【正文】 世紀(jì) 50 年代末才出現(xiàn)一個(gè)嶄新階段 [1]。在此之前，人們只對(duì)無(wú)線電波和微波有較深研究?？茖W(xué)家們把無(wú)線電波波長(zhǎng)縮短到十米以?xún)?nèi)，使得世界性的通訊成為可能，那是 30年代的事情。后來(lái)，隨著速調(diào)管和空穴磁控管的發(fā)明，科學(xué)家便對(duì)厘米波的性質(zhì)進(jìn)行研究。二次世界大戰(zhàn)中，由于射頻和光譜學(xué)的發(fā)展，輻射波和原子只間的聯(lián)系又重新被強(qiáng)調(diào)。大戰(zhàn)期間，科學(xué)家們發(fā)明并研制了雷達(dá)（戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)雷達(dá)的制造起了推動(dòng)的 作用）。從技術(shù)本身來(lái)說(shuō)，雷達(dá)是電磁波向超短波、微波發(fā)展的產(chǎn)物。大戰(zhàn)以后，科學(xué)家又開(kāi)創(chuàng)了微波波譜學(xué)，目的是探索光譜的微波范圍并把其推廣到更短的波長(zhǎng)。當(dāng)時(shí)，哥侖比亞大學(xué)有一個(gè)由湯斯領(lǐng)導(dǎo)的輻射實(shí)驗(yàn)小組，他們一直從事電磁方面以及毫米輻射波的研究。 1951 年，湯斯提出了微波激射器的概念。經(jīng)過(guò)幾年的努力，1954 年湯斯和他的助手高頓、蔡格發(fā)明了氨分子束微波激射器并使其正常運(yùn)行。這為以后激光器的誕生奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)，湯斯希望微波激射器能產(chǎn)生波長(zhǎng)為半毫米的微波，遺撼的是，激射器卻輸出波長(zhǎng)為 的微波。微波激射器問(wèn)世 以后，科學(xué)家就希望能制造輸出更短波長(zhǎng)的激射器。湯斯認(rèn)為可將微波推到紅外區(qū)附近，甚至到可見(jiàn)光波段。 1958 年，肖洛與湯斯合作，率先發(fā)表了在可見(jiàn)光頻段工作的激射器的設(shè)計(jì)方案和理論計(jì)算。這又將激光研究推上了一個(gè)新階段。 現(xiàn)在，人們都知道，產(chǎn)生激光要具備兩個(gè)重要條件：一是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二是諧振腔。值得注意的是，自 1916 年愛(ài)因斯坦提出受激輻射的概念以后， 1940 年前后就有人在研究氣體放電實(shí)驗(yàn)中，觀察到粒子反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。按當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)，就具備建立某種類(lèi)型的激光器的條件。但為什么沒(méi)能造出來(lái)呢 ?因?yàn)闆](méi)有人，包括愛(ài)因斯坦本 人沒(méi)把受激輻射，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，諧振腔聯(lián)系在一起加以考慮。因而也把激光器的發(fā)明推遲了若干年。在研究激光器的過(guò)程中，應(yīng)把引進(jìn)諧振腔的功勞歸于肖洛。肖洛長(zhǎng)期從事光譜學(xué)研究。諧振腔的結(jié)構(gòu)，就是從法 —— 珀干涉儀那里得到啟示的。正如肖洛自己所說(shuō)： “ 我開(kāi)始考慮光諧振器時(shí)，從兩面彼此相向鏡面的法 —— 珀干涉儀結(jié)構(gòu)著手研究，是很自然的。 ” 實(shí)際上，干涉儀就是一種諧振器。肖洛在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的七年中，積累了大量數(shù)據(jù)，于 1958年提出了有關(guān)激光的設(shè)想。幾乎同時(shí)，許多實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始研究激光器的可能材料和方法，用固體作為工作物質(zhì)的激光器的研究 工作始于 1958 年。如肖洛所述： “ 我完全徹底地受到灌輸，使我相信，可以在氣體中做的任何哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 事情，在固體中同樣可以做，且在固體中做得更好些。