一種簡易的激光橫模觀測系統

摘要：為了方便地觀測激光的橫模特性，利用Matlab的攝像頭編程技術，實時獲取激光的光斑圖像。再利用圖像數據處理方法，將激光強度轉化為可以方便顯示的灰度值，從而可以實現激光模式的二維或三維實時在線顯示。該方法結構簡單，成本低，可以方便地開展激光模式的實時觀測，為激光模式觀測提供一個可以借鑒的方法。

關鍵詞：激光模式；Matlab；在線觀測；圖像處理

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0267-02

一、引言

在激光類的課程教學過程中，諧振腔理論是一個非常重要的內容。該部分內容比較抽象，而且數學知識較多，其中激光橫模特性更加抽象。為了解橫模特性，理論上主要是從菲涅耳—基爾霍夫積分衍射方程出發，求得其近似解析解，或者利用數值迭代的計算方法。實驗上可以有熱成像，線性掃描，激光模式分析儀來進行直觀地觀測。教學上激光實驗的開展主要還是圍繞激光諧振腔來實驗，激光模式的觀察與控制就顯得非常重要。因此，需要能夠實時地顯示激光模式的變化，當諧振腔參數變化時，模式是如何地變化等，使學生能更好地了解模式與腔的關系。本文正是在這樣一個背景下，圍繞如何控制各個模式的出現與觀測，以及分析其形成與消亡的原因，自行制作了一套簡易的模式觀測實時顯示系統。

二、實驗裝置

實驗中用到的攝像頭為普通的USB接口的攝像頭，編程用Matlab 2007以上的版本，利用Matlab對攝像頭進行編程不需要寫太多代碼，幫助中給出的例子程序就夠用了。下面給出編程的主要代碼，方便參考。

獲取攝像頭vid=videoinput（'winvideo'）；獲取圖像大小vidRes=get（vid，'VideoResolution'）；imWidth=vidRes（1）；

imHeight=vidRes（2）；nBands=get（vid，'NumberOfBands'）；設定圖像大小hImage=image（zeros（imHeight，imWidth，nBands））；set（gca，'unit'，'pixels'，'position'，[35 145 imWidth imHeight]）；此處的35和145是屏幕上相對位置。預覽圖像preview（vid，hImage）；捕獲圖像frame=getsnapshot（vid）。

圖像數據存在三維數組frame里面，其結構是[x，y，Value]，value代表了各個點的RGB值，利用z=（30*R+59*G+11B）/100，可以轉換成相應灰度值。這樣就生成一組[x，y，z]的數據，x，y表示光斑位置，z代表灰度值，也就是光強，這樣就可以繪制出一幅光斑模式的二維或三維圖，對于基模等都能做到很方便地觀測與分辨。

實驗中用的激光器為開腔He-Ne激光器，最大輸出功率小于5mw。為了避免攝像頭產生飽和，以至于觀測到一片白色，無法對其強度做出分辨。我們嘗試讓攝像頭獲取激光器全反鏡透出的光斑，先照射到一張黑紙上，然后TEM00、低階模TEM01，TEM10用攝像頭獲取照射面的圖像。這樣不但避免了散射對光的均勻化，也不會產生飽和作用，實驗證明：這種方法簡便易行，對觀測結果沒有影響，而且可以做到實時動態顯示。

三、實驗結果

激光器穩定運轉后，首先調節諧振腔，使激光器輸出基模，對于小功率激光器，一般都能夠滿足?；D像如圖1（a）所示，這是光斑直接照在白墻上拍照所得。圖1（b）是用實時觀測系統在電腦端顯示的圖像，這里給出的是一個三維的相對光強分布。相對二維分布，三維光強分布能夠體現出高斯光束高斯分布的特點。圖像中心由于光強飽和，顯示出一個平頂，所以對觀測系統，后續的圖像數據處理還可以不斷優化。

高階模式的獲得可以將輸出鏡的調整螺絲輕微扭動，當獲得一個穩定的模式輸出時停止。這并不是說在基模時諧振腔就調整地非常好，恰恰相反，能夠實現高階模，尤其是圓柱對稱的高階模，諧振腔的對稱性才最好。圖2是實驗中觀察到的TEM01模式，圖2（a）是通過擴束鏡后照射在白紙上拍照形成的，圖2（b）是實時觀測到的圖像。雖然擴束鏡給出的結果看上去更清晰一些，但擴束鏡是個短焦透鏡，在使用中的調整還是有些不方便。包括入射光的位置選擇，擴束后拍照位置的選擇等，都需要一定的技巧和經驗。而實時觀測系統只要攝像頭固定好了，基本不用再調整，需要做的就是在電腦端記錄下比較理想的圖像。

圖3是一個非常難以獲得的模式，該模式在教科書中比較常見，大多數圖像都是給出的理論模擬圖像，如3（a）所示。該模式的獲得需要諧振腔的圓柱對稱性得以滿足，而這個條件在氣體放電中往往很難滿足，實驗中也是在多次調整過程中偶然獲得，而且重復性也很難保證。

實驗過程中還獲得了許多模式，這里就不一一展示。對于開展激光實驗，可以對照教科書上的模式一一嘗試，如果能夠獲得當然最好，可以理論結合實驗來加深認識。如果實驗中不能夠獲得某個模式，比如需要圓柱對稱很好的模式，也可以結合實驗條件加以解釋。當然實驗中往往會得到許多課本中所沒有的一些模式，這些模式往往是好幾個模式的疊加，可以利用現有的幾個模式通過疊加而獲得。這也能更好地認識諧振腔的理論，理論上給出的都是單一的模式分布，而實驗中大部分情況是多個模式的疊加。

四、小結

利用Matlab的圖像處理功能，介紹了攝像頭的獲取，圖像的獲取、存儲及后期處理方法。利用該方法實現了激光光斑圖像的實時獲取，從而可以實現激光模式的二維或三維實時在線顯示。對激光實驗中獲得的模式結合理論進行了一定分析，對實驗上不能獲得的模式以及教材中不存在的模式進行了討論。通過實驗研究和理論對比，能夠對了解激光諧振腔理論提供一定的幫助。

參考文獻：

[1]周炳琨，高以智，陳倜嶸，等.激光原理[M].5版.北京：國防工業出版社，2005：26-27.

[2]陳鋼，徐海磊.圓形鏡平面腔數值迭代計算[J].實驗室研究與探索，2011，30（9）：42-45.

[3]陳鋼.激光原理諧振腔衍射理論教學探索[J].中國科教創新導刊，2011.09（25）：72-73.

[4]王玉芝，付恩生，王兵，等.CO2激光模式和能量分布的測量[J].激光雜志，1991，12（5）：237-239.

[5]徐慶鴻，陳彥斌，孟慶友，等.激光橫向模式的針掃描測量法[J].光學機械，1992，128（5）：27-31.

[6]王文鵬，許周速，徐軍，陳鋼.封離式He-N2-CO2激光器橫模特性的測量與分析[J].物理學報，2009，（8）：5423-5428.

[7]盧炳嵩.激光器模式分析實驗教學探討[J].阜陽師范學院學報，1996，29（3）：89-91.

A Simple Observing System for Laser Transverse Mode

CHEN Gang

（Department of Applied Physics，College of Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310023，China）

Abstract：In order to observe the transverse mode conveniently，a real time technology is designed to obtain the laser mode using the camera acquirement method in Matlab. Then the 2D or 3D graph of laser mode was displayed real-time on the computer by calculating the gray value of graph data. This method has the advantages of simple structure and low cost. It is benefit to the experiment of observing the laser mode real-time.

Key words：laser mode；Matlab；on-line observation；image processing