專利名稱：高斯光束變換規(guī)律及特性測量教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，特別是一種高斯光束變換規(guī)律及特性測量的 教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。
背景技術(shù)：
高斯光束光強(qiáng)分布、高斯光束遠(yuǎn)場發(fā)散角及測量、高斯光束經(jīng)透鏡變換規(guī)律、高斯 光束衍射倍率因子及測量是激光物理教學(xué)中重要的概念、規(guī)律和測量方法。目前對遠(yuǎn)場發(fā) 散角、衍射倍率因子測量的標(biāo)準(zhǔn)方法為測量高斯光束經(jīng)過透鏡變換后，沿光束傳播方向不 同位置上的高斯光束光斑半徑，利用最小二乘法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算后，得到衍射倍 率因子和遠(yuǎn)場發(fā)散角，進(jìn)一步獲得衍射倍率因子。刀口法測量光斑半徑具有結(jié)構(gòu)簡單、操 作方便、測量準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，美國相干公司開發(fā)研制了基于刀口法測量高斯光束光斑半 徑的光束質(zhì)量分析測量儀器，這些儀器都是以實(shí)驗(yàn)室科學(xué)測量為目的，對于儀器測量精度、 測量速度、測量光譜范圍以及使用的便利性方面都有非常高的要求，因此在儀器中使用了 多刀口切割、步進(jìn)電機(jī)自動控制刀口掃描及移動過程、測量數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)軟件自動處理等技 術(shù)，同時(shí)整套儀器被封閉起來，以保證儀器測量的穩(wěn)定性和使用壽命。雖然這些技術(shù)對于提 高儀器整體性能有很大的幫助，但儀器不適合應(yīng)用在激光原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要原因在于 (1)儀器價(jià)格昂貴，通常在10萬元以上，難于在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中推廣；(2)測量過程和儀器 結(jié)構(gòu)都封閉在機(jī)箱內(nèi)，以及測量數(shù)據(jù)的軟件自動處理不利于學(xué)生對于測量過程的學(xué)習(xí)和掌 握；(3)測量過程的自動化不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是提供一種價(jià)格低廉、儀器耐用且便于學(xué)生直觀學(xué)習(xí)掌握高 斯光束變換規(guī)律及特性測量的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。本實(shí)用新型可以通過如下方式來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌的一端設(shè)有激光器，導(dǎo)軌的另一端設(shè) 有激光功率計(jì)；凸透鏡設(shè)在激光器與激光功率計(jì)之間，刀口設(shè)在凸透鏡與激光功率計(jì)之間。所述的激光器與凸透鏡之間設(shè)有衰減裝置，或者是刀口與激光功率計(jì)之間設(shè)有衰 減裝置。所述的導(dǎo)軌上設(shè)有刻度。本實(shí)用新型為全開放式，基本結(jié)構(gòu)能直接觀察，測量原理清晰直觀，測量過程全部 為手動測量，有助于學(xué)生對于高斯光束光斑半徑、遠(yuǎn)場發(fā)散角以及衍射倍率因子概念及其 相關(guān)測量方法的理解和掌握，并有助于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。本實(shí)用新型具有價(jià)格低廉、儀 器耐用不易損壞、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的一個實(shí)施例。[0010]在圖中激光器1，凸透鏡2，刀口 3，激光功率計(jì)4，導(dǎo)軌5，衰減裝置6。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述，但其不代表為本實(shí)用新型的唯 一實(shí)施方式。實(shí)施例一請閱圖1，導(dǎo)軌5的一端安裝有發(fā)射高斯光束的激光器1，高斯光束沿導(dǎo)軌5方向 傳播，導(dǎo)軌5的另一端安裝有激光功率計(jì)4 ；激光器1可以是氣體、半導(dǎo)體、固體或光纖激光 器；激光功率計(jì)4可以是光電型、熱釋電型或熱堆型激光功率計(jì)；凸透鏡2安裝在激光器1 與激光功率計(jì)4之間，刀口 3安裝在凸透鏡2與激光功率計(jì)4之間。刀口 3固定在光學(xué)平 移臺上，使刀口 3能在垂直于光束傳播方向的平面內(nèi)移動并切割高斯光束，刀口 3在垂直于 光束傳播方向上的位置由光學(xué)平移臺上的螺旋測微器控制并測量，經(jīng)過刀口 3邊緣的激光 束射入到激光功率計(jì)4內(nèi)。實(shí)施例二請閱圖2，導(dǎo)軌5的一端安裝有激光器1，導(dǎo)軌5的另一端安裝有激光功率計(jì)4 ；凸 透鏡2安裝在激光器1與激光功率計(jì)4之間，刀口 3安裝在凸透鏡2與激光功率計(jì)4之間； 激光器1與凸透鏡2之間安裝有衰減裝置6，或者是刀口 3與激光功率計(jì)4之間安裝有衰減 裝置6;衰減裝置是一片或一片以上的吸收式衰減片，可以是一塊或一塊以上的反射式衰 減片，也可以是一塊或一塊以上偏振片。導(dǎo)軌5上可以直接標(biāo)有刻度，也可以在導(dǎo)軌5上固 定刻度尺，以有利于測量沿光束傳播方向刀口 3的位置。