武大光科激光原理四個實驗

PAGEPAGE31實驗一大功率氦氖激光器的安裝與調(diào)試實驗【實驗目的】通過對He-Ne激光器的安裝與調(diào)試熟悉氣體激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理。學會調(diào)整光學諧振腔的基本方法。要求將激光器調(diào)整到有最佳輸出狀態(tài)?！緦嶒炘怼亢?-氖激光器是一種原子氣體激光器，它主要由放電管、光學諧振腔、激勵源三部分組成。激光器的結(jié)構(gòu)因放電管和諧振腔鏡片的連接方式不同而有內(nèi)腔式、外腔式、半內(nèi)腔式之分。（1）外腔式（2）半內(nèi)腔式內(nèi)腔式為兩鏡片與放電管分離。對于全外腔的激光器，它的腔是可調(diào)的，反射鏡片和放電管的窗片都暴露在空氣中，雖然生產(chǎn)廠都已進行了防塵封蔽措施，但是隨著使用時間的延長，塵埃、水汽等還是會侵入，污染反射鏡片和窗片，使激光器輸出功率下降，直至不出光。激光器在使用過程中，由于其本身的熱漲冷縮及外界振動等原因，都會使腔變形，也影響著激光器的模式，輸出功率穩(wěn)定性等指標。因此，使用者應該學會必要的維護技術(shù)和調(diào)整技術(shù)。激光器結(jié)構(gòu)示意圖見實驗圖1：實驗圖1激光器結(jié)構(gòu)示意圖【實驗操作與現(xiàn)象】1．檢修指南：(1)激光器不出光時檢查程序：電源一放電管一氣體顏色一反射鏡一布儒斯特窗一諧振腔一毛細管電源激光器被點燃，激光放電管輝光放電，如一個霓虹燈一樣。如果不能輝光放電，首先檢查電源是否有問題。電源出了毛病，則需要修理電源或更換電源。放電管其次檢查放電管。放電管破裂而漏氣或鋁電極嚴重濺射損壞都會點不著。有時雖然能夠點燃，但放電也不穩(wěn)定，一閃一閃的，這是電源與放電管匹配不好而至。放電管的參數(shù)有了變化或者電源出了毛病，都會出現(xiàn)放電不穩(wěn)定。氣體顏色如果能夠點燃，并能穩(wěn)定放電，而由于管內(nèi)工作物質(zhì)的成分發(fā)出變化，也導致無激光輸出。氦氖激光器正常輝光放電是橙紅色。主要觀察陽極和陰極附近的放電顏色。顏色變蘭或蘭紫色，則放電管侵蝕入了空氣。顏色呈乳白色，則是放電管去氣不徹底或侵入水氣。以上情況都屬放電管損壞，必須更換新管芯。反射鏡激光器的反射鏡片嚴重污染，也會使激光器無激光輸出。反射鏡是在光學基片上鍍上多層介質(zhì)膜，有很高的反射率。其反射率的高低，直接影響著激光功率大小。反射鏡受到污染，反射率大大下降，腔內(nèi)光損耗增加，使激光淬滅。長期使用的激光器，可以明顯的觀察反射鏡上有一個小白斑，這點正是激光的作用點。這是由于激光器腔內(nèi)功率非常高，空氣中的塵埃，水汽在激光束的作用下，游離到反射鏡上，使之局部污染，停止激光振蕩。這種局部污染的反射鏡，只要轉(zhuǎn)動一下反射鏡，改變一下激光作用點的位置，還可以繼續(xù)使用。布儒斯特窗布儒斯特窗處于激光腔內(nèi)，它表面狀態(tài)的好壞，對激光功率大小影響非常靈敏。它的外表面落上灰塵或異物，也會導致激光淬滅。這種情況出現(xiàn)，應該對窗片進行清潔處理。諧振腔激光器由于諧振腔失調(diào)而不出激光是一種很常見的情況，在長時間使用中，激光器每次點燃，實際是對激光器加熱，關閉又使激光器冷卻，熱膨冷縮會使腔發(fā)生較大的變化，使些諧振腔失調(diào)，此種情況需調(diào)整諧振腔。