《激光原理实验指导zhangli》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光原理实验指导zhangli（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、激光原理实验指导书张 莉 编写电子信息工程学院光信息科学与技术教研室2009年5 月目录实验一 He-Ne激光器的装调与参数测试实验二 He-Ne激光器模式分析实验三 激光偏振特性测量实验四 激光器光束强度分布与发散角测量实验五 高斯光束参数测量实验六 高斯光束的聚焦与准直实验一 He-Ne 激光器的装调与参数测试一、实验目的1 熟悉谐振腔的构成。2 掌握He-Ne激光器的调整的方法，体会谐振腔调整后一些激光参数的变化。二、实验原理氦氖激光器（简称He-Ne激光器）是最常用的连续工作气体激光器，由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成。，
2、以结构形式不同可分为内腔式、半内腔式和外腔式激光器，如图1-1所示图 1-1内腔式He-Ne激光器的腔镜封装在激光管两端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、输出镜及全反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输出镜与全反镜之间平行度，使激光器工作时处于输出镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态。在激光管的阴极、阳极上串接着镇流电阻,防止激光管在放电时出现闪烁现象。氦氖激光器激励系统采用开关电路的直流电源，体积小，份量轻，可靠性高，可长时间运行。对He-Ne激光器而言增益介质就是在毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦、氖气体，当氦、氖混合气体被电流激励时，在氖原子的一对能级间造成粒子数反转，输出受
3、激辐射，使介质具有增益。介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。对谐振腔而言，腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。由于谐振腔的作用，使受激辐射光在谐振腔内来回发射，多次通过激活介质而不断加强。如果单程增益大于单程损耗，即满足产生激光的阈值条件时，则有稳定的激光输出。三、实验设备He-Ne激光器、激光电源、激光功率计。四、实验内容1、半内腔He-Ne 激光器的谐振腔设计（确定He-Ne 激光腔的稳定工作区域）2、根据自己的设计，调出激光来，测量功率，记录腔长五、实验方法提示图 1-2用光靶调节见图1-2。将氦氖激光管开启，辉光点燃
4、，把光靶小灯泡点亮。此时，光靶的十字叉丝被照亮。在十字叉丝中间有一小孔，眼睛通过小孔，看到激光管的毛细管另一端，被谐振腔A 反射到眼睛中的一个“小白点”（即眼睛、小孔、毛细管在一条直线上）。除此以外，眼睛同时还看到被谐振腔B 反射回的光靶的十字叉丝像。此时的十字叉丝像可能在图3的某一位置，调节谐振腔B 架后的两个螺丝，使十字叉丝完全落在小孔的正中间，见图4。 图 三 图 四这说明谐振腔（反射镜）与激光管管内的毛细管完全垂直，此时，应马上有激光射出。若谐振腔与毛细管光轴调节的范围大于就不出激光，还需继续调节谐振腔的两个螺丝，直到谐振腔与毛细管光轴调节范围小于，激光才能出来，否则不出光。思考题：1
5、、He-Ne 激光管中的布儒斯特窗有什么作用？实验二 He-Ne激光器模式分析相对一般光源，激光具有单色性好的特点，也就是说，它具有非常窄的谱线宽度。这样窄的谱线，不是受激辐射后自然形成的，而是受激辐射经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉后形成的。所形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的谱线就是激光器的模。每个模对应一种稳定的电磁场分布，即具有一定的光频率。相邻两个模的光频率相差很小，我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个模。当从与光输出的方向平行（纵向）和垂直（横向）两个不同的角度去观测和分析每个模时，发现又分别具有许多不同的特征，把纵向观察的模称为纵模，它是指可能存在于腔内的每一种驻
6、波场，用模序数q描述沿腔轴线的激光场的节点数。把横向观察到的模称为横模，它是指可能存在于腔内的每一种横向场的分布，用模序数m和n表示。在激光器的生产与应用中，我们常常需要先知道激光器的模式状况，如精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等不仅要求基横模，而且要求单纵模运行的激光器。因此，模式分析是激光器的一项基本而又重要的性能测试。一、实验目的1了解激光器的模式结构，加深对模式概念的理解。2通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。3对本实验使用的分光仪器共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。二、实验原理1激光器模的形成图 2-1 粒子数反转分布我们知道，
7、激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，如图2-1所示。实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图2-2所示，图中为光的增益系数。只有频率落在这个范围内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的图 2-2 光的增益曲线光程
8、差应是波长的整数倍，即 （2-1）式中，为折射率，对气体1；为腔长；为正整数。这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极大增强。每一个对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，称作纵模序数。是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值，而关心的是有几个不同的值，即激光器有几个不同的纵模。从（2-1）式中，我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，值反映的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为 （2-2）同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 （2-3）从（2-3）式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻纵模频率间隔越小，满足振荡条件
