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1、第16卷 第10期强激光与粒子束Vol.16,No.102004年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2004文章编号:100124322(2004)1021263204X激光光斑有效面积的准确测定杨镜新, 庄亦飞, 沈卫星, 林尊琪(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800) 摘 要:从激光光斑有效面积的定义出发,采用CCD图像摄取技术,设计了一套激光光斑有效面积测量装置。在4种不同激光光斑能量分布和不同能量密度的情况下,用有效面积测量仪分别进行了实际测试验证。结果表明,该测量装置可以对任何能量非均匀分布的激光光斑的有效面
2、积进行准确测试,有助于提高光学元件激光损伤阈值的测量精度。 关键词:光斑有效面积; 激光损伤阈值; 准确测量; 峰值能量密度 中图分类号:TN248文献标识码:A 在光学元件与材料的激光损伤阈值测试过程中,需要知道激光作用在被测样品上的阈值总能量与激光的光斑面积。然后用阈值总能量除以光斑面积,就可得到该样品的激光损伤阈值。如果被测样品上的激光光斑的能量分布是均匀的,无任何空间调制,那么光斑面积的测量是简单的。但是实际上激光光斑的空间能量分布并不是均匀的,而是有调制的,即有多个峰值,并且存在一个最大的峰值。在这个最大峰值能量密度下,光学元件是最容易受损伤的。因此,测量出与
3、激光光斑上的最大峰值能量密度相关的“有效面积”,是准确测量光学元件激光损伤阈值的关键之一。国内一般测量有效面积时,是假设激光光斑在高斯分布状态下,然后用“光楔法”,计算出有效面积。我们根据ISO11254—1.2中有效面积的定义,研制了有效面积测试仪。可实时测量激光光斑的有效面积,对光学元件的损伤阈值测试提供了方便,提高了测量精度。1 有效面积的定义[1] 根据ISO11254—1.2的测试规范,如果激光光束的空间分布是稳定的(并不要求是均匀分布的),则激光总能量Q,最大峰值能量密度Hmax和光束有效面积Aeff之间的关系为∞∞∫∫H(x,y)dxdyQ-∞-∞Aeff==
4、(1)HmaxHmax换句话说,就是激光总能量除以光斑的有效面积应该等于光斑的最大峰值能量密度。实际上就是将激光能量等效为以最高峰值为顶点的一个均匀能量分布,这个均匀能量分布的范围被定义为有效面积。由于光学元件的激光损伤阈值是指激光与光学材料元件相互作用后不产生损伤的最大允许的激光能量密度。因此我们要计算光学材料的激光损伤阈值,关键是要知道打在被测材料上的激光总能量以及被测材料上的激光光斑的有效面积。有效面积的概念在激光损伤阈值测量中是至关重要的。因为实际的激光能量的空间分布并非是均匀的,这就不能简单地用几何方法计算激光光斑的面积。作用在被测光学元件上的激光光斑总存在着一个或
5、几个激光能量峰值,其中必有一个最大的能量峰值,这个最大峰值能量是最容易对材料产生损伤的。因此就不能用激光总能量除以光斑几何面积的方法来确定损伤阈值。而是要用激光总能量除以光斑的有效面积来确定。 图1是激光光斑近场能量分布1维曲线。在相对光强3400处有一最大能量峰值。这一峰值能量对光学元件的损伤应该是最严重的。如果能够知道这一峰值的能量及与之相对应的面积,就可以算出这一峰值的能量密度,也就能算出激光损伤阈值。但是实际上峰值能量是很难直接测量的。 如果光斑的空间能量分布是高斯型的,那么用高斯光束的表达式能够方便的计算出被测样品上的激光光斑的有效面积。 对于激光输出的空间分
6、布为高斯型的情况下的有效面积的计算:X收稿日期:2003212209;修订日期:2004206217基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:杨镜新(1950—),男,高级工程师,主要从事高功率激光与光学元件激光损伤阈值的测量;上海8002211信箱;E2mail:jxyang@mail.shcnc.ac.cn。©1995-2007TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1264强激光与粒子束 第16卷高斯光束的表达式为22-2r/wH(r)=H0e0(2)2π∞22-2r/w2则总
7、能量为Q=∫H0e0rdrdθ=πw0H0/2(3)0∫02πw0有效面积为Aeff=Q/H0=(4)2-2式中:w0为中心最高度下降到e时,所对应的光斑的半径,因此只要测出w0就可知道Aeff。采用光楔法,在光学尖劈两个表面的反射率已知的情况下,借助于激光束在尖劈内的多次反射,使通过尖劈后的激光束分成多束,即传播方向不同,但能量分布比例不变而强度变化可知的子光束,在场图纸上打出一列斑点。在经读数显微镜观察并经数据处理后就可得出w0。举例来说,如果采用光楔法测得w0Fig.1Intensityprofi