振動或誤碰調(diào)腔旋紐等，也都會弓[起激光器失調(diào)，導致不出光。失調(diào)引起不出光的激光器是可以通過調(diào)整來恢復的。毛細管長期使用也會使放電管發(fā)生變形，破壞毛細管的直度，最終都會使激光不出激光。由于毛細管是靠機械結(jié)構(gòu)支撐，在一般情況下不會導致無激光輸出。(2)激光器輸出功率低檢查程序：在使用過程中，激光器功率降低，可以從以下方面查原因：氣體顏色一布儒斯特窗一反射鏡一諧振腔一毛細管氣體顏色首先觀察放電管的放電顏色，來判斷氣體成份有無變化。顏色不正常，說明有雜質(zhì)氣體混入，使激活介質(zhì)的增益降低，功率也隨之下降。這種情況一般無法恢復原功率指標。也有這種情況：由于長時間不使用，顏色有些不正常，主要反映在陰極放電出口處，看上去顏色有些發(fā)淡。則可經(jīng)過一段時間的點燃后，恢復到原來顏色。布儒斯特窗和反射鏡片其次查看反射鏡片和布儒斯特窗片有無污染，在長期的使用過程中，由于環(huán)境的影響，必然會受到空氣中塵埃的污染。所以，有必要對反射和窗片進行適當?shù)那鍧嵦幚?，以保持該激光器有較高的功率輸出及保證其它良好性能指標。諧振腔和毛細管檢查激光器是否失調(diào)(反射鏡失調(diào)或放電毛細管直度失調(diào))。失調(diào)的激光器，其輸出激光束的遠場光斑周圍衍射光比較強，并且不對稱。因此，可以觀察激光束照射在光屏上的光斑圖樣來判斷失調(diào)情況。2，清潔處理(1)膜片清潔處理：吹撣拉擦膜片上落上異物，可取下防塵罩，用吹氣球從膜片的側(cè)面吹。用這種方法可以把一般的浮物吹掉，但要特別注意吹氣球的清潔，否則會越吹越臟。膜片上異物也可以用清潔的棉球(醫(yī)用脫脂綿)輕輕的撣。這時操作需要旋下激光器端面上的擋板，然后旋下鏡片架，用棉球撣。棉球卷在一個小棒上，卷的要疏松。撣時，棉球從膜片的一邊移動到另一邊，切勿來回撣。棉球用過一次后必須換一個沒有用過的位置或換新棉球。這種方法可以去掉附著比較牢的異物。還有一種方法是：將一張鏡頭紙放在膜片上，滴上清洗液，然后用手沿膜片表面的水平方向輕輕的，緩慢的拉鏡頭紙。由于清洗液的作用，使鏡頭紙緊緊的在膜片表面運動，把污物帶走。操作時注意清洗液要滴的適量，在鏡頭紙離開膜片前，清洗液必須揮發(fā)完，以鏡頭紙拉出后膜片上不留有清洗液為佳。硬膜片是可以用高質(zhì)量的鏡頭紙或棉球擦洗的。一般是將半張優(yōu)質(zhì)鏡頭紙，折成幾折，成為約10X10mm2大小的紙塊，用鑷子或止血鉗夾住，加上適量的溶劑。溶劑應是分析純的，常用丙酮或者乙醇和乙醚(3：1)的混合物，用帶有清洗劑的紙塊從膜的一端慢慢的、力量適度的擦到另一邊。一塊鏡頭紙只擦用一次。(2)布儒斯特窗的清潔處理：布窗是用高質(zhì)量的光學玻璃或石英制成。布窗內(nèi)面已經(jīng)封在放電管里，不在有外界污染問題。而另一表面暴露在空氣中，在長期的使用過程中，會有灰塵或異物落在表面，使光功率下降，甚至沒有激光輸出。所以有必要對它進行清潔處理。它的處理方法是：小心取下防塵罩。防塵罩是用透明塑料膠片卷制而成，并用膠帶紙將卷口粘牢，應首先取下膠帶紙，從卷口處小心揭開。用清潔的脫脂棉球或疊好的鏡頭紙塊，放上適量的清洗液擦洗(與清洗硬膜片相似)。