3 實(shí)驗(yàn)裝置和系統(tǒng)控制

　　刀片法是一種簡(jiǎn)單而靈敏的測(cè)量激光光束束腰半徑的實(shí)驗(yàn)方法。它可以測(cè)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(yàn)裝置如圖I所示，其中包括：被測(cè)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(jì)(物科光電)，單刃剃須刀刀片，電動(dòng)平移臺(tái)(卓立漢光，步長(zhǎng)為2.5和數(shù)據(jù)采集卡(PCI2300，Art)等。激光的波長(zhǎng)為800nm，平均功率約為100毫瓦，重復(fù)頻率為1000Hz。這里要進(jìn)行測(cè)量的激光是飛秒激光，它是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)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(wěn)定，所以在實(shí)驗(yàn)中不需要另一功率計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)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(jí)的光斑，光信號(hào)由激光功率計(jì)來(lái)采集，通過(guò)激光功率計(jì)的信號(hào)輸出口輸出電壓信號(hào)，并經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡(PCI2300，Art)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行讀數(shù)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度歸一化。實(shí)驗(yàn)中選用兩個(gè)步長(zhǎng)精度為2.5微米的電動(dòng)平移臺(tái)疊放在一起組成兩維移動(dòng)平臺(tái)，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(cè)量不同位置處的束腰半徑。使用LabVIEW程序通過(guò)計(jì)算機(jī)的串口控制電動(dòng)平移臺(tái)在x，z方向上的移動(dòng)，在移動(dòng)平臺(tái)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(yuǎn)離光軸方向移動(dòng)，從而使入射到功率計(jì)探頭的激光的光功率從零增加到最大值。電動(dòng)平移臺(tái)沿x軸方向每次走20步，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并多次累計(jì)取其平均值。測(cè)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(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 (a)刀片與光斑的相對(duì)位置的截面圖(b)用于測(cè)量

激光束腰半徑的實(shí)驗(yàn)裝置圖nextpage4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(tái)，它內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的復(fù)雜性，提供強(qiáng)大功能的同時(shí)還保證了系統(tǒng)靈活性。PCI數(shù)據(jù)采集卡帶有可以供LabVIEW調(diào)用的子程序，而電動(dòng)平移臺(tái)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)串口輸送指令，使用數(shù)據(jù)采集卡的1通道作為信號(hào)輸入端，考慮到功率計(jì)的響應(yīng)和激光器的重復(fù)頻率．每隔10微秒采集一次信號(hào)，這樣不會(huì)漏掉信號(hào)。電動(dòng)平移臺(tái)每走一次，光功率計(jì)記錄一個(gè)數(shù)值，同時(shí)將數(shù)值與所走的步數(shù)作為數(shù)據(jù)輸出并進(jìn)行存儲(chǔ)。

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(點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，實(shí)線為數(shù)據(jù)擬合曲線)(b)對(duì)圖2(a)中數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)并擬合的曲線(點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線．實(shí)線為數(shù)據(jù)擬合曲線)

　圖3是對(duì)數(shù)據(jù)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(dǎo)得到的高斯型分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)得到的擬合結(jié)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(jì)數(shù)值，下面是擬合得到的結(jié)果。圖中的橫軸為電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)的步數(shù)，縱軸分別為歸一化的光功率和及其一階導(dǎo)數(shù)。圖3(b)圖中顯示的是數(shù)據(jù)處理的結(jié)構(gòu)框圖，顯示的是數(shù)據(jù)的流程圖。將刀片所處位置及其光功率數(shù)據(jù)作為兩列數(shù)值輸出，首先對(duì)光功率數(shù)值進(jìn)行歸一化，然后調(diào)用LabVIEW軟件當(dāng)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(duì)微分結(jié)果進(jìn)行線性插值。使用Gaussian型擬合模塊對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合得到的結(jié)果進(jìn)行積分并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并分析誤差，殘差保持在0.01以內(nèi)。