3 实验装置和系统控制

　　刀片法是一种简单而灵敏的测量激光光束束腰半径的实验方法。它可以测量高斯光束经透镜聚焦在像方的束腰半径。整个实验装置如图I所示，其中包括：被测的飞秒激光(Spitfire，Spectra Physics)，聚焦透镜(焦距为20cm)及能量衰减器，激光功率计(物科光电)，单刃剃须刀刀片，电动平移台(卓立汉光，步长为2.5和数据采集卡(PCI2300，Art)等。激光的波长为800nm，平均功率约为100毫瓦，重复频率为1000Hz。这里要进行测量的激光是飞秒激光，它是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间极短，脉宽为130飞秒，峰值功率极高。飞秒激光脉冲较为稳定，所以在实验中不需要另一功率计来监测飞秒激光的波动。飞秒激光经过会聚透镜聚焦，形成直径为几十微米量级的光斑，光信号由激光功率计来采集，通过激光功率计的信号输出口输出电压信号，并经由数据采集卡(PCI2300，Art)将模拟信号转换成数字信号，进行读数并对信号进行强度归一化。实验中选用两个步长精度为2.5微米的电动平移台叠放在一起组成两维移动平台，一个在x轴方向移动，用来切割Gauss光束，另一个在z轴方向移动，测量不同位置处的束腰半径。使用LabVIEW程序通过计算机的串口控制电动平移台在x，z方向上的移动，在移动平台上固定刀片，刀片与入射激光光束z轴方向垂直。刀片由完全遮挡光束向远离光轴方向移动，从而使入射到功率计探头的激光的光功率从零增加到最大值。电动平移台沿x轴方向每次走20步，进行数据采集并多次累计取其平均值。测量不同位置处的束腰半径通过移动沿z轴的另一电动平移台来实现。

图1 (a)刀片与光斑的相对位置的截面图(b)用于测量

激光束腰半径的实验装置图nextpage4 实验数据的采集和自动处理

　　LabVIEW是一个具有革命性的图形化编程开发平台，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。PCI数据采集卡带有可以供LabVIEW调用的子程序，而电动平移台可以通过计算机串口输送指令，使用数据采集卡的1通道作为信号输入端，考虑到功率计的响应和激光器的重复频率．每隔10微秒采集一次信号，这样不会漏掉信号。电动平移台每走一次，光功率计记录一个数值，同时将数值与所走的步数作为数据输出并进行存储。

图2 (a)刀片切割激光光束的透射功率随x轴位置变化的曲线(点为实验数据曲线，实线为数据拟合曲线)(b)对图2(a)中数据进行求导并拟合的曲线(点为实验数据曲线．实线为数据拟合曲线)

　图3是对数据进行自动处理的程序，图3(a)图是前面板，可以看到将光功率求导得到的高斯型分布的数据进行求导得到的拟合结果中给出了．关于激光光束束腰半径的信息。图中初始值是进行Guassian拟合前输入的估计数值，下面是拟合得到的结果。图中的横轴为电动平移台移动的步数，纵轴分别为归一化的光功率和及其一阶导数。图3(b)图中显示的是数据处理的结构框图，显示的是数据的流程图。将刀片所处位置及其光功率数据作为两列数值输出，首先对光功率数值进行归一化，然后调用LabVIEW软件当中的求微分模块进行微分，为了更为精确地求出激光的束腰半径，对微分结果进行线性插值。使用Gaussian型拟合模块对结果进行拟合，拟合得到的结果进行积分并与实验测量到的数据进行比较并分析误差，残差保持在0.01以内。