因此，我開(kāi)始探索、尋找固體激光器的材料 。 ” 的確，不到一年，在 1959 年 9 月召開(kāi)的第一次國(guó)際量子電子會(huì)議上，肖洛提出了用紅寶石作為激光的工作物質(zhì)。不久，肖洛又具體地描述了激光器的結(jié)構(gòu)： “ 固體微波激射器的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，實(shí)質(zhì)上，它有一棒（紅寶石），它的一端可作全反射，另一端幾乎全反射，側(cè)面作光抽運(yùn)。 ” 遺撼的是，肖洛沒(méi)有得到足夠的光能量使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，因而沒(méi)獲成功。可喜的是，科學(xué)家邁曼 巧妙地利用氙燈作光抽運(yùn)，從而獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。于是， 1960 年 6 月，在 Rochester 大學(xué)，召開(kāi)了一個(gè)有關(guān)光的相干性的會(huì)議，會(huì)議上，邁曼成功地操作了一臺(tái)激光器。 7 月份，邁曼用紅寶石制成的激光器被公布于眾。至此，世界上第一臺(tái)激光器宣告誕生。 激光具有單色性，相干性等一系列極好的特性。從誕生那天開(kāi)始，人們就預(yù)言了它的美好前景。 20 多年來(lái)，人們制造了輸出各種不同波長(zhǎng)的激光器，甚至是可調(diào)激光器。大功率激光器的研制成功，又開(kāi)拓了新的領(lǐng)域。 1977 年出現(xiàn)的自由電子激光器，機(jī)制則完全不同，它的工作物質(zhì)是具有極高能量的自由 電子，人們可以期望通過(guò)這種激光器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)大功率輸出，而且覆蓋頻率范圍可向長(zhǎng)短兩個(gè)方向發(fā)展。 高斯光束光斑半徑的精確測(cè)量對(duì)光束質(zhì)量因子的判定及激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)有非常重要的意義 [4]。高斯光束光斑半徑的測(cè)量方法主要有套孔法、刀口法、 CCD 法、 照相法 、狹縫法、 閾值時(shí)間法 等。 照相法：照相干板經(jīng)激光照射曝光 ， 再經(jīng)顯影、定影后利用測(cè)微光度計(jì)讀出黑度值下降到極大值 2?e （或 21 ）處的對(duì)應(yīng)尺寸即為激光光斑尺寸。該方法的缺點(diǎn)是： 1. 不易把握曝 光時(shí)間從而容易造成曝光過(guò)度或不足，而影響準(zhǔn)確度； 2. 數(shù)據(jù)處理麻煩。 閾值時(shí)間法：激光照射制片、木板、塑料板等材料后，在這些材料上得到燒蝕圖形。適當(dāng)?shù)目刂普丈鋾r(shí)間，測(cè)出燒蝕后的孔徑大小來(lái)確定激光光斑。此法也稱(chēng)打靶法，該方法除了有與照相法類(lèi)似的缺點(diǎn)外，還要求燒蝕的靶材均勻，各處的閾值能量相同，材料閾值能量恰當(dāng)，否則可能由于能量積累燒壞靶材或閾值能量較高而影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。它是一種比較粗略的估計(jì)方法。 掃描法 ：在激光截面上，利用小孔、狹縫或刀口掃描光斑，使激光光斑（或探測(cè)器）沿垂直于光束的方向移動(dòng)，其移動(dòng)速度恒 定 [8]。將探測(cè)器輸出信號(hào)顯示在指示器上，得到光功率隨位移變化的分布曲線，從而找到激光光斑半徑。這種方法的特點(diǎn)是不用考慮曝光時(shí)間，可用于連續(xù)激光基模光束光斑尺寸測(cè)定，測(cè)量方便、直觀。但也存在明顯的局限性： 1. 不能同時(shí)確定最小光斑位置及其尺寸； 2. 測(cè)量精度受探測(cè)器響應(yīng)率及響應(yīng)時(shí)間的影響； 3. 調(diào)整過(guò)程難度大。 CCD 法：用用線陣式 CCD 器件作為光探測(cè)器，拍攝光斑圖像，經(jīng)過(guò)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 預(yù)處理，導(dǎo)入 Matlab 軟件，得出能量分布圖進(jìn)而求出光斑直徑。該方法操作簡(jiǎn)單，精度高。但對(duì)激光的能量有一定的限制。 