雷射(Ι)-高斯光束.doc

實驗一He-Ne雷射(Ι)－高斯光束
實驗目的
1.嘗試觀察內鏡式He-Ne雷射輸出強度分佈
2.測量模(Gaussianbeam)的特性。
3.利用刀口法量測雷射光束的光班大小及雷射的強度分佈，以瞭解雷射光束的特性。

實驗儀器
Single-TransverseModeHe-NeLaser(632.8nm)
Multi-TransverseModeHe-NeLaser
Powermeter
Translationstage
5.Razorblade
6.Lens
7.尺,鏡架等

實驗原理
【高斯光束】
在雷射光產生過程中，其原始光的信號來自發放射，而自發放射是雜亂無章的，如何在其中選取一定傳播方向和頻率的光信號，使和方向性的雷射光呢？最簡單的方式，即在介質兩端和加同光軸的反射鏡，稱為光學腔，其中一為全反射鏡，另一片為部分穿透鏡，當光子在光軸方向往返穿梭不斷撞擊激發原子，不斷放大，以致於激發輻射光遠大於自發輻射光。當激發至某一程度時，光子放大的因素大於撰失的因素(如部分穿透損失、鏡片吸收、繞射損失、介質散射損失等)，此時方有雷射輸出。光學腔的長度和鏡片之曲率半徑大小決定電磁波在雷射光學腔內的形式以及在腔內傳播時的損耗情形。而存在光學腔內有許多光波的形式，通稱為TEM波型，若我們能抑制高階型僅讓最基本的波型的增益大於光學腔的損耗，則稱此時之雷射輸出波型為TEM00波型或高斯波型。
TEM00光的強度，是氣體雷射光束行進距離z和的函數
由式中可以看出光強度呈高斯分佈。當距離光軸為光束半徑w時,電場衰減為e-1,此時光強度為最大強度時的1/e2，故定義w代表光束半徑(BeamRadius),又叫光點大小(SpotSize),則2w即為光束之直徑(BeamDiameter)。當z=0時,w(0)=w0,此處光點最小,稱為光束腰部(BeamWaist)。腰部之處波前為一平面波,因R(z=0)→∞。光束在空間行進後其光點w(z)漸漸擴大,當z>>w0π/λ,其漸近線為w(z)=(λz)/(w0π),故這種光束在遠處發散之角度θ＝λ/(πw0),這就是氣體雷射光束能夠射到遠處而光點擴散仍小之原因。所以在空間傳播時由腰部開始光點散發角度為θ,而橫截面之電場分佈仍為高斯函數。光束之腰部w0越細,則發散角度越大。
其中在式中，為雷射的腰身，就是一道雷射光束最窄的寬度的一半，，是所謂的Rayleighrange，是從光束最窄處到光束寬度變成處的距離。藉此我們可以知道這道雷射光束發散的速度，如果越大，表示這道雷射光發散的速度越慢

【高斯光束的測量-刀口測量法】
測量高斯束徑有下列幾種方法：a.針孔(pinhole)b.刀口(knifeedge)c.狹縫(slit)
d.細絲(ribbon)。其原理是將已知形狀的孔垂直光軸掃描高斯光束，測量通過使孔的光能量大小隨其位置的變化而求得。
本實驗是用刀口測量法，所以為其測量的原理：若刀口掃描方向為X軸，則得到的信號如下：

其他測量方法參考以下資料：
Gupta＆Bhargava”AnExperimentwithGaussianLaserBeams”
Am.J.Phys.56.563(1998)
施宙聰”高斯光束的測量”
實驗步驟
在下列實驗中，beamsize(w)的測量均採用刀口法：

設好He-Ne雷射,啟動雷射,使雷射輸出,,並在牆壁上形成雷射之圖案。
將Single及Multi-transversemodeHe-Nelaser照射到5公尺外的牆上(越遠越好),用肉眼觀察光強度的分布並估計二者的發散角。量測牆壁上雷射光束中心與雷射的距離Z，並量測牆壁上雷射光束直徑R。以此出計算出雷射光束的全發散角。
利用刀口掃描法來量測beamsize隨著距離的變化，量測SingletransversemodeHe-Nelaser輸出之beamsize隨距離的變化(雷射光束距雷射輸出端之距離從0cm到500cm)。利用上述的結果可以求得,發散角和Beamwaist()的位置。
【3】在雷射前放置一長焦距之透鏡,量測透鏡焦點處之spotsize根據理論,在焦點F處的spotsize為,與透鏡位置無關。試將透鏡置於Z=50cm,100cm,150cm,200cm處量測其焦點F處之spotsize,驗證與位置無關,並計算，並且與實驗步驟之【2】之結果比較。
【4】此實驗我們將用一狹縫測出高斯光束經過透鏡後新Beamwaist()的位置,其方法為:將狹縫置於Translationstage上,且狹縫位於光路之高斯光束的峰值位置(利用Powermeter可找到),然後水平移動狹縫在Translationstage的位置(沿z軸)其Powermeter讀數最