9、的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。图 2-3 纵模和纵模间隔 光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着多种损耗，使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面的透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等。所以，不仅要满足谐振条件，还需要增益大于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。如图2-3所示，有五个纵模满足谐振条图 2-3 纵模和纵模间隔件，其中有两个纵模的增益小于损耗，所以，有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测，由于值很大，相邻纵模频率差异很小，一般的分
10、光仪器无法分辨，必须使用精度较高的检测仪器才能观测到。谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的场分布，那么对横向是否也会产生影响呢？回答是肯定的，这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次衍射，多次反复衍射，就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。图2-4中，给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加。激光的模式用来表示，其中，、为横模的标记，为纵模的标记。是沿X 轴场强为零的节点数，是沿Y 轴场强为零的节点数。图 2-4 常见的横模光斑图前面已知，不同的纵模对应不同的频率，那么同一个纵模序数内的不
11、同横模又如何呢？同样，不同的横模也对应不同的频率。横模序数越大，频率越高。通常我们也不需要求出横模频率，我们关心的是不同横模间的频率差。经推导得 （2-4）其中，、分别表示X、Y方向上横模模序差，、为谐振腔的两个反射镜的曲率半径，相邻的横模频率间隔为 （2-5）从上式中还可看出，相邻的横模频率间隔与相邻的纵模频率间隔的比值是一个分数，如图2-5所示。分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定，腔长与曲率半径的比值越大，分数值越大。当腔长等于曲率半径时（），分数值达到极大，即横模间隔是纵模间隔的1/2，横模序数相差为2的谱线频率正好与纵模序数相差为1的谱线频率简并。图 2-5 纵模、横模的分布激光器
12、中能产生的横模个数，除前述增益因素外，还与放电毛细管的粗细，内部损耗等因素有关。一般说来，放电毛细管直径越大，可能出现的横模个数就越多。序数越高的横模，其衍射损耗越大，形成稳定的振荡就越困难，但激光器输出光中横模的强弱绝不能仅从衍射损耗一个因素考虑，而是由多种因素共同决定的。这是在模式分析实验中，辨认哪一个是高阶横模时易出错的地方。因为，仅从光的强弱来判断横模阶数的高低，即认为光最强的谱线一定是基横模，这是不对的，而应根据高阶横模具有高频率来确定。横模频率间隔的测量同纵模频率间隔的测量一样，需借助展现的频谱图进行计算。但阶数和无法仅从频谱图上确定，因为频谱图上只能看到有几个不同的，可以测出的差
13、值，然而不同的或可对应相同的，在频谱图上则是相同的，因此要确定和各是多少，还需结合激光器输出的光斑图形进行判断。当我们对光斑进行观察时，看到的是全部横模的叠加图，即图2-4中几个单一态光斑图形的组合。当只有一个横模时，很容易辨认。如果横模个数比较多，或基横模很强，掩盖了其它横模，或某高阶模太弱，都会给分辨带来一定的难度。但由于我们有频谱图，知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系，就可缩小考虑的范围，从而能准确地确定出每个横横的和值。2共焦球面扫描干涉仪共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，它已成为激光技术中一种重要的测量设备。本实验就是通过它将彼此频率差异甚小（几十至几百MHz），用一
14、般光谱仪器无法分辨的各个不同的纵模、横模展现成频谱图来进行观测的。在本实验中，它起着关键作用。共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔，它由两块球形凹面反射镜构成共焦腔，即两块反射镜的曲率半径和腔长相等（）。反射镜镀有高反射率膜。两块反射镜中的一块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷环上，如图2-6所示。图中，为由低膨胀系数材料制成的间隔圈，用以图 2-6 共焦球面扫描干涉仪内部结构示意图 2-7 共焦球面扫描干涉仪内部光路图保持两球形凹面反射镜和总是处在共焦状态。为压电陶瓷环，其特性是若在环的内外壁上加一定数值的电压，环的长度将随之发生变化，而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性
15、关系，这是扫描干涉仪被用来扫描的基本条件。由于长度的变化量很小，仅为波长数量级，所以，外加电压不会改变腔的共焦状态。但是当线性关系不好时，会给测量带来一定误差。当一束激光以近光轴方向射入干涉仪后，在共焦腔中经四次反射呈X形路径，光程近似为4，见图2-7所示。光在腔内每走一个周期都会有一部分光从镜面透射出去。如在A、B两点，形成一束束透射光1、2、3图 2-7 共焦球面扫描干涉仪内部光路图 和、我们在压电陶瓷上加一线性电压，当外加电压使腔长变化到某一长度，使相邻两次透射光束的光程差是入射光中模波长为这条谱线波长的整数倍时，即满足 （2-6）模将产生相干极大透射（为扫描干涉仪的干涉序数，为一个正整数），而其它波长的模则不能透过。同理，外加电压又可使腔长变化到，使模极大透射，而等其它模又不能透过因此，透射极大的波长值与腔长值之间有一一对应关系。只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器
