基于LabView的飛秒激光束腰半徑的實(shí)時(shí)測量與計(jì)算

LabVIEW是一個(gè)具有革命性的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)，它內(nèi)置信號(hào)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(fù)雜性，提供強(qiáng)大功能的同時(shí)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(dòng)平移臺(tái)可以通過計(jì)算機(jī)串口輸送指令，使用數(shù)據(jù)采集卡的1通道作為信號(hào)輸入端，考慮到功率計(jì)的響應(yīng)和激光器的重復(fù)頻率．每隔10微秒采集一次信號(hào)，這樣不會(huì)漏掉信號(hào)。電動(dòng)平移臺(tái)每走一次，光功率計(jì)記錄一個(gè)數(shù)值，同時(shí)將數(shù)值與所走的步數(shù)作為數(shù)據(jù)輸出并進(jìn)行存儲(chǔ)。

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(diǎn)
為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，實(shí)線為數(shù)據(jù)擬合曲線) (b)對圖2(a)中數(shù)據(jù)進(jìn)
行求導(dǎo)并擬合的曲線(點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線．實(shí)線為數(shù)據(jù)擬合曲線)

　　圖3是對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理的程序，圖3(a)圖是前面板，可以看到將光功率求導(dǎo)得到的高斯型分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)得到的擬合結(jié)果中給出了．關(guān)于激光光束束腰半徑的信息。圖中初始值是進(jìn)行Guassian擬合前輸入的估計(jì)數(shù)值，下面是擬合得到的結(jié)果。圖中的橫軸為電動(dòng)平移臺(tái)移動(dòng)的步數(shù)，縱軸分別為歸一化的光功率和及其一階導(dǎo)數(shù)。圖3(b)圖中顯示的是數(shù)據(jù)處理的結(jié)構(gòu)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(jìn)行歸一化，然后調(diào)用LabVIEW軟件當(dāng)中的求微分模塊進(jìn)行微分，為了更為精確地求出激光的束腰半徑，對微分結(jié)果進(jìn)行線性插值。使用Gaussian型擬合模塊對結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合得到的結(jié)果進(jìn)行積分并與實(shí)驗(yàn)測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)處理的前面板 (b)結(jié)構(gòu)框圖

　　使用刀片法實(shí)時(shí)測量后透鏡焦點(diǎn)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(guān)系，發(fā)現(xiàn)j與接近焦點(diǎn)時(shí)，束腰半徑逐漸變小，這符合距離焦點(diǎn)越近，束腰半徑越小的原則。但當(dāng)經(jīng)過焦點(diǎn)時(shí)由于激光光束的束腰半徑最小，對應(yīng)飛秒激光具有最強(qiáng)的峰值功率，通過計(jì)算其強(qiáng)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(qiáng)激光光束測量束腰半徑時(shí)，需要適當(dāng)減小飛秒激光的入射功率。

圖4 計(jì)算束腰半徑相對于激光傳播距離z的關(guān)
系盈(點(diǎn)線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線為理論計(jì)算結(jié)果)

　　5 結(jié)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(shù)對激光束腰半徑進(jìn)行了在線實(shí)時(shí)地測量和計(jì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)實(shí)現(xiàn)激光束腰半徑的自動(dòng)化在線測量與計(jì)算；(2)使用光電倍增管或硅光二極管等較為便宜的設(shè)備作為光電探測器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；(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(jié)構(gòu)框圖中相應(yīng)的擬合類型即可。飛秒激光聚焦后峰值功率極高，進(jìn)行刀片法實(shí)驗(yàn)時(shí)需要適當(dāng)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(shí)驗(yàn)的精度。