每擦一次后要更換一次棉球和鏡頭紙，千萬不能來回擦。在擦洗過程中，注意不要讓金屬鑷子或硬物碰傷布窗。清潔布窗應在有激光振蕩情況下進行，并使用功率計監(jiān)視。這樣可以根據(jù)觀察窗片上對激光束散射光的強弱來判斷是否清潔。當觀察到的散射光極弱，甚至幾乎觀察不到時，則說明已經(jīng)擦干凈了，隨之功率也會增高。處理完后，迅速裝上防塵罩。3調(diào)整方法：對激光器進行調(diào)整，實際就是有針對性的調(diào)整其毛細管直度、兩個反射鏡之間的平行度、毛細管與反射鏡的垂直度(以下簡稱直度、平行度、垂直度)，使激光器處于最佳狀態(tài)，獲得滿意的性能指標。以下介紹幾種方法：(1)十字光靶法(自準直法)這種方法是用于調(diào)整反射鏡片與毛細管軸的垂直度失調(diào)而導致不出光的激光器。調(diào)整工具稱之為十字光靶，它是由一個光屏和照明小燈組成。光屏用鋁板或鐵板制成，大小約有6cmX6cra，一面涂有白漆，在中間打一個約lmm的小孔，并以小孔為0點畫一個黑色十字叉絲線。使用時，這個白屏必須用燈照明，因此可將一個燈泡安裝在旁邊，組成一體，便于使用，見實驗圖2。實驗圖2臨時急用時，可用一張較厚的白紙片畫一個黑色十字叉絲線，并扎一個約1mm的小孔做成光屏，用臺燈或手電照明，也成為一個簡單的光靶。首先將激光器點燃，使放電管輝光放電。將十字光靶放在失調(diào)端，十字屏對著激光器，距離在10cm左右。用眼睛通過光靶上的小孔去觀查毛細管的軸心,見實驗圖3。如果太亮，可以在光靶與眼睛之間放入濾光片或戴上防護鏡，顏色為淺紅色或淺綠色。如果被調(diào)的激光器功率較大，為保護眼睛，可在腔內(nèi)插入擋板，擋板放在不調(diào)整的那一端腔內(nèi)的布窗與鏡片之間。也可以放入透明的濾光片等，只要放在腔內(nèi)就可以抑止激光振蕩，防止在調(diào)整時突然出光，直射眼睛。實驗圖3光靶的小孔對準毛細管的軸，并移動光靶的位置，用眼睛觀察，尋找毛細管中心的亮點(關鍵之處)。通過光靶從端面觀察毛細管時，很容易看到毛細管內(nèi)徑的亮斑，所要觀察的亮點是在毛細管孔徑內(nèi)的亮斑，不要誤認毛細管內(nèi)孔的亮班為亮點。看此亮點的要點是：必須沿著毛細管軸心看：必須看毛細管內(nèi)孔的遠處。這個亮點直徑小于0．5毫米。它就是毛細管的軸心，見實驗圖4。當看到小亮點后，輕微移動光靶，使亮點處在毛細管亮斑的中心。此時不必管十字叉絲像所處的位置，只要達到實驗圖5所示狀態(tài)，既說明已將光靶的小孔放在毛細管的軸線上了。實驗圖4實驗圖5光靶的位置不動，繼續(xù)從小孔觀察反射鏡片上被燈照明的十字絲象。見上圖所示。此時光靶的小孔已放在毛細管軸線上了，光靶的位置不能移動，若反射鏡與毛細管垂直，即光靶的十字絲交點也在軸線上，與亮點重合。如反射鏡片與毛細管軸處在失調(diào)狀態(tài)，即不垂直時，所觀察到的鏡片上的十字絲像交點偏離亮點，見圖上右所示。這時就需要調(diào)整反射鏡了。反射鏡是通過旋紐進行調(diào)整。旋紐安裝在激光器的端面上，一般設計成正交調(diào)節(jié)，即兩個旋紐調(diào)節(jié)時，分別使反射鏡片繞X軸和Y軸擺動。出光端的旋鈕探出在外面，可直接用手旋動。后端的旋鈕在殼內(nèi)，使用螺絲刀調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)時，只是旋動，切勿施加壓力。