采用刀片法對飛秒激光束腰半徑的實(shí)時(shí)測量

　　3 實(shí)驗裝置和系統控制

　　刀片法是一種簡(jiǎn)單而靈敏的測量激光光束束腰半徑的實(shí)驗方法。它可以測量高斯光束經(jīng)透鏡聚焦在像方的束腰半徑。整個(gè)實(shí)驗裝置如圖I所示，其中包括：被測的飛秒激光(Spitfire，Spectra Physics)，聚焦透鏡(焦距為20cm)及能量衰減器，激光功率計(物科光電)，單刃剃須刀刀片，電動(dòng)平移臺(卓立漢光，步長(cháng)為2.5和數據采集卡(PCI2300，Art)等。激光的波長(cháng)為800nm，平均功率約為100毫瓦，重復頻率為1000Hz。這里要進(jìn)行測量的激光是飛秒激光，它是一種以脈沖形式運轉的激光，持續時(shí)間極短，脈寬為130飛秒，峰值功率極高。飛秒激光脈沖較為穩定，所以在實(shí)驗中不需要另一功率計來(lái)監測飛秒激光的波動(dòng)。飛秒激光經(jīng)過(guò)會(huì )聚透鏡聚焦，形成直徑為幾十微米量級的光斑，光信號由激光功率計來(lái)采集，通過(guò)激光功率計的信號輸出口輸出電壓信號，并經(jīng)由數據采集卡(PCI2300，Art)將模擬信號轉換成數字信號，進(jìn)行讀數并對信號進(jìn)行強度歸一化。實(shí)驗中選用兩個(gè)步長(cháng)精度為2.5微米的電動(dòng)平移臺疊放在一起組成兩維移動(dòng)平臺，一個(gè)在x軸方向移動(dòng)，用來(lái)切割Gauss光束，另一個(gè)在z軸方向移動(dòng)，測量不同位置處的束腰半徑。使用LabVIEW程序通過(guò)計算機的串口控制電動(dòng)平移臺在x，z方向上的移動(dòng)，在移動(dòng)平臺上固定刀片，刀片與入射激光光束z軸方向垂直。刀片由完全遮擋光束向遠離光軸方向移動(dòng)，從而使入射到功率計探頭的激光的光功率從零增加到最大值。電動(dòng)平移臺沿x軸方向每次走20步，進(jìn)行數據采集并多次累計取其平均值。測量不同位置處的束腰半徑通過(guò)移動(dòng)沿z軸的另一電動(dòng)平移臺來(lái)實(shí)現。

　　圖1 (a)刀片與光斑的相對位置的截面圖(b)用于測量激光束腰半徑的實(shí)驗裝置圖nextpage4 實(shí)驗數據的采集和自動(dòng)處理

　　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))