本實(shí)用新型測量和計(jì)算衍射倍率因子、遠(yuǎn)場發(fā)散角及對于高斯光束經(jīng)過凸透鏡的 變換規(guī)律進(jìn)行研究的基本理論和方法為選取凸透鏡位置為橫坐標(biāo)ζ軸的坐標(biāo)零點(diǎn)，選取 沿光束傳播方向?yàn)棣戚S的正方向；激光器射出高斯光束經(jīng)凸透鏡變換后，在凸透鏡右側(cè)形 成輔助束腰，根據(jù) Thomas F. Johnston 1998 年在 Appl. Opt. (Vol. 37(21))上發(fā)表的 Beam propagat ion(M2)measurement made as easy as it gets :the four-cuts method t中 所述，凸透鏡右側(cè)光束光斑半徑與位置坐標(biāo)間滿足 式中W(Z)為凸透鏡右側(cè)坐標(biāo)為ζ處的光斑半徑，Wtl為輔助束腰的腰斑半徑，Z0為 輔助束腰的位置坐標(biāo)，Zk為光束的瑞利長度，其定義為光斑半徑為λ/ Γ。的位置相對于束 腰位置處的距離，其表達(dá)式為 其中M2為光束衍射倍率因子，可以表達(dá)為 為了計(jì)算方便，可以將⑴式表示為 (4)式中的Α、B、C三項(xiàng)分別為[0025] 采用10% /90%刀口測量方法，利用刀口測量輔助束腰兩側(cè)不同位置的高斯光束 光斑半徑，利用最小二乘法對測量所得光斑半徑進(jìn)行二次方函數(shù)擬合，可以得到(4)式中 的A、B、C三項(xiàng)，則\、z0, zE可以根據(jù)下式計(jì)算
由于通過擬合過程要確定三個未知數(shù)，因此要求在輔助束腰單側(cè)的光斑半徑測量 點(diǎn)應(yīng)大于3。入射高斯光束遠(yuǎn)場發(fā)散角通過下列兩種方式測量計(jì)算，測量凸透鏡右側(cè)焦點(diǎn)位 置光斑半徑ω”入射高斯光束遠(yuǎn)場發(fā)散角可表示為 其中f為變換凸透鏡的焦距。遠(yuǎn)場發(fā)散角還可以表示為 利用(5)式，根據(jù)擬合所得Wc^Pzk也可以確定入射高斯光束遠(yuǎn)場發(fā)散角。為訓(xùn)練學(xué)生對高斯光束經(jīng)過凸透鏡的變換公式的正確使用，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果及 凸透鏡的變換公式，計(jì)算經(jīng)過凸透鏡變換前高斯光束的束腰半徑和位置。具體方法假設(shè)從 激光器諧振腔發(fā)射一束光束衍射倍率因子M2 = 1的理想基模高斯光束，它的束腰Wt 位置 應(yīng)與上述衍射倍率因子為M2的實(shí)際光束的束腰位置相同，但衍射倍率因子為M2的實(shí)際光束 的束腰半徑Wcitl應(yīng)為該理想基模高斯光束束腰半徑的·^倍。該基模高斯光束經(jīng)過凸透鏡 變換后在凸透鏡右側(cè)會形成束腰，束腰位置與實(shí)際高斯光束在凸透鏡右側(cè)所形成的輔助束 腰位置相同都為ζο，但基模高斯光束束腰半徑《。應(yīng)為 理想基模高斯光束變換后束腰半徑ω ^、位置坐標(biāo)Z(l與變化前光束束腰半徑Wtltl、束 腰相對透鏡的距離1之間滿足下列兩式 根據(jù)(11-13)式就可以計(jì)算出經(jīng)凸透鏡變換前的基模高斯光束束腰半徑Wt 和束 腰位置，將《0。乘以ViP就為實(shí)際入射高斯光束光斑半徑W,
權(quán)利要求一種高斯光束變換規(guī)律及特性測量教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于導(dǎo)軌(5)的一端設(shè)有激光器(1)，導(dǎo)軌(5)的另一端設(shè)有激光功率計(jì)(4)；凸透鏡(2)設(shè)在激光器(1)與激光功率計(jì)(4)之間，刀口(3)設(shè)在凸透鏡(2)與激光功率計(jì)(4)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高斯光束變換規(guī)律及特性測量教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述 的激光器⑴與凸透鏡⑵之間設(shè)有衰減裝置(6)，或者是刀口(3)與激光功率計(jì)⑷之間 設(shè)有衰減裝置(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高斯光束變換規(guī)律及特性測量教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述 的導(dǎo)軌(5)上設(shè)有刻度。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種高斯光束變換規(guī)律及特性測量教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于導(dǎo)軌的一端設(shè)有激光器，導(dǎo)軌的另一端設(shè)有激光功率計(jì)；凸透鏡設(shè)在激光器與激光功率計(jì)之間，刀口設(shè)在凸透鏡與激光功率計(jì)之間。本實(shí)用新型為全開放式，基本結(jié)構(gòu)能直接觀察，測量原理清晰直觀，測量過程全部為手動測量，有助于學(xué)生對于高斯光束光斑半徑、遠(yuǎn)場發(fā)散角以及衍射倍率因子概念及其相關(guān)測量方法的理解和掌握，并有助于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。本實(shí)用新型具有價(jià)格低廉、儀器耐用不易損壞、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。
文檔編號G09B23/22GK201622746SQ20102002672
公開日2010年11月3日 申請日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者劉定文, 劉展武, 劉進(jìn)寶, 楊曉冬, 陳美華 申請人:嘉應(yīng)學(xué)院