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1、激光原理实验指导书燕山大学信息科学与工程学院光电子工程系2006年1月目 录实验一 He-Ne激光器增益与损耗的测量（1）实验二He-Ne激光器的模式分析（7）实验三 声光调Q技术（15）实验四 半导体激光器实验（20）实验五 选频CO2激光器实验（26）实验一 He-Ne激光器增益与损耗的测量 一台激光器的小信号增益系数、腔内损耗是重要的激光参数，直接影响着激光器的输出功率。本实验在外腔激光器中用全反射腔镜，在腔内插入可旋转平行板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光器的输出功率随平行板的旋转角而改变。旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。通过测量激光输出功率与等效透射率的关系，获得与。一
2、、实验目的1加深理解激光器增益与损耗的概念。2掌握测量氦氖激光器小信号增益系数与损耗的原理和方法。二、实验原理1激光输出功率与激光参数的关系当一台激光器形成稳定振荡时，激光在腔内往返运行一周获得的总增益等于总损耗，用公式表示为 （1-1）式中为增益介质长度，表示光强为时的增益系数，为总损耗。包括衍射损耗，增益介质的吸收、散射损耗、腔镜的透射、吸收、散射损耗，以及布儒斯特窗片的反射、吸收、散射损耗等。为了简化把总损耗分作两部分=+ （1-2）表示腔镜的透射损耗，表示除腔镜透射损耗以外的所有损耗，既除腔镜透射损耗外，激光在腔内往返运行一周光强衰减的比率。对于输出波长为632.8nm的长腔激光器来说
3、，增益饱和规律由下式描述= （1-3）式中，为小信号增益系数，为饱和光强。把（1-1）式、（1-2）式代入（1-3）式得 （1-4）在实验中直接测量的是激光输出功率，输出功率与腔内功率的关系为=。腔内激光光强与腔内激光功率的关系为，为光束截面积。因此（1-4）式可写成 （1-5）式中，为腔内饱和功率。由（1-5）式可知，激光的输出功率与饱和光强及小信号增益系数成正比，只有两者均很大时，才能获得大的激光输出功率。输出功率与腔内损耗成反比，腔内损耗增大，输出功率减小。输出功率与透射率有二次曲线关系，当透射率较小时，输出功率随透射率的增加而增大；当透射率较大时，输出功率随透射率增加而减少。在适当透射
4、率处，输出功率有极大值，如图1-1所示。对应极大输出功率处的透射率叫最佳透射率，对（1-5）式求极大值可得 (1-6)也是激光器的重要参数，随小信号增益系数的增加而增大，当腔内损耗不太大时，最佳透射率也随腔内损耗增加而增大。图 1-1 激光输出功率与透射率的关系2数据处理（1）用作图法求激光参数从图1-1可见，每个输出功率值对应两个透射率值、。取（，）和（，）分别代入（1-5）式，并消去得 (1-7)在曲线上取若干个值及对应的、值，作-直线，从直线斜率可得腔内损耗 (1-8)取=0，从直线与（+）轴相交的截距可得 （1-9）（2）用极值法求激光参数从图上，取输出功率趋于零时的极大透射率 ,这时
5、腔内的激光功率也趋于零，根据（1-5）式则有 （1-10）从图上取输出功率为极大值处的等效透射率为最佳透射率，用（1-10）式和（1-6）式联立得 （1-11） （1-12）三、实验仪器1实验装置氦氖激光器参数测量系统如图1-2所示。图 1-2 实验装置示意图Las为氦氖气体放电管。SN为永磁铁氧体，对放电管产生非均匀磁场，抑制3.39m谱线的超辐射。M1、M2是全反射腔镜，相距1.17m，用平凹腔或非对称非共焦腔均可，本实验中两反射镜的曲率半径均为3m。M是透明的平行平面镜，一般用熔石英材料，其插入损耗小，也可用玻璃材料，玻璃材料的优点是对3.39m谱线有吸收，对3.39m的激光或超辐射有抑
6、制作用，缺点是插入损耗比熔石英大，影响最佳透射率的准确测量。M镜要有一定的厚度，以免M镜两表面的反射光束重叠产生干涉，影响测量结果，M镜的厚度应大于2mm。SP为带刻度的转台，转角精度不低于1,转台中心安有可调节的平台，平台面的高低及倾斜用三支螺丝调节，M镜放置在平台上，转台已固定在激光器的底座上，转轴已与放电管的管轴垂直，并与激光束相交。D1、D2为激光功率计，用来测量从M镜两表面反射的激光功率。2M镜的等效透射率M镜的光路如图1-3所示，光束1的反射率为，光束2和光束3的反射率为图1-3 M镜光路，光束4的反射率为，M镜的其它反射光束与的高次方成正比，因很小可忽略。腔内激光通过M镜的反射实
