3 實驗裝置和係統控製

　　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透鏡聚焦在像方的束腰半徑。整個(ge) 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(wei) 20cm)及能量衰減器，激光功率計(物科光電)，單刃剃須刀刀片，電動平移台(卓立漢光，步長為(wei) 2.5和數據采集卡(PCI2300，Art)等。激光的波長為(wei) 800nm，平均功率約為(wei) 100毫瓦，重複頻率為(wei) 1000Hz。這裏要進行測量的激光是飛秒激光，它是一種以脈衝(chong) 形式運轉的激光，持續時間極短，脈寬為(wei) 130飛秒，峰值功率極高。飛秒激光脈衝(chong) 較為(wei) 穩定，所以在實驗中不需要另一功率計來監測飛秒激光的波動。飛秒激光經過會(hui) 聚透鏡聚焦，形成直徑為(wei) 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，並經由數據采集卡(PCI2300，Art)將模擬信號轉換成數字信號，進行讀數並對信號進行強度歸一化。實驗中選用兩(liang) 個(ge) 步長精度為(wei) 2.5微米的電動平移台疊放在一起組成兩(liang) 維移動平台，一個(ge) 在x軸方向移動，用來切割Gauss光束，另一個(ge) 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製電動平移台在x，z方向上的移動，在移動平台上固定刀片，刀片與(yu) 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，從(cong) 而使入射到功率計探頭的激光的光功率從(cong) 零增加到最大值。電動平移台沿x軸方向每次走20步，進行數據采集並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軸的另一電動平移台來實現。

圖1 (a)刀片與(yu) 光斑的相對位置的截麵圖(b)用於(yu) 測量

激光束腰半徑的實驗裝置圖nextpage4 實驗數據的采集和自動處理

　　LabVIEW是一個(ge) 具有革命性的圖形化編程開發平台，它內(nei) 置信號采集、測量分析與(yu) 數據顯示功能，摒棄了傳(chuan) 統開發工具的複雜性，提供強大功能的同時還保證了係統靈活性。PCI數據采集卡帶有可以供LabVIEW調用的子程序，而電動平移台可以通過計算機串口輸送指令，使用數據采集卡的1通道作為(wei) 信號輸入端，考慮到功率計的響應和激光器的重複頻率．每隔10微秒采集一次信號，這樣不會(hui) 漏掉信號。電動平移台每走一次，光功率計記錄一個(ge) 數值，同時將數值與(yu) 所走的步數作為(wei) 數據輸出並進行存儲(chu) 。

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(wei) 實驗數據曲線，實線為(wei) 數據擬合曲線)(b)對圖2(a)中數據進行求導並擬合的曲線(點為(wei) 實驗數據曲線．實線為(wei) 數據擬合曲線)

　圖3是對數據進行自動處理的程序，圖3(a)圖是前麵板，可以看到將光功率求導得到的高斯型分布的數據進行求導得到的擬合結果中給出了．關(guan) 於(yu) 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值，下麵是擬合得到的結果。圖中的橫軸為(wei) 電動平移台移動的步數，縱軸分別為(wei) 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(wei) 兩(liang) 列數值輸出，首先對光功率數值進行歸一化，然後調用LabVIEW軟件當中的求微分模塊進行微分，為(wei) 了更為(wei) 精確地求出激光的束腰半徑，對微分結果進行線性插值。使用Gaussian型擬合模塊對結果進行擬合，擬合得到的結果進行積分並與(yu) 實驗測量到的數據進行比較並分析誤差，殘差保持在0.01以內(nei) 。