赵小侠,袁宇博,杨小龙,马进如,刘 晗,贺俊芳,杨森林

(西安文理学院 机械与材料工程学院，西安 710065)

激光光束远场发散角一直是评价激光光束质量的重要指标和技术参数.一方面它反映了激光远距离发射时光束的发散特性，另一方面它与束腰的乘积则构成了激光光束质量的品质因子(M2因子)[1-2]，因而 M2则包含了光束质量的综合特性[3]，可以较为直观地说明了该激光光束可聚焦的程度.因此，精确测量激光远场发散角有着十分重要的意义.测量激光发散角有多种方法，如套孔法、移动刀口法、移动狭缝法、探针扫描法和 CCD 摄像法等.在工程实际的检验和验收中，为了使获得的结果稳定可靠，对激光发散角的检测往往多采用套孔法[4].在本科生教育阶段对于激光光束远场发散角的测量主要有移动刀口法和CCD摄像法[5-6].

激光远场发散角是基模高斯光束双曲线的两根渐近线之间的夹角，如图1所示.

图1 高斯光束远场发散角

1 移动刀口法测量激光光束远场发散角

(1)

实验中因无法在无限远处测量发散角，需用测量一个特别接近的近似值，可以证明[6]，当z>7zf时.2θ(z)/2θ(∞)>99%，即当z大于7zr时，测量出的远场发散角的误差在1%以内，所以可以距离光源7zr以外测出远场发散角的近似值.

在距离足够远处，全发散角为固定的一个值，可以在z>7zr处，利用z的值和相对应ω(z)，利用公式：

2θ=2ω(z)/z

(2)

1.1 实验测量装置

移动刀口法测量激光远场发散角的实验装置示意图如图2所示.

图2 移动刀口法测量激光远场发散角装置的示意图

He-Ne激光器的工作波长为632.8 nm，刀口安装在移动的螺旋测微器上，螺旋测微器的精度为0.01 mm。功率计探头安装在刀口的X正方向和功率计连接在一起，激光最大输出功率在选取的功率计量程内.

He-Ne激光器激光腔腔长100.0 mm，选取激光器输出镜距离刀口不同距离时逐点推入刀口时实验测得的功率值实验数据如下表1和表2所示，分别为激光输出镜口到刀口距离Z分别为2 000.0 mm和2 500.0 mm(远远满足z>7zf条件)时所测的两组数据，实验中螺旋测微器每次推进值为0.04 mm，记录一次功率值数据.刀口与功率计探头之间距离ΔZ=105.0 mm，在整个数据测量过程中均保持不变.

表1 激光输出镜到刀口距离Z1为2 000.0 mm时逐点推入时的测定数据

表2 激光输出镜到刀口距离Z2为2 500.0 mm时逐点推入时的测定数据

1.2 实验数据处理

把测量到的激光功率值归一化后得到的相对功率值与刀口移动距离间的关系见下图3所示.

图3 相对功率与刀口移动距离关系图

把测量到的激光功率值归一化后得到的相对功率值与刀口移动距离间的关系见下图4所示.

图4 相对功率与刀移动距离关系图

2 高斯函数拟合法测量激光光束远场发散角

根据上面刀口法实验测量激光输出镜到刀口距离Z1为2 000.0 mm和Z2为2 500.0 mm时逐点推入时的测定的激光功率数据，对功率归一化后可以用高斯函数拟合，得到的归一化功率值拟合的高斯光斑图见下图5和图6所示.

图6 由归一化功率值拟合的高斯光斑图(Z2=2 500.0 mm)

图5 由归一化功率值拟合的高斯光斑图(Z1=2 000.0 mm)

3 CCD摄像法测量激光远场发散角

3.1 实验装置

CCD法测量激光远场发散角的实验装置如下图7所示.激光光斑直接射入光电探测器CCD，CCD经数据线与电脑相连，通过软件直接观察激光光斑.

图7 CCD法测量激光远场发散角装置的示意图

一般情况下由于He-Ne激光光斑的功率密度值比较大，容易使CCD过饱和，因此需要加上可调衰减片，并在电脑上合理设置CCD曝光参数，得到合适的激光光斑.

3.2 实验数据

实验中分别测量了He-Ne激光器出光口到CCD距离为900.0 mm 和1 400.0 mm时的光斑图像与光强分布图，如下图8所示，其中图8中上面是出光口到CCD距离为900.0 mm时，图下面是距离为1400.0 mm时的激光光斑和光强分布图.

通过光斑分析软件得到激光光斑在X方向和Y方向的远场发散角分别为1.282 4 mrad和3.050 14 mrad，平均发散角为2.116 3 mrad.由图形可以看出由于衰减片的使用导致激光光斑形状发生畸变，导致激光在X方向的发散角有较大误差.

4 结语

本文对He-Ne激光器的光斑发散角进行了研究，分别采用刀口法、拟合法和CCD法.刀口法测量实验装置简单，实验过程中需要保证激光功率不受背景光的影响，对实验条件有较高要求，实验数据量较大，可能出现数据记录误差.在激光器输出镜到刀口距离Z分别为2 000.0 mm和2 500.0 mm进行了实验研究，根据测量数据计算得到远场发散角分别为1.600 95 mrad和1.423 064 mrad.拟合法可克服移动刀口法中可能出现的测量误差，提高测量的精度.拟合法得到的远场发散角分别为1.609 94 mrad和1.385 6 mrad.CCD法虽然能在一定程度上保证测量精度的提高，但激光的高功率密度特性容易使CCD存在过饱和现象，衰减片的使用虽然可以满足测量的需要，但是有可能引起光斑的畸变，影响实验结果.实验测得的激光在X和Y方向的远场发散角分别为1.282 4 mrad和3.050 14 mrad，平均发散角为2.116 3 mrad.误差的来源主要是衰减片使激光光斑的变形导致.