采用刀片法對飛秒激光束腰半徑的實時測量與計算

　　LabVIEW是一個具有革命性的圖形化編程開發(fā)平臺，它內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復雜性，提供強大功能的同時還保證了系統(tǒng)靈活性。PCI數(shù)據(jù)采集卡帶有可以供LabVIEW調(diào)用的子程序，而電動平移臺可以通過計算機串口輸送指令，使用數(shù)據(jù)采集卡的1通道作為信號輸入端，考慮到功率計的響應和激光器的重復頻率．每隔10微秒采集一次信號，這樣不會漏掉信號。電動平移臺每走一次，光功率計記錄一個數(shù)值，同時將數(shù)值與所走的步數(shù)作為數(shù)據(jù)輸出并進行存儲。

圖2 (a)刀片切割激光光束的透射功率隨x軸位置變化的曲線(點
為實驗數(shù)據(jù)曲線，實線為數(shù)據(jù)擬合曲線) (b)對圖2(a)中數(shù)據(jù)進
行求導并擬合的曲線(點為實驗數(shù)據(jù)曲線．實線為數(shù)據(jù)擬合曲線)

　　圖3是對數(shù)據(jù)進行自動處理的程序，圖3(a)圖是前面板，可以看到將光功率求導得到的高斯型分布的數(shù)據(jù)進行求導得到的擬合結果中給出了．關于激光光束束腰半徑的信息。圖中初始值是進行Guassian擬合前輸入的估計數(shù)值，下面是擬合得到的結果。圖中的橫軸為電動平移臺移動的步數(shù)，縱軸分別為歸一化的光功率和及其一階導數(shù)。圖3(b)圖中顯示的是數(shù)據(jù)處理的結構框圖，顯示的是數(shù)據(jù)的流程圖。將刀片所處位置及其光功率數(shù)據(jù)作為兩列數(shù)值輸出，首先對光功率數(shù)值進行歸一化，然后調(diào)用LabVIEW軟件當中的求微分模塊進行微分，為了更為精確地求出激光的束腰半徑，對微分結果進行線性插值。使用Gaussian型擬合模塊對結果進行擬合，擬合得到的結果進行積分并與實驗測量到的數(shù)據(jù)進行比較并分析誤差，殘差保持在0.01以內(nèi)。

圖3 (a)使用LabvlEW編程的數(shù)據(jù)自動處理的前面板 (b)結構框圖

　　使用刀片法實時測量后透鏡焦點附近的激光光束的束腰半徑，得出束腰半徑與透鏡位置的關系，發(fā)現(xiàn)j與接近焦點時，束腰半徑逐漸變小，這符合距離焦點越近，束腰半徑越小的原則。但當經(jīng)過焦點時由于激光光束的束腰半徑最小，對應飛秒激光具有最強的峰值功率，通過計算其強度約為2.5×1017W/m2，在刀刃表面發(fā)生燒蝕作用，對刃口有了一定的破壞作用。通過這一方法可以簡單測出材料發(fā)生燒蝕的閾值功率，可見使用刀片切割強激光光束測量束腰半徑時，需要適當減小飛秒激光的入射功率。

圖4 計算束腰半徑相對于激光傳播距離z的關
系盈(點線為實驗結果，實線為理論計算結果)

　　5 結論

　　針對經(jīng)過透鏡聚焦后的飛秒脈沖激光，使用LabVIEW編程技術對激光束腰半徑進行了在線實時地測量和計算，并闡述了測量過程和誤差分析。使用刀片法測量束腰半徑有幾個優(yōu)點：(1)實現(xiàn)激光束腰半徑的自動化在線測量與計算；(2)使用光電倍增管或硅光二極管等較為便宜的設備作為光電探測器，將光信號轉換為電信號；(3)測量其他形狀的脈沖如hat-top，seth2型的激光脈沖，需要改變結構框圖中相應的擬合類型即可。飛秒激光聚焦后峰值功率極高，進行刀片法實驗時需要適當降低激光的入射能量，避免在刀刃表面產(chǎn)生燒蝕作用，影響實驗的精度。