調(diào)節(jié)其中上端的一個旋紐，可觀察到十字絲像的垂直線水平移動，調(diào)至垂直線與中心亮點重合，再調(diào)另一個旋紐，此時十字絲像的水平線垂直移動，也使它與中心亮點重合，見實驗圖7。注意：在快重合時，眼睛微移，以觀察不到亮點為止，這樣即使出光，也不會照射眼睛。反復調(diào)至到十字叉點與小亮點重合，垂直度就調(diào)好了。實驗圖6如果該激光器只是一端失調(diào)，即應出光。如激光器兩端都失調(diào)時，用上述方法分別調(diào)整兩端。在調(diào)整時，由于觀察誤差，很難一次調(diào)整成功出光。所以在兩端都失調(diào)的情況下，一般需要反復調(diào)節(jié)多次。(2)掃描法：這種方法也是上種方法的繼續(xù)。已知激光器只有一端失調(diào)時，但失調(diào)度不大，或者已用十字光靶法將十字絲像調(diào)到與亮點重合，還不出激光，則用掃描法進行調(diào)節(jié)。操作時，兩個旋紐同時調(diào)節(jié)。一個旋紐在原位緩慢的來回旋動或來回步進旋動，另一旋紐在原位較快速的來回旋動。這就相當于鏡片與管軸在基本垂直的位置上掃動，尋找最佳垂直位置，使之出光。在掃動過程中，一旦有激光閃出，就馬上停止旋動。這時只要調(diào)節(jié)快速旋動的那個旋紐，即可找出最佳垂直位置，達到有激光輸出。然后，再用功率計監(jiān)視，仔細反復調(diào)整旋紐，使輸出激光功率升高。(3)跟蹤法：此方法適用于垂直度失調(diào)，但失調(diào)度不大，有激光輸出的情況。激光器雖然有激光輸出，但功率并不高，在分別調(diào)節(jié)反射鏡時，功率也不升高，達不到原功率指標。這是因為兩個反射鏡的平行度雖然已調(diào)好，但垂直度有很小的失調(diào)，此時雖有激光輸出，但功率低，如實驗圖8。實驗圖8在調(diào)節(jié)反射鏡時，無論調(diào)到那一端，都會使功率下降。因為只要調(diào)節(jié)，首先破壞了兩反射鏡的平行度，則功率就會下降，僅僅調(diào)一端反射鏡解決不了反射鏡與毛細管軸的垂直度問題。在此狀態(tài)下，觀察輸出光斑圖樣，其圖樣不呈圓形，又不均勻，也不對稱。在上述情況，激光器的垂直度失調(diào)不大時，很難判斷其失調(diào)的方位。由于有激光輸出，可以用功率計監(jiān)視調(diào)節(jié)。首先調(diào)節(jié)激光器尾端的一個旋紐，順時指針方向旋轉(zhuǎn)一個小角度，有意破壞其平行度，同時觀察功率，使輸出功率下降到原來調(diào)時功率值的1／4。然后再調(diào)節(jié)激光器前端所對應的那個旋紐，如后端調(diào)節(jié)的是反射鏡繞X軸轉(zhuǎn)動的那個旋紐，前端也調(diào)節(jié)反射鏡片繞X軸轉(zhuǎn)動的那個旋紐。實際是用前端鏡片跟蹤后端的鏡片，來恢復兩鏡片的平行度。此時觀察輸出的功率值，如功率比原功率低，說明垂直度更差了，應改為逆時針旋動后端旋紐，前端再跟蹤調(diào)節(jié)。如功率是上升的趨勢，則繼續(xù)跟蹤調(diào)節(jié)，直至垂直度最佳，而平行度也不被破壞，使功率達到最大值。用同樣的方法調(diào)節(jié)另外的那對旋紐，使功率上升到最高值。