激光光束特性研究实验

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1、目录1实验任务12设计原理12.1基本原理12.1.1激光束的发散角032.1.2激光光束横向光场分布42.2测量方案43实验过程53.1测量前的准备53.2光强横向分布的测量63.3光斑半径w(z)及发散角0的确定64实验结果及结论64.1实验数据记录64.2实验结果分析65心得体会76参考文献8附录1：实验原始数据记录8附录2：实验过程记录图9附录3：实验仪器清单10激光光束特性研究实验1实验任务利用氮筑激光器作为输岀光源，通过测量其激光光束的发散角、光斑尺寸以及激光的光强来研究激光光束的特性。2

2、设计原理2.1基本原理普通光源的发光是由于物质在受到外界能量作用，物质的原子吸收能量跃迁到某高能级（僞），原子处于此高能级的寿命约为10弋10入，即处于高能级的原子很快自发地向低能级（厶）跃迁，产生光电磁辐射，辐射光子能量为hv=E2-E,（1）这种辐射为自发辐射，此辐射过程是随机的，即各发光原子的发光过程各自独立，互不关联。各原子发出的光子位相、偏振态和传播方向也各不相同。另一方面由于原子能级有一定宽度，所发出的光的频率也不是单一的。根据波耳兹曼分布规律，在通常热平衡条件下，处于高能级的原子数密度远

3、低于处于低能级的原子数密度。因此普通光源所辐射出的光的能量是不强的。由量子理论可知，物质原子的一个能级对应其电子的一个能量状态。描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动量厶和自旋角动量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=±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，叮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

4、发下叮以迅速跃迁到低能级，并发岀光子。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（爲），当一个外來光子所带的能量加正好为某一对能级之差（爲-耳），则这原子在此外来光子的诱发下由佼跃迁至Q，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

5、原子屮的三种跃迁过程如图1所示：AA/VV#O-(a)白发辐射过程/VWV4;I(b)受激吸收过程E?E、/VWVO高能级态原子O低能级态原子；——O-(c)受激辐射过程E图1双能级原子屮的三种跃迁过程图外来诱发光子不仅能引起受激辐射，而月•也能引起受激吸收，所以只冇当处于高能级态的原子数目比处丁低能级态的原子述多时，受激辐射才能超过受激吸收，才能产生激光。工作物质的原子处丁高能级的数目比处丁低能级的多，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

6、，原子几乎都处于最低能级态(基态)。实现粒子数反传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传。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而构成，一方而可使部分激光反射回工作介质屮继续诱发新的受激辐射，实现光放大。另一方而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

7、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。其原理是利用小而积的光电探测器，依靠机械位移装置,在激光束光斑横截而上进行扫描，通过记录相应位置处的光功率指示仪上的数据并月•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岀发散角，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

8、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（Z』"），z是光束传播方向。设光束束腰截面半径为％,距束腰为z处的光斑半径为w（z）,则:(2)式屮免为激光波长。上式可写为双曲线方程:图2激光光朿发散角(3)2/1如图2所示，我们定义双曲线渐近线的夹角&为激光光束的发散角，则(4)式屮Z要求足够大。根据（4）式可知只要测得离束峻很远的Z处的光斑大小2叭门，便可算岀激光光束的发散角。2.1.2激光光束横向光场分布图3