采用刀片法对飞秒激光束腰半径的实时测量

本文介绍了利用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柬腰半径偏大，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。

　　1 简介

　　激光的发明对人们的工作和生活有着巨大的影响，从1960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1/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，Radon分析法，Talbot效应法和刀口法等。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μm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：

　　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，ω(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：

　　式中Po为激光的总功率，ω(z)为按强度1/e2所定义的束腰半径，对于高斯光束场并不局限在束腰半径范围内，理论上它横向延伸到无穷远，只是大于束腰半径的区域内光强很弱。

　　当刀片切割激光光束时透过的光功率可以表示为:

　　ω(z)为按强度1/e2所定义的不同位置处的束腰半径，式(3)可以约化为:

　　可见l(x，z)是一个Guassian误差函数，其对x的导数为:

　 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腰半径。

3 实验装置和系统控制

　　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I所示，其中包括：被测的飞秒激光(Spitfire，Spectra Physics)，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，脉宽为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口输出电压信号，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。刀片由完全遮挡光束向远离光轴方向移动，从而使入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。

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置图nextpa