要獲得最佳垂直度，需要用該方法對兩組旋紐反復進行調(diào)整，最后達到激光功率最大。此時光斑圖樣也達到最佳，光強呈高斯型分布。(4)激光準直法：該方法是較完整的調(diào)整方法。它對直度和垂直度都進行了調(diào)整，可靠性高，很容易使激光器達到最佳狀態(tài)。a．準直光路實驗圖9給出調(diào)整準直光路。實驗圖9它是由一個小型氦氖激光管，小孔光欄和光屏組成。小孔光欄放在氦氖激光準直管的出口端，使光束從小孔穿過。光闌孔為1—1.5mm。光屏放在遠端大約1米遠，屏上畫一個十字線，使光束射到光屏的十字線交點上。這條激光準直線與工作臺面基本平行，高度與被調(diào)激光器出光軸的高度差不多，以便能使激光b．激光器放入光路無激光輸出的失調(diào)激光器，先把兩端的反射鏡取下，將激光器架放在準直光路中，左右移動激光器和調(diào)節(jié)激光器底腳螺絲使激光器上下移動，觀察毛細管前端，讓激光束通過布儒斯特窗進入毛細管。再移動后端，同時觀察光屏上的光斑圖樣。首先應該在光屏上看見穿過的光斑，并移動時要同時注意到前后端。開始在光屏上的光圖樣很散，不規(guī)則，也不在遠處光屏十字中心。則繼續(xù)移動激光器架，使光斑圖樣變小并向十字線交點移動。如果毛細管本身是直的，在進一步仔細移動激光器架，使光屏上的光斑成為衍射環(huán)狀，見圖。斑是一環(huán)一環(huán)的，外環(huán)與內(nèi)環(huán)對稱，亮度也均勻，此時激光器就被準直好了。不必執(zhí)行下一步“毛細管調(diào)直”。c．毛細管調(diào)直如果毛細管不直，光屏上的光斑圖樣也不會好，需要調(diào)整一下毛細管的支撐點，使光斑呈現(xiàn)實驗圖10狀態(tài)。實驗圖10毛細管是由四個可調(diào)的支架支撐，出廠時已用激光準直調(diào)好，一般不必大動。支撐架側(cè)面上下有兩個可調(diào)螺釘，用小螺絲刀插入旋動。調(diào)上面，毛細管左右移動，調(diào)下面，毛細管上下移動。調(diào)節(jié)時，切勿施加壓力，以免支架彈性變形，影響最佳狀態(tài)的調(diào)整。在調(diào)節(jié)時，有個別支點若不隨調(diào)節(jié)移動，可用手輔助加點力。四個支點反復調(diào)節(jié)，后端的支點比前端的支點靈敏。調(diào)到光屏上的光斑圖為最。d．安裝反射鏡毛細管被準直好后，安裝上后端的反射鏡片，一般是全反的凹面鏡。放好后，調(diào)節(jié)鏡片旋紐，使反射光束通過毛細管返回到光欄的小孔處。當光束中心進入小孔光欄后，可以觀察到這條準直光有閃耀現(xiàn)象，認為此鏡片的垂直度已經(jīng)很好。光閃耀現(xiàn)象是由于放入的鏡片與準直激光管輸出端鏡片構(gòu)成一個振蕩空腔，即F—P腔。在這個腔的作用下，激光束在此腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩，光束有強弱變化。接著再裝入前端的反射鏡片，調(diào)節(jié)該鏡片，使其反射的準直光束返回到光欄小孔處。將激光器電源接通，點燃放電管，激光器可出激光，如無光則只要稍調(diào)一下前端鏡片，使返回光點在小孔附近掃描，即可能調(diào)出光。e統(tǒng)調(diào)與清潔處理如果布窗有污染，可對其進行清潔處理。