基于LabView的飛秒激光束腰半徑的實(shí)時(shí)測量與計算

LabVIEW是一個(gè)具有革命性的圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺，它內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，摒棄了傳統開(kāi)發(fā)工具的復雜性，提供強大功能的同時(shí)還保證了系統靈活性。PCI數據采集卡帶有可以供LabVIEW調用的子程序，而電動(dòng)平移臺可以通過(guò)計算機串口輸送指令，使用數據采集卡的1通道作為信號輸入端，考慮到功率計的響應和激光器的重復頻率．每隔10微秒采集一次信號，這樣不會(huì )漏掉信號。電動(dòng)平移臺每走一次，光功率計記錄一個(gè)數值，同時(shí)將數值與所走的步數作為數據輸出并進(jìn)行存儲。

圖2 (a)刀片切割激光光束的透射功率隨x軸位置變化的曲線(xiàn)(點(diǎn)
為實(shí)驗數據曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)為數據擬合曲線(xiàn)) (b)對圖2(a)中數據進(jìn)
行求導并擬合的曲線(xiàn)(點(diǎn)為實(shí)驗數據曲線(xiàn)．實(shí)線(xiàn)為數據擬合曲線(xiàn))

　　圖3是對數據進(jìn)行自動(dòng)處理的程序，圖3(a)圖是前面板，可以看到將光功率求導得到的高斯型分布的數據進(jìn)行求導得到的擬合結果中給出了．關(guān)于激光光束束腰半徑的信息。圖中初始值是進(jìn)行Guassian擬合前輸入的估計數值，下面是擬合得到的結果。圖中的橫軸為電動(dòng)平移臺移動(dòng)的步數，縱軸分別為歸一化的光功率和及其一階導數。圖3(b)圖中顯示的是數據處理的結構框圖，顯示的是數據的流程圖。將刀片所處位置及其光功率數據作為兩列數值輸出，首先對光功率數值進(jìn)行歸一化，然后調用LabVIEW軟件當中的求微分模塊進(jìn)行微分，為了更為精確地求出激光的束腰半徑，對微分結果進(jìn)行線(xiàn)性插值。使用Gaussian型擬合模塊對結果進(jìn)行擬合，擬合得到的結果進(jìn)行積分并與實(shí)驗測量到的數據進(jìn)行比較并分析誤差，殘差保持在0.01以?xún)取?p style="text-align: center">

圖3 (a)使用LabvlEW編程的數據自動(dòng)處理的前面板 (b)結構框圖

　　使用刀片法實(shí)時(shí)測量后透鏡焦點(diǎn)附近的激光光束的束腰半徑，得出束腰半徑與透鏡位置的關(guān)系，發(fā)現j與接近焦點(diǎn)時(shí)，束腰半徑逐漸變小，這符合距離焦點(diǎn)越近，束腰半徑越小的原則。但當經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)時(shí)由于激光光束的束腰半徑最小，對應飛秒激光具有最強的峰值功率，通過(guò)計算其強度約為2.5×1017W/m2，在刀刃表面發(fā)生燒蝕作用，對刃口有了一定的破壞作用。通過(guò)這一方法可以簡(jiǎn)單測出材料發(fā)生燒蝕的閾值功率，可見(jiàn)使用刀片切割強激光光束測量束腰半徑時(shí)，需要適當減小飛秒激光的入射功率。

圖4 計算束腰半徑相對于激光傳播距離z的關(guān)
系盈(點(diǎn)線(xiàn)為實(shí)驗結果，實(shí)線(xiàn)為理論計算結果)

　　5 結論

　　針對經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后的飛秒脈沖激光，使用LabVIEW編程技術(shù)對激光束腰半徑進(jìn)行了在線(xiàn)實(shí)時(shí)地測量和計算，并闡述了測量過(guò)程和誤差分析。使用刀片法測量束腰半徑有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)實(shí)現激光束腰半徑的自動(dòng)化在線(xiàn)測量與計算；(2)使用光電倍增管或硅光二極管等較為便宜的設備作為光電探測器，將光信號轉換為電信號；(3)測量其他形狀的脈沖如hat-top，seth2型的激光脈沖，需要改變結構框圖中相應的擬合類(lèi)型即可。飛秒激光聚焦后峰值功率極高，進(jìn)行刀片法實(shí)驗時(shí)需要適當降低激光的入射能量，避免在刀刃表面產(chǎn)生燒蝕作用，影響實(shí)驗的精度。