高斯光束强度分布特性研究

第19期2018年10月No.19October，2018
无线互联科技
Wireless Internet Technology
激光器自产生以来，已广泛应用于科学技术、通信、医学等各个领域。

高斯光束在激光器中的研究是更好地利用激光器的关键。

高斯光束(如厄米-高斯光束、拉盖尔-高斯光束[1]，可用于描述矩形和圆形对称下的高阶激光模，其性质已被人们深入研究。

高斯光束的束腰半径和位置、远场发散角、衍射放大系数和高斯光束通过透镜的变换规律是描述高斯光束基本特性的重要物理量和规律，也是激光物理教学的重要内容。

1 设计思想
本文激光实验采用等距四点采光测量法[2]，激光光束被定义为垂直于光轴的截面上，强度分布为最大值e 的平方分之一。

在坐标轴上任意取4个点，其中一个点等于c ，其他3个点与该点差的绝对值相等，并且值相等，该值小于所测的光束半径，经过计算可得到强度分布。

通过搭建实验平台并调试，能够接收到高斯光斑。

这种方法的优势在于，它可以较为准确地判断这一被测量的光束是否为高斯光
束，而且还能求出此光束的束径和径向强度分布。

系统方案流程如图1所示。

图1 系统方案流程
2 实验结果2.1 实验原理
等距四点采光测量法其实是一种基于等距离三点采光测量方法的新原理。

根据这个原理，只需要同时测量光束截
面中任意相等间隔的4个点的光强，就可以定量地确定被测光束是否为高斯光束。

在高斯光束的情况下，可以根据四点强度给出高斯光束的光束直径和径向强度分布。

高斯光束的鉴别测量仪是一种基于四点法原理的新型仪器。

这种发明将阵列接收元件以及计算机技术有机地结合起来，可以同时对光束截面中等距坐标点的光强进行采光测量，并且可以对测量数据以及光谱图进行打印和说明，从而达到定量判别和
测量高斯光束的目的[3]。

2.2 界面设计
实验中采用CCD 来接收光斑，利用Matlab 对激光的输出特性进行GUI 界面设计，界面中可以对像素值、波长、束腰半径、传播距离等进行选择，通过设置不同的参数值，可以
得到高斯光束传播距离不同时，振幅强度分布的示意图[4]。

当输入的像素值为500，波长为0.568 μm ，束腰半径为1 mm ，传播距离为1 m
时，高斯光束传播强度分布仿真如图2所示。

图2 传播距离1 m时高斯强度分布
作者简介：田园（1984— ），女，陕西西安人，讲师，硕士；研究方向：测试计量技术与仪器。

高斯光束强度分布特性研究
田 园1，周 勖2
（1.西安工业大学北方信息工程学院，陕西 西安 710025；2.西安电力高等专科学校，陕西 西安 710032）
摘 要：随着高科技的发展和物理光学的研究和探索不断深入，高斯光束的研究产品已广泛应用于科技、通信和医学等各个
领域。

文章在GUI 界面下完成对高斯光束强度分布的仿真，能够通过Matlab 软件比较准确地分别获得高斯光束传播1 m ，10 m ，20 m 时不同强度分布图，以及能够通过系统程序显示输出的参数值。

通过高斯光束强度分布的仿真图能够比较直观地看到不同传播距离时高斯光束强度分布的不同变化。

这一系统能够将抽象的高斯光束传输特性以及强度分布的理论知识，通过一步一步模拟仿真，将其形象化，因而易学易懂。

关键词：高斯光束；Matlab ；强度分布
第19期2018年10月
No.19October，2018
当输入的像素值为500，波长为0.568 μm ，束腰半径
为1 mm ，传播距离为10 m 时，高斯光束传播时强度分布仿真如图3
所示。

图3 传播距离10 m时高斯强度分布
当输入的像素值为500，波长为0.568 μm ，束腰半径为1 mm ，传播距离为20 m 时，高斯光束传播时强度分布仿真如图4所示。

高斯光束中心点的强度最大，频率从中心点向外发散，该光束符合高斯分布强度分布特征[5-7]。

图4 传播距离为20 m时高斯强度分布
3 结语
本文采用等距四点采光测量法采集激光光斑，对高斯光束基本传输特性及其强度分布进行仿真，利用Matlab 软件对高斯光束输出特性进行可视化界面设计，获得了高斯光束在不同的传播距离下强度分布的仿真效果图，更加直观地观察到高斯光束强度分布特点。

本文创新点在于利用GUI 设计，能够将抽象的高斯光束传输特性以及强度分布的理论知识，通过三维立体图模拟仿真形象化，实验结果分析通俗易懂。

[参考文献]
[1]宁静.气体激光模式及光学系统变换特性研究[D].西安：西安工业大学，2016.
[2]梁明，谷开慧，孙晓冰.基于CCD 对高斯光束进行实时判断及特性参数的测量[J].大学物理实验，2015（1）：9-13.
[3]吴云峰，张萍，邓风卫，等.基于Matlab 语言的He-Ne 激光器基模高斯光束分布的实验数据处理[J].德州学院学报，2013（6）：39-45.[4]周勤存，戴道锌，盛钟延，等.高斯光束计算平板波导自由传输区远场分布及其修正[J].光学学报，2003（23）：587-592.[5]周昕，刘馨.高斯光束的偏心分布[J].激光杂志，1998（6）：36-38.
[6]罗华飞.Matlab GUI 设计学习手记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.
[7]钟可君，张海林.基于Matlab GUI 设计的光学实验仿真[J].实验室研究与探索，2010（10）：52-53.
Research on intensity distribution characteristics of Gaussian beams
Tian Yuan 1, Zhou Xu 2
（1. Xi ’an Technological University North Institute of Information Engineering, Xi ’an 710025, China ；
2. Xi ’an Electric Power College, Xi ’an 710032, China ）
Abstract：
With the development of high technology and the further research and exploration of physical optics, Gaussian beam research products have been widely used in science and technology, communications, medicine and other fields. In the paper, this design can complete the simulation of Gaussian beam intensity distribution under GUI interface. The different intensity distributions of Gaussian beams propagating in 1 m, 10 m and 20 m can be obtained accurately by Matlab software, and the output parameter values can be displayed by a system program. Through the simulation of Gaussian beam intensity distribution, the different changes of Gaussian beam intensity distribution at different propagation distances can be seen intuitively. The system can visualize the abstract Gaussian beam transmission characteristics and the theoretical knowledge of intensity distribution through step-by-step simulation, which is easy to learn and understand.
Key words：
Gaussian beams; Matlab; intensity distribution 无线互联科技·实验研究。