激光器出光后用功率計監(jiān)視著進一步調(diào)前端的反射鏡，以及非常精細的調(diào)整毛細管的直度，使直度、平行度和垂直度都達到最佳狀態(tài)，得到功率最大。毛細管的調(diào)整方法“C”節(jié)。此時，調(diào)節(jié)前端的支點比后端的支點靈敏，兩端的支點比中間的支點靈敏。實驗二氦氖多譜線激光器在增益管長為1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔內(nèi)插入色散棱鏡選擇譜線的方法，在可見光區(qū)分別使氖原子的九條譜線產(chǎn)生激光振蕩。實驗要求掌握He-Ne多譜線激光線器的工作原理及腔型結(jié)構(gòu)的特點；學習外腔式激光器及腔內(nèi)帶棱鏡激光器的調(diào)節(jié)方法；測量各條激光譜線的波長；找出各條譜線的最佳放電電流及測量最大輸出功率。實驗原理一臺激光器除激勵電流外主要由兩部分組成，一是增益介質(zhì)；二是諧振腔。對He-Ne激光器而言增益介質(zhì)就是在兩端封有布儒斯特窗的毛細管內(nèi)按一定的氣壓充以適當比例的氦氖氣體，當氦氖混合氣體被電流激勵時，與某些譜線對應的上下能級的粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益。介質(zhì)增益與毛細管長度、內(nèi)徑粗細、兩種氣體的比例、總氣壓以及放電電流等因素有關。對諧振腔而言腔長要滿足頻率的駐波條件，諧振腔鏡的曲率半徑要滿足腔的穩(wěn)定條件?？傊坏膿p耗必須小于介質(zhì)的增益，才能建立激光振蕩。由于介質(zhì)的增益具有飽和特性，增益隨激光強度增加而減小。初始建立激光振蕩時增益大于損耗，隨著激光的增強而增益逐漸減小直到增益等于損耗時才有持續(xù)穩(wěn)定的振蕩。穩(wěn)定振蕩時的增益叫閾值增益，初始的增益叫小信號增益。小信號增益與閾值增益之差越大，腔內(nèi)的激光強度越強，對小信號增益很低的激光譜線是否能獲得激光振蕩，關鍵在于諧振腔的損耗能降低到什么程度。1、在可見光區(qū)激光譜線的小信號增益系數(shù)在氦氖混合氣體的增益管中氖原子的3S2能級對2Pi（2Pi是2P1，2P2，…，2P8，2P10九個能級的簡稱，3S2-2P9的躍遷是違禁的）九個能級之間能夠產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益，九條譜線的小信號增益系數(shù)G0如表1所示。測量時各譜線的放電電流值不相同；表中相對增益系數(shù)是用用光譜相對強度研究氦氖放電管的增益特性的裝置測得的，各譜線的放電電流相同。表1He-Ne3S2-2Pi譜線的小信號增益系數(shù)躍遷能級激光波長小信號增益系數(shù)G0/cm-1相對增益系數(shù)3S2-2P17304.837.0×10-50.113S2-2P26401.070.413S2-2P36351.850.113S2-2P46328.176.5×10-41.003S2-2P56293.740.183S2-2P66118.011.0×10-40.163S2-2P76046.133.5×10-50.063S2-2P85939.313.0×10-50.053S2-2P105433.651.5×10-50.03諧振腔的穩(wěn)定條件激光器的諧振腔是由兩塊相距為L，曲率半徑分別為球面的反射鏡組成。