高斯光束强度分布特性研究

田 园，周 勖

（1.西安工业大学北方信息工程学院，陕西 西安 710025；2.西安电力高等专科学校，陕西 西安 710032）

激光器自产生以来，已广泛应用于科学技术、通信、医学等各个领域。高斯光束在激光器中的研究是更好地利用激光器的关键。高斯光束(如厄米-高斯光束、拉盖尔-高斯光束[1]，可用于描述矩形和圆形对称下的高阶激光模，其性质已被人们深入研究。高斯光束的束腰半径和位置、远场发散角、衍射放大系数和高斯光束通过透镜的变换规律是描述高斯光束基本特性的重要物理量和规律，也是激光物理教学的重要内容。

1 设计思想

本文激光实验采用等距四点采光测量法[2]，激光光束被定义为垂直于光轴的截面上，强度分布为最大值e的平方分之一。在坐标轴上任意取4个点，其中一个点等于c，其他3个点与该点差的绝对值相等，并且值相等，该值小于所测的光束半径，经过计算可得到强度分布。通过搭建实验平台并调试，能够接收到高斯光斑。这种方法的优势在于，它可以较为准确地判断这一被测量的光束是否为高斯光束，而且还能求出此光束的束径和径向强度分布。系统方案流程如图1所示。

图1 系统方案流程

2 实验结果

2.1 实验原理

等距四点采光测量法其实是一种基于等距离三点采光测量方法的新原理。根据这个原理，只需要同时测量光束截面中任意相等间隔的4个点的光强，就可以定量地确定被测光束是否为高斯光束。在高斯光束的情况下，可以根据四点强度给出高斯光束的光束直径和径向强度分布。高斯光束的鉴别测量仪是一种基于四点法原理的新型仪器。这种发明将阵列接收元件以及计算机技术有机地结合起来，可以同时对光束截面中等距坐标点的光强进行采光测量，并且可以对测量数据以及光谱图进行打印和说明，从而达到定量判别和测量高斯光束的目的[3]。

2.2 界面设计

实验中采用CCD来接收光斑，利用Matlab对激光的输出特性进行GUI界面设计，界面中可以对像素值、波长、束腰半径、传播距离等进行选择，通过设置不同的参数值，可以得到高斯光束传播距离不同时，振幅强度分布的示意图[4]。

当输入的像素值为500，波长为0.568 μm，束腰半径为1 mm，传播距离为1 m时，高斯光束传播强度分布仿真如图2所示。

图2 传播距离1 m时高斯强度分布

当输入的像素值为500，波长为0.568 μm，束腰半径为1 mm，传播距离为10 m时，高斯光束传播时强度分布仿真如图3所示。

图3 传播距离10 m时高斯强度分布

当输入的像素值为500，波长为0.568 μm，束腰半径为1 mm，传播距离为20 m时，高斯光束传播时强度分布仿真如图4所示。

高斯光束中心点的强度最大，频率从中心点向外发散，该光束符合高斯分布强度分布特征[5-7]。

图4 传播距离为20 m时高斯强度分布

3 结语

本文采用等距四点采光测量法采集激光光斑，对高斯光束基本传输特性及其强度分布进行仿真，利用Matlab软件对高斯光束输出特性进行可视化界面设计，获得了高斯光束在不同的传播距离下强度分布的仿真效果图，更加直观地观察到高斯光束强度分布特点。本文创新点在于利用GUI设计，能够将抽象的高斯光束传输特性以及强度分布的理论知识，通过三维立体图模拟仿真形象化，实验结果分析通俗易懂。