原创《一种简易的激光横模观测系统》
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陈钢
（浙江工业大学理学院应用物理系,浙江杭州310023）
摘 要：为了方便地观测激光的横模特性,利用Matlab的摄像头编程技术,实时获取激光的光斑图像.再利用图像数据处理方法,将激光强度转化为可以方便显示的灰度值,从而可以实现激光模式的二维或三维实时在线显示.该方法结构简单,成本低,可以方便地开展激光模式的实时观测,为激光模式观测提供一个可以借鉴的方法.
关键词：激光模式；Matlab；在线观测；图像处理
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）51-0267-02
收稿日期：2016-08-02
基金项目：浙江工业大学校级精品在线开放课程建设项目（JPZX1514）
作者简介：陈钢（1975-）,男,陕西西安人,博士研究生,副教授,研究方向：电磁场理论,激光物理.
一、引言
在激光类的课程教学过程中,谐振腔理论是一个非常重要的内容.该部分内容比较抽象,而且数学知识较多,其中激光横模特性更加抽象.为了解横模特性,理论上主要是从菲涅耳—基尔霍夫积分衍射方程出发,求得其近似解析解,或者利用数值迭代的计算方法.实验上可以有热成像,线性扫描,激光模式分析仪来进行直观地观测.教学上激光实验的开展主要还是围绕激光谐振腔来实验,激光模式的观察与控制就显得非常重要.因此,需要能够实时地显示激光模式的变化,当谐振腔参数变化时,模式是如何地变化等,使学生能更好地了解模式与腔的关系.本文正是在这样一个背景下,围绕如何控制各个模式的出现与观测,以及分析其形成与消亡的原因,自行制作了一套简易的模式观测实时显示系统.
二、实验装置
实验中用到的摄像头为普通的USB接口的摄像头,编程用Matlab 2007以上的版本,利用Matlab对摄像头进行编程不需要写太多代码,帮助中给出的例子程序就够用了.下面给出编程的主要代码,方便参考.获取摄像头vid等于videoinput（´winvideo´）；获取图像大小vidRes等于ge（t vid,´VideoResolution）´；imWidth等于vidRe（s 1）；imHeight等于vidRes（2）；nBands等于get（vid,´NumberOf-Bands´）；设定图像大小hImage等于image（zeros（imHeight,imWidth,nBands））；set（gca,´unit´,´pixels´,´position´,[35145 imWidth imHeight]）；此处的35和145是屏幕上相对位置.预览图像preview （vid,hImage）；捕获图像frame等于getsnapshot（vid）.
图像数据存在三维数组frame里面,其结构是[x,y,Value],value 代表了各个点的RGB 值, 利用z等于（30*R+59*G+11B）/100,可以转换成相应灰度值.这样就生成一组[x,y,z]的数据,x,y表示光斑位置,z代表灰度值,也就是光强,这样就可以绘制出一幅光斑模式的二维或三维图,对于基模等都能做到很方便地观测与分辨.
实验中用的激光器为开腔He-Ne激光器,最大输出功率小于5mw.为了避免摄像头产生饱和,以至于观测到一片白色,无法对其强度做出分辨.我们尝试让摄像头获取激光器全反镜透出的光斑,先照射到一张黑纸上,然后TEM00、低阶模TEM01,TEM10用摄像头获取照射面的图像.这样不但避免了散射对光的均匀化,也不会产生饱和作用,实验证明：这种方法简便易行,对观测结果没有影响,而且可以做到实时动态显示.
三、实验结果
激光器稳定运转后,首先调节谐振腔,使激光器输出基模,对于小功率激光器,一般都能够满足.基模图像如图1（a）所示,这是光斑直接照在白墙上拍照所得.图1（b）是用实时观测系统在电脑端显示的图像,这里给出的是一个三维的相对光强分布.相对二维分布,三维光强分布能够体现出高斯光束高斯分布的特点.图像中心由于光强饱和,显示出一个平顶,所以对观测系统,后续的图像数据处理还可以不断优化.
高阶模式的获得可以将输出镜的调整螺丝轻微扭动,当获得一个稳定的模式输出时停止.这并不是说在基模时谐振腔就调整地非常好,恰恰相反,能够实现高阶模,尤其是圆柱对称的高阶模,谐振腔的对称性才最好.图2是实验中观察到的TEM01模式,图2（a）是通过扩束镜后照射在白纸上拍照形成的,图2（b）是实时观测到的图像.虽然扩束镜给出的结果看上去更清晰一些,但扩束镜是个短焦透镜,在使用中的调整还是有些不方便.包括入射光的位置选择,扩束后拍照位置的选择等,都需要一定的技巧和经验.而实时观测系统只要摄像头固定好了,基本不用再调整,需要做的就是在电脑端记录下比较理想的图像.
图3是一个非常难以获得的模式,该模式在教科书中比较常见,大多数图像都是给出的理论模拟图像,如3（a）所示.该模式的获得需要谐振腔的圆柱对称性得以满足,而这个条件在气体放电中往往很难满足,实验中也是在多次调整过程中偶然获得,而且重复性也很难保证.
实验过程中还获得了许多模式,这里就不一一展示.对于开展激光实验,可以对照教科书上的模式一一尝试,如果能够获得当然最好,可以理论结合实验来加深认识.如果实验中不能够获得某个模式,比如需要圆柱对称很好的模式,也可以结合实验条件加以解释.当然实验中往往会得到许多课本中所没有的一些模式,这些模式往往是好几个模式的叠加,可以利用现有的几个模式通过叠加而获得.这也能更好地认识谐振腔的理论,理论上给出的都是单一的模式分布,而实验中大部分情况是多个模式的叠加.
四、小结
利用Matlab的图像处理功能,介绍了摄像头的获取,图像的获取、存储及后期处理方法.利用该方法实现了激光光斑图像的实时获取,从而可以实现激光模式的二维或三维实时在线显示.对激光实验中获得的模式结合理论进行了一定分析,对实验上不能获得的模式以及教材中不存在的模式进行了讨论.通过实验研究和理论对比,能够对了解激光谐振腔理论提供一定的帮助.
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激光论文参考资料：
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