3 實驗裝置和系統(tǒng)控制

　　刀片法是一種簡單而靈敏的測量激光光束束腰半徑的實驗方法。它可以測量高斯光束經(jīng)透鏡聚焦在像方的束腰半徑。整個實驗裝置如圖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，電動平移臺(卓立漢光，步長為2.5和數(shù)據(jù)采集卡(PCI2300，Art)等。激光的波長為800nm，平均功率約為100毫瓦，重復(fù)頻率為1000Hz。這里要進行測量的激光是飛秒激光，它是一種以脈沖形式運轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時間極短，脈寬為130飛秒，峰值功率極高。飛秒激光脈沖較為穩(wěn)定，所以在實驗中不需要另一功率計來監(jiān)測飛秒激光的波動。飛秒激光經(jīng)過會聚透鏡聚焦，形成直徑為幾十微米量級的光斑，光信號由激光功率計來采集，通過激光功率計的信號輸出口輸出電壓信號，并經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡(PCI2300，Art)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進行讀數(shù)并對信號進行強度歸一化。實驗中選用兩個步長精度為2.5微米的電動平移臺疊放在一起組成兩維移動平臺，一個在x軸方向移動，用來切割Gauss光束，另一個在z軸方向移動，測量不同位置處的束腰半徑。使用LabVIEW程序通過計算機的串口控制電動平移臺在x，z方向上的移動，在移動平臺上固定刀片，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(yuǎn)離光軸方向移動，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。電動平移臺沿x軸方向每次走20步，進行數(shù)據(jù)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移動沿z軸的另一電動平移臺來實現(xiàn)。

圖1 (a)刀片與光斑的相對位置的截面圖(b)用于測量

激光束腰半徑的實驗裝置圖nextpage4 實驗數(shù)據(jù)的采集和自動處理

　　LabVIEW是一個具有革命性的圖形化編程開發(fā)平臺，它內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，提供強大功能的同時還保證了系統(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，而電動平移臺可以通過計算機串口輸送指令，使用數(shù)據(jù)采集卡的1通道作為信號輸入端，考慮到功率計的響應(yīng)和激光器的重復(fù)頻率．每隔10微秒采集一次信號，這樣不會漏掉信號。電動平移臺每走一次，光功率計記錄一個數(shù)值，同時將數(shù)值與所走的步數(shù)作為數(shù)據(jù)輸出并進行存儲。

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(點為實驗數(shù)據(jù)曲線，實線為數(shù)據(jù)擬合曲線)(b)對圖2(a)中數(shù)據(jù)進行求導(dǎo)并擬合的曲線(點為實驗數(shù)據(jù)曲線．實線為數(shù)據(jù)擬合曲線)

　圖3是對數(shù)據(jù)進行自動處理的程序，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。圖中初始值是進行Guassian擬合前輸入的估計數(shù)值，下面是擬合得到的結(jié)果。圖中的橫軸為電動平移臺移動的步數(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，首先對光功率數(shù)值進行歸一化，然后調(diào)用LabVIEW軟件當(dāng)中的求微分模塊進行微分，為了更為精確地求出激光的束腰半徑，對微分結(jié)果進行線性插值。使用Gaussian型擬合模塊對結(jié)果進行擬合，擬合得到的結(jié)果進行積分并與實驗測量到的數(shù)據(jù)進行比較并分析誤差，殘差保持在0.01以內(nèi)。