计取其平均值。移台来实现。一！实验数据的采集和 自动处理2 (a) 刀片切割激光光束的透射功率随 x 轴位置变化 LabVIEW 是一个具有革命性的图形化编程开发平台， 它内置信号采集、 测量分析与数据显示功能 ， 摒弃了传统开发工具的复杂性 ， 提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。 PCI 数据采集卡带有可以供LabVIEW 调用的子程序， 而电动平移台可以通过计算机串口输送指令， 使用数据采集卡的 l 通道作为信号输 入端 ， 考虑到功率计的响应和激光器的重复频率， 每隔 10 微秒采 集一次信号 ， 这样不会漏

24、掉信号。 电动平移台每走一次 ， 光功率计记录一个数值， 同时将数值与所走的步数作为数据输出并进行存储。 2008童-：曩 ： i 69residue2 束耀半径 （ 步数）初始值 匿 匿”“ 5 窿I ：i ； 畜 i 一 瞅1： wmf ；r-JI懈 尊雇基 萄 丽一r鑫强_a 睦| 严“828 。“啦甑面芦“28 ”8 “睁 p一 匾五8蛩， ， ， 趣 ；二 锢 霞 圈 ll 髀霹-+ 蟹 圈蹬 墨 一匪 、O f茧 日 i OF.p1 圈。 曩 -塑 口 jElalali 一 Irrrrri越匹血卫瓯口衄皿血皿血卫字凹盥幔也由图 3(a) 使用 LabvIEW 编程的数据自动处理的前

25、面板 (b)结构框图图3 是对数据进行 自动处理的程序， 图3(a)图是前面板， nr 以看到将光功率求导得到的高斯型分布的数据进行求导得到的拟 合结果中给出了关 于激光光束束腰半径的信息。 图中初始值是进 行Guassian 拟合前输入的估计数值 ， 下面是拟合得到的结果。 图 中的横轴为电动平移台移动的步数，纵轴分别为归 化的光功率 和及其 一阶 导数。 图3(b)图中硅示的是数据处理的结构框图 ， 显示的是数据的流程图。 将刀片所处位置及其光功率数据作为两列 数值输出， 首先对光功率数值进行归一化， 然后调用 LabVIEW 软件当中的求微分模块进行微分 ， 为了更为精确地求出激光的束

26、腰半径， 对微分结果进行线性插值。 使用Gaussian 型拟合模块对 结果进行拟合，拟合得到的结果进行积分并与实验测量到的数据 进行比较并分析误差， 残差保持在 0.01 以内。 =LL-王 o 营a凸 Z(mm) 图 4计算束腰半径相对于激光传播距离 z 的关系图点线为实验结果 ， 实线为理论计算结果）使用 刀片法实时测量后透镜焦点附近的激光光束的束腰半径 ， 得 =j 束腰半径与透镜位置的关系， 发现当接近焦点时 ， 束腰半径逐渐变小， 这符合距离焦点越近 ， 束腰半径越小的原则。 但当经过焦点时由于激光光束的束暖半径最小， 对应 色 秒激光 具有最强的峰值功率， 通过计算其强度约为2.

27、5 1017W/m2 ， 在刀 刃表面发生烧蚀作用， 对 刀 口 有了一定的破坏作用。 通过 这一方法可以简单测出材料发生烧蚀的阈值功率 ， 叮见使用 JJ 片切割强激光光束测量束腰半径时 ， 需要适当减小 匕 秒激光的 入射功率。 5 结论针对经过透镜聚焦后的飞秒脉冲激光 ， 使用LabVIEW 编程 技术对激光束腰半径进行了在线实时地测量和计算， 并阐述 了 测量过程和误差分析。 使用 JJ片法测量 束粳半径有几 个优点 ：(1)实现激光束腰半径的 自动化往线测量与计算； (2) 使用光 电倍增管或硅光二极管等较 为便宜的设备作为光电探测器 ， 将 光信 号转换为电信 号； (3)测 最其

