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1、高斯光束束腰半径的测量颜海滨(005058)马宁生(指导教师)激光器发出的光束在基模时其振幅和位相在横向都呈高斯型分布，由于激光技术的广泛应用和不断发展，对高斯光束的研究及测量成为一个重要内容。高斯光束束腰半径的测量有过许多方法，例如扫描针孔法[1]、扫描刀口法[2]、扫描狭缝法[3]、扫描Ronchi刻尺法[4]、等距三点采光测量法[5]等等，但是这些方法所用仪器繁多、光路复杂，因此实验操作起来比较繁琐。通过利用高斯光束的性质，根据其光强分布，可以给出一种简单、迅速地测量激光束腰半径的方法。【实验目的】测量
2、高斯光束束腰半径。【实验器材】氦-氖激光器，硅光电池，灵敏数字电压表，小孔若干，固定装置。【实验原理】图1高斯光束光强的横向分布为经归一化后的得到从而得出，其中为高斯光束的总功率。光强分布如图1所示。若在激光束前加一半径为的小孔光阑，则从小孔中透过的光强即为如图1所示的斜线部分，其光强数值为由此得到根据高斯光束束腰半径的定义，当激光振幅减为轴上的=36％或光强下降到轴上的13％时光束尺寸，即当=0.87时对应的小孔光阑半径即为高斯光束的束腰半径。【实验测量及数据处理】实验中记录光束通过不同小孔半径时激光的功率
3、值和不加小孔光阑时激光的功率值，代入上述公式计算束腰半径。这个实验用硅探测器（硅光电池）来测量激光功率。硅光电池的电压与照射到光接收面上光功率成正比。所以可以直接用电压表示激光的功率。小孔半径数值可以用夫琅和费圆孔衍射中的第一极小位置确定，即半角宽度，又有，其中为第一级暗环直径，为小孔到接收屏的距离,小孔半径,也可用数码显微镜直接测量。数码显微镜具有直观而精确的特点，而且可以直接观察小孔的形状，从中挑选比较圆而没有边刺的小孔，因而我们这里用数码显微镜来测量小孔半径。由于小孔总有些不规则，不是标准的圆形，我们通
4、过测量两条互相垂直的直径长度再取平均值来确定小孔半径。测量数据列于下表（,=0.3770）小孔序号10.04650.06760.1790.14820.04380.06180.1640.14630.03050.03110.0820.14740.03020.03340.0880.14150.02870.03050.0810.14060.01070.00390.0100.15170.00670.00150.0040.150高斯光束的束腰半径值为【实验分析】这个实验理论上并不复杂，实验装置也很简单，但是操作上有点困难
5、，不容易做精确。考察实验过程中所使用仪器及所采用的方法，误差产生的原因有：1．有些小孔本身不圆或其边缘不够光滑，尽管实验中先利用数码显微镜观察选出相对较好的小孔，但仍不可避免地对实验结果产生一定影响。小孔不圆或边缘不光滑，半径就不精确，通过小孔的光功率与束腰半径的关系也不准确了；2．激光器的光强不稳定也是一个重要的误差来源，实验中观察到不加小孔与加上各种不同小孔后，电压表的读数都是在某个值附近上下变化，虽然变化不大，但给我们读数带来了麻烦，而且本身电压就很微小，稍微有点起伏就会产生很大误差。读数时尽量仔细地观
6、察电压变化的范围，然后再确定电压值；1．要使高斯光束光强极大点精确位于小孔中心，使输出电流最大，操作上不容易做到，实验中通过反复微调小孔的位置使电压表读数最大，从而确定小孔的位置，这时电表的灵敏度会影响测量精度；2．实验过程中外界环境影响也都是造成实验误差的原因。这个实验最好在暗室里进行，没有暗室一定要用黑布或其他东西遮掉外界光；3．尽量使硅光电池的受光硅片靠近小孔，因为光通过小孔后衍射发散，这样才能使衍射后的光全部照在硅片上，否则测量到的光功率并不是光通过小孔后的全部功率；对实验的一些改进建议：最好能把整套
7、实验装置固定在一个光具座上，这样就容易固定和微调小孔的位置。还有就是最好把小孔分别固定在一些规格一样的卡片上，换小孔的时候只要换卡片就行了。这次实验的小孔都是一些很小的金属片，换起来很麻烦，而且不易找到小孔的位置。参考文献[1]C.K.Rhodesetal.;“LaserHandbook”,1,F,T.Arechietal.,Eds,North-Holland,Amsterdam,1972.[2]Y.Suzakietal.;appl.Opt.,1975,14,2809.[3]J.E.Pearsonetal.;
8、JOSA,1968,59,1440.[4]R.J.Andersonetal.;Appl.Opt.,1971,10,1605.[5]朱延彬.中国激光.1983.10.No.2,90.
