CN203732020U - 一种测量可调谐半导体激光器高斯光束束腰位置和尺寸的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学领域，特别涉及一种测量可调谐半导体激光器高斯光束束腰位置和尺寸的装置，目前测量束腰位置的方法所用仪器昂贵且繁多、光路复杂，因此实验操作起来比较繁琐。本实用新型包括以下光学器件：激光控制器、可调谐半导体激光器、光具座、带有格兰棱镜的光纤准直器、二维的平移台、自制的挡板、光电探测器、数字示波器。它利用高斯光束的特性和传统的刀口法测量束腰位置的方法结合在一起，特别的测量出可调谐半导体激光器的束腰位置和半径，具有简单，准确率高的优点。

Description

一种测量可调谐半导体激光器高斯光束束腰位置和尺寸的装置

技术领域

本实用新型涉及光学领域，特别的涉及一种测量可调谐半导体激光器高斯光束束腰位置和尺寸的装置，它利用高斯光束的特性和传统的刀口法测量束腰位置的方法结合在一起，具有简单，准确率高的优点。 

背景技术

近年来，随着国家对于环境保护的日趋重视，以及出于保证工业生产安全高效进行的需要，光学非接触式的气体检测技术发展十分迅速。基于可调谐激光吸收光谱的气体测量技术具有无需预处理，响应快速，数据准确，多参数同时检测等优势，成为了当前气体实时在线检测的代表性技术之一。可调谐激光吸收光谱技术一般用到的激光器为可调谐的半导体激光器，然而此种半导体激光器在购买的时候，厂家一般都提供了关于可调谐的半导体激光器的中心波长，调谐范围，输出功率等参数，然而缺少关于激光器的束腰半径和束腰位置等参数，但在实际的工业运用中要常常用到此类参数，假如知道了激光器的束腰半径和束腰位置，就能在适当的位置放上扩束镜或者其他的光学器件，所以测量这些参数对于工业应用具有比较重要的参考价值和实用性。高斯光束束腰半径的测量有过许多方法，例如扫描针孔法、扫描刀口法、扫描狭缝法、扫描刻尺法、等距三点采光测量法等，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，和传统的刀口法相结合，本实用新型给出一种简单、迅速地测量激光束腰半径的方法。 

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型提出了一种测定可调谐半导体激光器高斯光束束腰位置和尺寸的装置，具有简单，准确率高的优点。 

本实用新型的原理如下所述： 

高斯光束沿z轴横截面的场强分布可以表示为： 

$\left|E(x,y,z)\right|=\frac{c}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\exp [-(x^2+y^2)/{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)]$

上式中c为常数因子，x，y为垂直于光束方向z轴的横截面内的坐标，ω(z)为z处的束腰半径。高斯光束经过透镜后传输的光束仍为高斯光束。光束的束腰半径随坐标z(光束传播方向)按双曲线规律变化。在像方，透镜焦点位置处光斑最小。在高斯激光束束腰处横截面内的强度分布可表示为： 

$P_0={\left|E(x,y,z)\right|}^2=\frac{c^2}{{\mathrm{\ω}\left(z\right)}^2}\exp [-2(x^2+y^2)/{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)]$

上式中P₀为激光的总功率，ω(z)为按强度1/e₂所定义的束腰半径，对于高斯光束场并不局限在束腰半径范围内，理论上它横向延伸到无穷远，只是大于束腰半径的区域内光强很弱。 

当刀片切割激光光束时透过的光功率可以表示为： 

$\begin{array}{c}I(x,y)=P_0\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\frac{1}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\exp \left(\frac{{2x}^2}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\right)\mathrm{dx}={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{{2P}_0}{{\mathrm{\π\ω}\left(z\right)}^2}\mathrm{expexp}[-\frac{2(x^2+y^2)}{{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}]\mathrm{dxdy}\\ =P_0\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\frac{1}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\exp \left(\frac{{2x}^2}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\right)\mathrm{dx}\end{array}$

ω(z)为按强度1/e₂所定义的不同位置处的束腰半径，上式可以约化为： 

$I(x,z)=\frac{1}{2}{P}_0\mathrm{erfc}\left(\sqrt{2}\frac{1}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\right)$