要使腔內(nèi)近軸傳播的光線多次來回反射不會逸出腔外，腔鏡的曲率半徑級腔長必須滿足（1）對平凹腔來說，若R2＝∞，穩(wěn)定條件為0<(1-L/R1)<1，則凹面鏡的曲率半徑必須大于腔長。對于對稱腔，R1＝R2＝R，穩(wěn)定條件為(1-L/R)2<1，則反射鏡的曲率半徑必須大于腔長的一半。由于相對小的曲率半徑對應相對大的發(fā)射角，通常反射鏡的曲率半徑選擇2～5倍腔長。激光振蕩條件建立激光振蕩必須滿足光在增益介質(zhì)中來回運行一次得到的增益足以補償運行中的損耗，用公式表示為（2）式中r1和r2分別為諧振腔兩鏡片上的反射率，La為增益介質(zhì)長度，G為建立穩(wěn)定激光時介質(zhì)單位長度的增益，叫閾值增益系數(shù)。aa為增益介質(zhì)內(nèi)的損耗，包括衍射損耗。兩鏡片總的反射率r與投射率t及吸收散射損耗as的關系有（3）諧振腔反射鏡諧振腔反射鏡鍍有多層光學介質(zhì)膜。實驗使用反射率高達99.9％。而損耗小于0.1％的高質(zhì)量介質(zhì)膜，使低增益激光譜線實現(xiàn)振蕩成為可能。介質(zhì)膜反射率帶寬（即波長范圍）通常為1000左右，實驗中涉及的九條激光譜線覆蓋的波長范圍約2000，需使用兩種或三種不同波長范圍的反射膜片。腔內(nèi)棱鏡在諧振腔中插入色散棱鏡P，如圖1所示。由于棱鏡分光作用，對不同波長其偏向角不同，諧振腔只能對其中一條譜線滿足振蕩條件，而其它波長由于偏離諧振腔光軸，損耗大于增益不能起振。若要改變振蕩譜線，需把棱鏡和諧振腔調(diào)準到使該譜線滿足振蕩條件的位置。棱鏡調(diào)諧波長的方式基本上有兩種，一種是棱鏡的入射角不變，不同波長對應不同出射角，調(diào)諧波長時，棱鏡保持不動，只改變諧振腔反射鏡的方位，使相應波長的光束沿原路返回實現(xiàn)振蕩。另一種是棱鏡出射角不變，反射鏡相對棱鏡不動，當改變波長時，使棱鏡和反射相對入射光做整體轉(zhuǎn)動。后一種也可采用半棱鏡結(jié)構(gòu)，在半棱鏡的出射面上鍍有全反射介質(zhì)膜，取代諧振腔反射鏡。用半棱鏡優(yōu)點是調(diào)節(jié)元件損耗小，缺點是棱鏡的角色散和角分辨減小了一半。本實驗采用第二種方式的全棱鏡結(jié)構(gòu)。圖1色散棱鏡的作用關于棱鏡材料與加工可見光波段He-Ne激光譜線的增益是很小，每厘米約為10-3～10-5量級。在諧振腔內(nèi)插入色散棱鏡必然會增加腔內(nèi)損耗，因此在選擇棱鏡材料和加工時要盡可能減少損耗。棱鏡材料要求透明度高，色散大，熔石英的透明度很好，在可見光區(qū)每厘米長度的吸收率小于0.001，但色散不理想，可用在增益小而譜線間隔相對大的短波長區(qū)。重火石玻璃在可見光區(qū)吸收比熔石英大好幾倍，但色散也比熔石英大幾倍，可用在632.8nm附近譜線間隔密集而增益系數(shù)相對大的光譜區(qū)。棱鏡表面加工光潔度在頂角A附件要求達到I級。棱鏡頂角的設計為了減少光束在棱鏡界面上的反射損耗，光束在棱鏡界面上的入射角應是布儒斯特角θb，同樣從棱鏡出射的光束也是布儒斯特角，如圖2所示。從圖中光線的幾何關系可知棱鏡頂角A應滿足（5）式中為棱鏡材料內(nèi)的布儒斯特角，n0為棱鏡所用波段中心波長的折射率。