28、他形状的脉冲如hat-top ， sech2 型的激光脉冲， 需要改变结构框图中相应的拟合类型即可。 匕 秒激光聚焦后峰值功率极高， 进行 刀片法实验时需要适 当降低 激光的入射能量 ， 避免在 刀刃表面产生烧蚀作用， 影响实验的 精度。o编号 ： 080735亓【司 羞 。已溪 照 2008 年 07 月刊园 圃 阿 圆 圈 园 ： n 也 强 训 睢 岫 i 衙ki 懈moH 理 ， 刊X 以 如 “ 牡A 蚶 呲a ” 即 m 吣 一 “ 州 枷j 一 一 一 吼 懒 5 恤 雌n 舭 圳re 1 耋 一m 伯 鼢 肘 却 啦3 烈 求w 肌m 维 光 期m1 斯 风 吼 11 叫G 点

29、 州m 舱 求 一 慨 一 珊 蝴 嘲 咖 眦 一 一 一 一 协 涮 鬃m5 呲 埘 一 懒11 邶 龇 川 胁 洲 枷 一 。 。M 一 獭cJ 乏 艄 昕 州 11 朋 腿 懈 一 北 邛 非 畔 队 胁 一 一 一 一 一 一 一 一 一 n 一 一 一 吣 眦 一 嘶 m m 5residue束耀半径步数）初始值匿“5窿：i；畜瞅1 wm f；r - JI懈尊雇基萄丽一 r鑫强 _a睦|严“8288“睁p 匾五 8趣二 锢霞圈 l l 髀霹-+蟹圈蹬墨匪 O茧日OF. p1圈曩 塑口jEla lali rrrrri图 3使用 LabvIEW 编程的数据自动处理的前面板 (b)结构框图

30、图3 是对数据进行 自动处理的程序， 图3(a)图是前面板， nr以看到将光功率求导得到的高斯型分布的数据进行求导得到的拟合结果中给出了关 于激光光束束腰半径的信息。 图中初始值是进行Guassian 拟合前输入的估计数值 ， 下面是拟合得到的结果。 图中的横轴为电动平移台移动的步数，纵轴分别为归化的光功率和及其 一阶 导数。 图3(b)图中硅示的是数据处理的结构框图 ， 显示的是数据的流程图。 将刀片所处位置及其光功率数据作为两列数值输出， 首先对光功率数值进行归一化， 然后调用 LabVIEW软件当中的求微分模块进行微分 ， 为了更为精确地求出激光的束腰半径， 对微分结果进行线性插值。 使

31、用Gaussian 型拟合模块对结果进行拟合，拟合得到的结果进行积分并与实验测量到的数据进行比较并分析误差， 残差保持在 0.01 以内。 =L L -王营 a凸 Z (mm)图 4得=j束腰半径与透镜位置的关系， 发现当接近焦点时 ， 束腰半径逐渐变小， 这符合距离焦点越近 ， 束腰半径越小的原则。但当经过焦点时由于激光光束的束暖半径最小， 对应 色 秒激光具有最强的峰值功率， 通过计算其强度约为2.5 1017W/m2 ，在刀 刃表面发生烧蚀作用， 对 刀 口 有了一定的破坏作用。 通过这一方法可以简单测出材料发生烧蚀的阈值功率 ， 叮见使用 JJ片切割强激光光束测量束腰半径时 ， 需要适

32、当减小 匕 秒激光的入射功率。 5结论针对经过透镜聚焦后的飞秒脉冲激光 ， 使用LabVIEW 编程技术对激光束腰半径进行了在线实时地测量和计算， 并阐述 了测量过程和误差分析。 使用 JJ片法测量 束粳半径有几 个优点 ： (1)实现激光束腰半径的 自动化往线测量与计算； (2) 使用光电倍增管或硅光二极管等较 为便宜的设备作为光电探测器 ， 将光信 号转换为电信 号； (3)测 最其他形状的脉冲如hat-top ， sech2型的激光脉冲， 需要改变结构框图中相应的拟合类型即可。 匕秒激光聚焦后峰值功率极高， 进行 刀片法实验时需要适 当降低激光的入射能量 ， 避免在 刀刃表面产生烧蚀作用， 影响实验的精度。羞。已溪 照 2008 年 07 月刊园圃阿圆 n也强训睢岫衙 k i懈 m o H理刊 X以如牡 A蚶呲即吣州枷吼懒恤雌舭圳 r e耋伯鼢肘却啦 3烈求 w肌维光 期 1斯风11叫 G点舱慨珊蝴嘲咖眦协涮鬃埘 11邶龇川胁洲 M獭 cJ艄昕朋腿北邛非畔队n嘶m【文献来源】https:/www.zhangqiaoke