激光参数的测量

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第213页（2359字）

单模动转的激光器，其横模的观测方法很多，其中比较熟知的有直接观测法、光点扫描法、扫描干涉仪法、法布里－珀罗照相法和拍频法等。

随着科技的发展，许多新的测量方法也应运而生。现在，可以用摄像机把激光束成像于硅靶摄像管的靶面上，输出的视频信号及行场同步脉冲经专用电路处理后，送到示波器观测或计算机显示并打印。同样，在He-Ne激光器输出的高斯光束的截面内，对任意等距离3点采光测量，经过处理也可以得到此光束强度的径向分布。

对于GaAs或Nd：YAG等近红外激光器的输出光场的测量，可以利用二极管线阵对红外光有较高灵敏度的特性，用光二级管阵等组成简单的光学多道显示仪，就可进行实时观测。

而采用光纤技术进行空序→时序变换的方法，可以实时显示相对光强曲线，也可以对激光器的横模模式进行定量研究。此外，电荷耦合器件(CCD)测量光强，已取得很大进展。

线阵(CCD)可以将按空间分布的激光能量转变为按时间分布的电压信号，然后经存储显示，就可以观测到近场或远场的光场空间分布。

目前，国内用面阵CCD测量脉冲Nd：YAG激光束能量空间分布状态的方法是比较先进的。它是将面阵CCD摄像机与图像处理仪相结合，对脉冲YAG激光能量分布进行测试，进行数据采集，用ADC调入微机、处理、绘图、打印等一系列工作。

其中，He-Ne激光是系统的准直光源；YAG激光系统是被测信号源；成像系统由衰减片A、1．06μm滤光器、调节光强的一对GlanFoucualt棱镜、聚焦透镜L和CCD相机构成。

透镜L将被测光束聚焦在摄像区上，其焦距的选择与系统的安装和CCD光敏面的尺寸有关，最后被测光束聚焦。在摄像区上的光斑尺寸应小于CCD相机的光敏面尺寸。

图像处理仪与光束成像系统组成一体，采集储存激光能量空间分布信号，然后通过接口由键盘调入微机的内存，自动软件进行处理，给出高／中分辨的三维黑白／彩色图形。图形空间形象性强，可正视、侧视，又可背视。

激光有“卫星”斑也十分清楚。

对脉冲YAG激光器的光束能量分布测量，利用CCD相机帧同步配合适当的脉冲延时控制激光器闪光灯的触发，容易探测到激光信号。

精确、简便而可靠地测量超短脉冲的脉宽，往往是超短脉冲激光器研制及应用的关键，其主要的测量方法有直接测量法和相关测量法。前者包括用光电探测器加上快速响应示波器直接观察及条纹照相法。

相关测量法有二次谐波法及双光子荧光法等等。其中二次谐波法比双光子荧光法更为经济实用，分辨力、精度较高，目前的应用越来越广泛。对于被动锁模钕玻璃激光器，它的输出以非共线倍频的方式在LiIO₃内产生二次谐波，用一维二极管列阵将谐波强度的空间分布示于通用示波器，根据脉宽与谐波光强分布的宽度之间的关系，可得出脉冲串的平均脉冲宽度。还可以GaAs表面的SHG方法对碰撞锁模的Nd∶YAG激光的脉冲宽度进行测量，可以测出PS量的激光脉宽。

超短光脉冲还可以用亚纳秒响应的检测仪器测量PS激光脉冲，然后通过对预测信号进行解卷积运算以求得脉宽的方法来实现。

一种较先进的方法，是用谐波法测量PS脉冲激光的宽度。

它是用光栅取样，倍频作快门，以CCD作实时显示的超高速照相装置。CCD所测的空间强度波形是被测光脉冲的自相关函数。脉宽可用下式确定：

式中，τ′是CCD测得高斯型光斑的半宽度，λ为入射到光栅上的激光波长，N为光栅每毫米距离上刻线的条数，a为光栅的入射激光与出射激光之间的张角，c为光速。

这种方法除了CCD强度测量有10%误差外，脉宽变化主要来自锁模激光器本身。如果与计算机连机进行实时处理，将会更加方便可靠。

远场发散角定义为：

两式中，W(Z)为坐标总Z处的光斑半径，W₀为光腰半径，λ为激光波长。

从以上发散角的定义可以看出，发散角的测量都可归结为光斑半径的测量，而高斯光束光斑半径的测量方法有：孔径法、针孔扫描法、不透明窄条法、刀口扫描法。由测出的光斑W(Z)就可以求出(远场)发散角。一个简单的二极管列阵、示波器和凸透镜组成的系统，就可以测出W_f(聚焦点处的光斑半径，由θ₀=W_f／f就可求出远场发散角)。

除了由束径来确定发散角的方法外，还可以利用不同Q值光栅测量激光高斯光束的发散角，这种方法仅需探测光束透射光栅后功率的最大值和最小值即可。

此外，还可以采用光纤技术进行空序→时序变换的方法，对TEM₀₀模，示波器能实时显示出高斯曲线的全貌，很方便地测出发散角。当强分布花样照射在采光窗上时，通过空序→时序变换器把相对光强空间位置变化的函数变成按时间变化的函数，并变成与光强成线性关系的光电流。

因为该法采用50Hz的高速光扫描，同时设置了同步脉冲和扫描标志线发生器，所以用示波器就能实时观察到稳定、清晰、连续的高斯曲线全貌。该方法的关键是空序→时序的变换，可以采用光纤技术进行。当光场分布照射在光纤的线端时，通过光纤的排列将光强分布有顺序地分布在光纤圆端的圆周上。

对分布在圆周上光强的扫描，就相当于对分布在线端上的光强扫描一样，实现了线→圆的变换，这样就可进行高速扫描，同时也实现了空序→时序的变换。

(电子科技大学林晓莹、杨大让、胡志平撰)