論文 研究的內(nèi)容 本文 共分 3 章，內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下： 第 1 章介紹論文的研究背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及主要研究?jī)?nèi)容。 第 2 章 分別介紹了刀口掃描法和 CCD 法測(cè)激光光斑尺寸的理論基礎(chǔ)以及方法探究。 第 3 章設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，給出刀口掃描法和 CCD 法的實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 第 2章 激光光斑測(cè)量方法探究 刀口掃描法測(cè)激光光斑直徑研究 在激光技術(shù)及應(yīng)用中 ， 激光 光斑 尺寸是一個(gè)重要的參數(shù) ， 它的精度直接影響激光光束質(zhì)量因子的判定。在激光器的設(shè)計(jì)中它的大小還會(huì)影響對(duì)晶體熱效應(yīng)的估算。激光光束直徑的測(cè)量一般有套孔法、刀口法、 CCD法等。對(duì)于套孔法 ， 在實(shí)驗(yàn)上很難做到孔與光束同 心 ， 因而精度難以保證。而 CCD 法雖然精度高 ， 但僅對(duì)低功率的光束測(cè)量適用 。而刀口法對(duì)高能量光束半徑的測(cè)量特別實(shí)用。因而 ， 刀口法是一種測(cè)量高斯光束光斑尺寸及束腰尺寸的理想方法。 本節(jié)主要對(duì)用刀口法測(cè) 激光光斑尺寸的方法進(jìn)行理論分析及探究。 刀片通常被固定在光學(xué)平移臺(tái)上 ， 可沿與光束傳播垂直方向切割光束[6]。 圖 21 為刀口法測(cè)量高斯光束光斑半徑裝置示意圖。 圖 22 為刀口垂直切割光束示意圖 ， 當(dāng)?shù)犊谙鄬?duì)于光斑中心坐標(biāo)為 x? 時(shí) ， 刀片遮擋部分激光 ， 透過(guò)刀口邊緣激光功率占總功率百分比 為 )%(xP （ 設(shè) )%(xP 50%）， 當(dāng)?shù)犊谝苿?dòng)到與 x? 位置對(duì)稱(chēng)的 x 位置時(shí) ， 透過(guò)刀口邊緣激光功率百分比為 )%(1 xP? ； 目 前采 用 的 90%/10% 刀口 測(cè) 量方 法 為 ： 取%90)%( ?xP ， 測(cè)量透過(guò)刀口邊緣光功率占總功率百分比分別為 90%和10%時(shí)的刀口位置坐標(biāo) ， 確定刀口邊緣與光斑中心距離 x 的值 ； 根據(jù)理論分析 ， 此時(shí)光斑半徑 ω 與 x 的比值為 ， 所以將 x 乘以 即為刀口處基模高斯光束光斑半徑。目前的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道都是針對(duì)該方法。但由于在垂直于高斯光束傳播方向的橫截面上 ， 光強(qiáng)沿半徑方向上具有確定的相對(duì)分布 ， 當(dāng)選取功率透過(guò)率 )%(xP 為 50%～ 100%區(qū)間任意值時(shí) ， 光斑半徑與刀口光斑中心距的比值都為與 )%(xP 值對(duì)應(yīng)的確定值 。 因此 ， 當(dāng)選取 )%(xP 為任意值時(shí) ， 都可根據(jù)透過(guò)率為 )%(1)%( xPxP ? 所對(duì)應(yīng)的兩刀口位置坐標(biāo) ， 測(cè)量光斑半徑。本文對(duì) )%(xP 為不同值時(shí) ， 光斑半徑的測(cè)量及測(cè)量誤差進(jìn)行了理論分析 ， 根據(jù)理論分析結(jié)果 ， 采用不同的 )%(xP 值 ， 測(cè)量了 激光 光斑半徑。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 激 光 器刀 口激 光 功率 計(jì) 圖 21 實(shí)驗(yàn) 裝置示意圖 x x刀 口P %1 P %刀 口XY 圖 22 刀口切割光束示意圖 理論分析 ： 1． 不同 )%(xP 對(duì)應(yīng) ω 與 x 的比值在與基模高斯光束傳播方向垂直的橫截面上 ， 光強(qiáng)分布表達(dá)式為 ： ?????? ????????? ??? 2 2202 222 0 22e xp22e xp2),( ???? yxIyxpyxI (21) 式中 ， ω 為待測(cè)基模高斯光束光斑半徑 ； 0I 為光斑中心光強(qiáng) ； 0P 為激光總功率 ， 可表示為 ： yx ddyxIP ?????? ????? ? ??? ?? 