7、现输出，所以M镜两表面的反射率可等效于输出镜的透射率。M镜的等效透射率为 （1-13）其中值由菲涅耳公式求得 （1-14）式中为激光束在M镜上的入射角，n为M镜在632.8nm波长处的折射率。本实验使用的M镜由熔石英制成，其折射率为1.45728，布儒斯特角=553230。熔石英材料的反射率、等效透射率与入射角的关系由表1-1给出。四、实验内容及步骤 1开启激光功率计，进行预热。表1-1 熔石英材料的入射角和等效透射率2开启激光电源，调节输出电流，使输出电流为16mA（最佳工作电流）。3把M镜放置在平台上，要使M镜的入射表面与转台转轴相交，以保证M镜在转动过程中入射点基本不变。入射角/()反射
8、率等效透射率入射角/()反射率等效透射率56.59.42810-53.7710-464.50.012470.0486557.00.000220.0009065.00.014290.0555457.50.000410.0016565.50.016280.0629758.00.000670.0026766.00.019040.0711558.50.000990.0039666.50.020840.0799659.00.001390.0055567.00.023430.0894259.50.001870.0074567.50.026260.0996560.00.002430.0096868.00.0
9、29320.1106160.50.003090.0122868.50.032640.1223361.00.003840.0152469.00.036240.1348361.50.004700.0186269.50.040140.1481762.00.005670.0224370.00.044340.1623262.50.006760.0266170.50.048880.1773363.00.007970.0314771.00.053780.1931963.50.009320.0366071.50.059060.2099264.00.010820.0423672.00.064740.227524
10、在布儒斯特窗反射光束的远处放一光屏，转动转台，使M镜的反射光斑在光屏上靠近布儒斯特窗的反射光斑。若两光斑有上下位置差，则调节平台下方的螺丝使两光斑重合，此时M镜的法线与转台转轴相互垂直（注：本装置中已将布儒斯特窗的法线调节到与转台的转轴相垂直的状态）。5使激光束在M镜上入射角为0时，转台的读数也为0。6选择激光功率计的测量波长为633nm，量程为20 mW，然后调节激光功率计的零点。7M镜从布儒斯特角附近开始（例如，从56.5开始），入射角每增加0.5测量一次激光输出功率，直到输出功率为零 。测量过程中要注意以下两点：（1） M镜每改变一次角度，M2镜都需进行仔细的调整，使输出功率达到最大；（
11、2） 尽量使激光束垂直地照射在光电探测头光敏面的中心位置附近。8根据入射角与等效透射率的关系，以等效透射率为横轴，输出功率为纵轴，在坐标纸上作输出功率与等效透射率的关系曲线。由于每个实验数据都有一定的误差，所以，所作的曲线不一定要通过每个实验点，要根据实验点的总体趋势，把实验点连成光滑的曲线。9用作图法或极值法求出小信号增益系数和腔内损耗。注：氦氖气体放电管的长度=1.000m 。五、思考题1为什么每改变一次M镜的角度，M2镜都需进行仔细的调整？六、注意事项1要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束。实验过程中，禁止用手触摸电极；实验完成后，如马上搬动电源，须先将电源输出端短路，使电源内的电
12、容放电，以防止高压击人事件的发生。2由于本参数测量系统谐振腔的反射镜已事先调节完毕，学生进入实验室后切勿随意调节反射镜调节架上的调节钮。否则，有可能需要重新调节反射镜，使实验无法在规定的时间内完成。3实验过程中，如需改变激光功率计的量程，要在遮光后进行操作，并重新调节功率计的零点。实验二 He-Ne激光器的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。
13、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，因此，为方便每个模又相应称作纵模和横模。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
