国内外激光光斑尺寸的测量和研究现状

2014-01-04 admin1 377

  激光技术对国民经济及社会发展有着重要作用,激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。三十多年来,以激光器为基础的激光技术在我国得到了迅速的发展,现已广泛用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域,取得了很好的经济效益和社会效益,对国民经济及社会发展将发挥愈来愈重要的作用。

  由于激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度,它已渗透到各个学科领域,形成了新的学科。例如:激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光检测与计量及军用激光技术等,极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。在国民经济中形成新的产业部门。

  激光产业正在我国逐步形成,其中包括激光音像、激光通讯、激光加工、激光医疗、激光检测、激光印刷设备及激光全息等,这些产业正在作为新的经济增长点而引起高度重视。

  对传统工业的改造将发挥愈来愈显著的作用,激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门,对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。

  促进医疗技术进步,提高人民健康水平,激光医疗技术目前已在眼科、外科、内科、妇科、耳鼻喉科、心血管科、皮肤科等领域得到广泛应用,激光医疗设备已进入县以上的医院,这对医疗技术的进步和提高人民健康水平起着重要作用。

  加速我国国防技术的现代化,激光技术在军事上已应用于测距、指向、制导、通讯及战术武器等,为改善武器装备的性能,提高命中率和可靠性,起到重要的作用,并有一定数量的产品出口。

  激光光斑尺寸是标志激光器性能的重要参数,也是激光器在应用中的重要参量。在工业上的金属精加工,在医疗上的激光缝合技术,在军事上的激光定位等等,这些激光的应用都要依靠调节激光光斑尺寸和能量参数。因此,对激光尺寸的精确测定是有意义的。

  国内外研究现状

  激光以全新的姿态问世已二十余年。然而,发明激光器的历程却鲜为人知,至于发明者如何从事艰难曲折的探索,就更少人问津了。其实,每一项重大发明,都是科学家们智慧的结晶,里面包涵着他们的汗水和心血。自然,激光器的发明也不例外。

  说得准确些,对激光的研究,只是到了20世纪50年代末才出现一个崭新阶段。在此之前,人们只对无线电波和微波有较深研究。科学家们把无线电波波长缩短到十米以内,使得世界性的通讯成为可能,那是30年代的事情。后来,随着速调管和空穴磁控管的发明,科学家便对厘米波的性质进行研究。二次世界大战中,由于射频和光谱学的发展,辐射波和原子只间的联系又重新被强调。大战期间,科学家们发明并研制了雷达(战争对雷达的制造起了推动的作用)。从技术本身来说,雷达是电磁波向超短波、微波发展的产物。大战以后,科学家又开创了微波波谱学,目的是探索光谱的微波范围并把其推广到更短的波长。当时,哥仑比亚大学有一个由汤斯领导的辐射实验小组,他们一直从事电磁方面以及毫米辐射波的研究。1951年,汤斯提出了微波激射器的概念。经过几年的努力,1954年汤斯和他的助手高顿、蔡格发明了氨分子束微波激射器并使其正常运行。这为以后激光器的诞生奠定了基础。当时,汤斯希望微波激射器能产生波长为半毫米的微波,遗撼的是,激射器却输出波长为1.25cm的微波。微波激射器问世以后,科学家就希望能制造输出更短波长的激射器。汤斯认为可将微波推到红外区附近,甚至到可见光波段。1958年,肖洛与汤斯合作,率先发表了在可见光频段工作的激射器的设计方案和理论计算。这又将激光研究推上了一个新阶段。