22200 22e xp ? (2 ) 由于通常情況下 ， 光斑尺寸遠(yuǎn)小于刀口沿 Y 軸方向?qū)挾?， 可認(rèn)為沿 Y軸刀口寬度為無(wú)窮大 ， 則在圖 22 中 ， 刀口位于 x? 位置時(shí) ， 通過(guò)刀口邊緣的激光功率為 ： yxx ddyxIP ?????? ????? ? ??? ?? 2220)( 22e xp ? (23) 其占總功率的百分比可表示為 ： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 yxyxxxddyxddyxPPP?????????????? ????????? ????????????????? ????????? ?????????????????222222220)()( 22e x p22e x p%???? (24) 當(dāng)?shù)犊趶?x? 移動(dòng)到 x 位置時(shí) ， 透過(guò)刀口邊緣的光功率百分比為)%(1 xP? ， 其表達(dá)式為 ： yxyxxddyxddyxP?????????????? ????????? ????????????????? ????????? ?????????????????22222222)( 22e x p22e x p%1???? (25) 取 ?x 與 ?y 為積分變量 ， 設(shè)定 )%(xP 為 50%～ 100%區(qū)間某一數(shù)值 ，根據(jù)式 (24)或式 (25)可計(jì)算出與 )%(xP 相對(duì)應(yīng)的 x? ， 定義 A = x? 。 實(shí)驗(yàn)測(cè)量 x 值 （ 該值與 )%(xP 對(duì)應(yīng) ）， 將 x 與計(jì)算所得 A 值相乘 ， 就可得刀口坐標(biāo) x 對(duì)應(yīng)的光斑半徑 ω 數(shù)值。根據(jù)式 (25)計(jì)算所得 )%(xP 取不同值時(shí)的 A值。 可看出 ： A 與 )%(xP 一一對(duì) 應(yīng) ， 當(dāng)選取 )%(xP 值較大時(shí) ， 測(cè)量點(diǎn)遠(yuǎn)離光斑中心 ， A 值增大。 上述討論中 ， x 為刀口 —光斑中心距 ， 但由于光斑中心準(zhǔn)確位置無(wú)法預(yù)知 ， x 的值無(wú)法直接測(cè)定。為間接測(cè)量 x 的值 ， 可固定平移臺(tái)底座 ， 分別測(cè)量透光率為 )%(xP 與 )%(1 xP? 對(duì)應(yīng)的刀口相對(duì)于底座的位置坐標(biāo) 1x 與2x ， 則刀口 —光斑中心距 x 可表示為： 2 12 xxx ?? (26) 對(duì)應(yīng)的光斑半徑表達(dá)式為 ： Axx 2 12 ??? (27) 2． 刀口法測(cè)量基模高斯光束光斑半徑測(cè)量精度討論 刀口法測(cè)量基模高斯光束光斑半徑的誤差主要來(lái)源于以下兩個(gè)方面 ： (1) 測(cè)量刀 片位置坐標(biāo)的螺旋測(cè)微器產(chǎn)生的誤差。在圖 22 中 ， 刀口位置由光學(xué)平移臺(tái)所帶有的螺旋測(cè)微器測(cè)量 ， 其對(duì)刀口位置的單次測(cè)量誤差為 ， 根據(jù)公式 (27)， 該誤差引起的光斑半徑測(cè)量誤差為： ? ? )mm( 21 AxxA dd ?????? ? (28) 式中 ， dx1? 和 dx2? 分別為測(cè)量刀口位置坐標(biāo) 1x 與 2x 時(shí) ， 螺旋測(cè)微器產(chǎn)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 生 的測(cè)量誤差。從式 (28)可看出 ， 當(dāng)選取 )%(xP 較小時(shí) ， 測(cè)量位置靠近光斑中心 A 值較大 ， 誤差 d?? 的數(shù)值也將增大。 (2) 激光功率計(jì)所引起的光斑半徑測(cè)量誤差。圖 21 所示裝置中 ， 功率計(jì)的測(cè)量誤差引起刀口位置坐標(biāo)的測(cè)量誤差 ， 進(jìn)而引起光斑半徑的測(cè)量誤差。所引起刀口位置測(cè)量誤差可以表示為 ： PddPxxxp???)(1 (29) 式中 ：xxddP)( 為透過(guò)刀口邊緣的激光功率隨刀口位置坐標(biāo)的變化率 ，ΔP為激光功率計(jì)的精度。功率計(jì)引起的光斑半徑測(cè)量誤差為 ： ? ? PddPA