本实用新型的技术方案是：所述的一种测量可调谐半导体激光器高斯光束束腰位置和尺寸的装置；中心波长为1392nm的可调谐半导体激光器由激光控制器控制，发出的光用一个带有格兰棱镜的光纤准直器进行准直；在自制的挡板 未放在光具座之前，先调整从带有格兰棱镜的光纤准直器所发出光的高度，使发出的光在光具座方向上沿直线传播，光路调整好了以后，将光束对准光电探测器，根据与光电探测器相连的数字示波器上的读数最大值来使光电探测器处于最佳接收状态；光电探测器位置固定好了以后，在中心波长为1392nm的可调谐半导体激光器和光电探测器之间，放一个自制的挡板，让自制的挡板在光束传播方向的不同位置移动，通过与光电探测器相连的数字示波器上的电压的读数，在挡板在靠近中心波长为1392nm的可调谐半导体激光器位置开始移动，记下挡板在不同位置上的光强变化情况，以及螺旋测微上计的示数，对所测到的数据进行分析和计算对不同位置处的束腰半径；然后进行拟合，得出束腰半径和束腰的位置。 

所述的挡板在光束传播方向的不同位置的测量方法是，旋转挡板下面的二维平移台上的螺旋测微螺母，记下在每一个位置处光强的变化，在起伏变化比较明显的地方应该螺旋测微旋转的慢一点。一一的记下螺旋测微上计此时的示数和示波器上的电压值。 

附图说明

附图为本实用新型所使用的装置的示意图。 

具体实施方式

如图所示本实用新型所使用的装置包括激光控制器1、中心波长为1392nm的可调谐半导体激光器2、光具座3、带有格兰棱镜的光纤准直器4、二维的平移台5、自制的挡板6、光电探测器7、数字示波器8、五维的旋转平移台9。 

中心波长为1392nm的可调谐半导体激光器(2)由激光控制器(1)控制，发出的光用一个带有格兰棱镜的光纤准直器(4)进行准直。在自制的挡板(6)在未放在光具座(3)之前，先调整从带有格兰棱镜的光纤准直器(4)所发出 的激光的高度，使激光发出的光在光具座(3)方向上沿直线传播，本实用新型为了使激光尽量的准直用到五维的旋转平移台(9)，这样调节起来更为准确。光路调整好了以后，将光束对准光电探测器(7)，并来回的调整高度，根据与光电探测器(7)相连的数字示波器(8)上的读数最大值来确定光电探测器(7)的值处于最佳接收状态；光电探测器(7)位置固定好了以后，在激光和光电探测器(7)之间，放一个自制的挡板(6)，让挡板在光束传播方向的不同位置移动，通过与光电探测器(7)相连的数字示波器(8)上的电压的读数，在挡板在靠近可调谐半导体激光器(2)位置开始移动，记下挡板在不同位置上的光强变化情况。在挡板所放的每一个位置的测量方法是，旋转挡板下面的二维平移台(5)上的螺旋测微螺母，记下在每一个位置处光强的变化，在起伏变化比较明显的地方应该螺旋测微旋转的慢一点。一一的记下螺旋测微上计此时的示数和数字示波器(8)上的电压值。对所测到的数据进行分析和计算对不同位置处的束腰半径。然后进行拟合，得出束腰半径和束腰的位置。 

将探测器探测到挡板在不同位置处的电压的变化的值(也就是光强的变化)进行归一化，同时也对螺旋测微计上的示数计算出其相对值。将这两对处理后的数值在matlab里进行按照下式拟合： 

$y=0.5*\mathrm{erfc}(-\sqrt{2}*(x-b)/a)$

最终得到不同位置处的束腰半径。 

因为高斯光束的形状很接近于双曲线的形状将不同位置处的束腰半径利用焦点在y轴上的式子进行拟合，最后计算的结果为中心波长为1392nm的可调谐半导体激光器的束腰半径为0.1942mm，束腰的位置为29.95mm。 

以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。 

Claims (1)

1.一种测量可调谐半导体激光器高斯光束束腰位置和尺寸的装置，其特征在于：中心波长为1392nm的可调谐半导体激光器(2)由激光控制器(1)控制，发出的光用一个带有格兰棱镜的光纤准直器(4)进行准直；在自制的挡板(6)未放在光具座之前，先调整从带有格兰棱镜的光纤准直器(4)所发出光的高度，使发出的光在光具座(3)方向上沿直线传播，光路调整好了以后，将光束对准光电探测器(7)，根据与光电探测器(7)相连的数字示波器(8)上的读数最大值来使光电探测器(7)处于最佳接收状态；光电探测器(7)位置固定好了以后，在中心波长为1392nm的可调谐半导体激光器(2)和光电探测器(7)之间，放一个自制的挡板(6)，让自制的挡板(6)在光束传播方向的不同位置移动，通过与光电探测器(7)相连的数字示波器(8)上的电压的读数，在挡板在靠近中心波长为1392nm的可调谐半导体激光器(2)位置开始移动，记下挡板在不同位置上的光强变化情况，以及螺旋测微上计的示数，对所测到的数据进行分析和计算对不同位置处的束腰半径；然后进行拟合，得出束腰半径和束腰的位置。