  现在,人们都知道,产生激光要具备两个重要条件:一是粒子数反转;二是谐振腔。值得注意的是,自1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念以后,1940年前后就有人在研究气体放电实验中,观察到粒子反转现象。按当时的实验技术基础,就具备建立某种类型的激光器的条件。但为什么没能造出来呢?因为没有人,包括爱因斯坦本人没把受激辐射,粒子数反转,谐振腔联系在一起加以考虑。因而也把激光器的发明推迟了若干年。在研究激光器的过程中,应把引进谐振腔的功劳归于肖洛。肖洛长期从事光谱学研究。谐振腔的结构,就是从法——珀干涉仪那里得到启示的。正如肖洛自己所说:“我开始考虑光谐振器时,从两面彼此相向镜面的法 ——珀干涉仪结构着手研究,是很自然的。”实际上,干涉仪就是一种谐振器。肖洛在贝尔电话实验室的七年中,积累了大量数据,于1958年提出了有关激光的设想。几乎同时,许多实验室开始研究激光器的可能材料和方法,用固体作为工作物质的激光器的研究工作始于1958年。如肖洛所述:“我完全彻底地受到灌输,使我相信,可以在气体中做的任何事情,在固体中同样可以做,且在固体中做得更好些。因此,我开始探索、寻找固体激光器的材料。”的确,不到一年,在 1959年9月召开的第一次国际量子电子会议上,肖洛提出了用红宝石作为激光的工作物质。不久,肖洛又具体地描述了激光器的结构:“固体微波激射器的结构较为简单,实质上,它有一棒(红宝石),它的一端可作全反射,另一端几乎全反射,侧面作光抽运。”遗撼的是,肖洛没有得到足够的光能量使粒子数反转,因而没获成功。可喜的是,科学家迈曼巧妙地利用氙灯作光抽运,从而获得粒子数反转。于是,1960年6月,在Rochester大学,召开了一个有关光的相干性的会议,会议上,迈曼成功地操作了一台激光器。7月份,迈曼用红宝石制成的激光器被公布于众。至此,世界上第一台激光器宣告诞生。

  激光具有单色性,相干性等一系列极好的特性。从诞生那天开始,人们就预言了它的美好前景。20多年来,人们制造了输出各种不同波长的激光器,甚至是可调激光器。大功率激光器的研制成功,又开拓了新的领域。1977年出现的自由电子激光器,机制则完全不同,它的工作物质是具有极高能量的自由电子,人们可以期望通过这种激光器,实现连续大功率输出,而且覆盖频率范围可向长短两个方向发展。

  高斯光束光斑半径的精确测量对光束质量因子的判定及激光系统设计有非常重要的意义。高斯光束光斑半径的测量方法主要有套孔法、刀口法、CCD法、照相法、狭缝法、阈值时间法等。

  照相法:照相干板经激光照射曝光,再经显影、定影后利用测微光度计读出黑度值下降到极大值2?e(或21)处的对应尺寸即为激光光斑尺寸。该方法的缺点是:1. 不易把握曝光时间从而容易造成曝光过度或不足,而影响准确度;2. 数据处理麻烦。

  阈值时间法:激光照射制片、木板、塑料板等材料后,在这些材料上得到烧蚀图形。适当的控制照射时间,测出烧蚀后的孔径大小来确定激光光斑。此法也称打靶法,该方法除了有与照相法类似的缺点外,还要求烧蚀的靶材均匀,各处的阈值能量相同,材料阈值能量恰当,否则可能由于能量积累烧坏靶材或阈值能量较高而影响测量的准确度。它是一种比较粗略的估计方法。

  扫描法:在激光截面上,利用小孔、狭缝或刀口扫描光斑,使激光光斑(或探测器)沿垂直于光束的方向移动,其移动速度恒定。将探测器输出信号显示在指示器上,得到光功率随位移变化的分布曲线,从而找到激光光斑半径。这种方法的特点是不用考虑曝光时间,可用于连续激光基模光束光斑尺寸测定,测量方便、直观。但也存在明显的局限性:1. 不能同时确定最小光斑位置及其尺寸;2. 测量精度受探测器响应率及响应时间的影响;3. 调整过程难度大。

  CCD法:用用线阵式CCD器件作为光探测器,拍摄光斑图像,经过预处理,导入Matlab软件,得出能量分布图进而求出光斑直径。该方法操作简单,精度高。但对激光的能量有一定的限制。

 

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