實驗中提供了兩塊棱鏡供選用，一塊為熔石英，棱鏡頂角為A＝68o55′，另一塊為重火石玻璃，棱鏡頂角為A＝61o52′，中心波長均為632.8nm，各種波長都以632.8nm的布儒斯特角θb,633為出射角，各種波長相應的入射角θλ可用下式求得：（6）式中nλ表示相應波長的折射率，其數(shù)值是根據(jù)文獻【2】給出的特征波長折射率，用內(nèi)插法求得。兩塊棱鏡的數(shù)據(jù)分別由表2和表3給出。圖2棱鏡光路表2重火石玻璃棱鏡激光波長與入射角的關系（A＝61o52′）波長λ/折射率nλ入射角θλ入射角改變量7304.831.6554857o35′-1o29′6401.071.6680259o0′-4′6351.851.6684659o2.6′-1.4′6328.171.6686759o4′06293.741.6689759o6′+2′6118.011.6705259o17′+13′6046.131.6709959o20′+16′5939.311.6721059o28′+24′5433.651.6780660o10′+1o6′表3熔石英棱鏡激光波長與入射角關系（A＝68o55′）波長折射率nλ入射角θλ入射角改變量7304.831.4549355o16′-16′6401.071.4570655o31′-1.5′6351.851.4572155o32′-0.5′6328.171.4572855o32.5′06293.741.4573955o33.3′0.8′6118.011.4579255o37′5′6046.131.4580855o38′6′5939.311.4584655o41′9′5433.651.4603955o54′22′實驗裝置實驗裝置如圖3所示，圖中Las是氦氖氣體放電管，增益區(qū)長1m，氦氖比例為5:1，總氣壓為250Pa，內(nèi)徑2.5mm，放電管兩端封窗為熔石英材料。圖3實驗裝置示意P為色散棱鏡，SP為棱鏡轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺的最小分度為1′。M1，M2，M3為諧振腔反射鏡，分別裝在兩個調(diào)節(jié)自由度的鏡架上。如圖4所示，圖中M表示裝在鏡架上的反射鏡，a，b為把鏡架支撐在基座上的彈簧螺絲，A，B，C為鏡架微調(diào)螺絲，一般不調(diào)C，調(diào)節(jié)A鈕時鏡片M以CB連線為水平軸作微小轉(zhuǎn)動，調(diào)B鈕時M以CA為垂直軸作微小轉(zhuǎn)動。圖4反射鏡調(diào)節(jié)架M1，M2組成輔助腔，M1為凹面全反射鏡，曲率半徑一般選擇2～3m，M2為平面鏡，反射率要求不嚴格，一般大于97％。首先在M1和M2之間調(diào)出6328激光，為調(diào)整棱鏡P和反射鏡M3提供準直光線。M1和M3構(gòu)成帶棱鏡的可調(diào)諧波長的諧振腔。M3的曲率半徑一般選擇3m以上。反射率取決于譜線增益及對輸出功率的要求，反射率大于99.7％的鏡片，適用于波長大于6118的譜線，對波長最短的三條譜線，反射率要求達到99.9％，尤其是5433譜線增益最低，對調(diào)節(jié)精度的要求也是最高的。W表示激光功率計，最小量程10μW，最大量程50mW。WDG表示W(wǎng)DG-30型光柵單色儀，用來鑒別激光波長。波長精度為1，入縫處用毛玻璃減光，出縫處可用目鏡直接觀測。實驗內(nèi)容及要求諧振腔的調(diào)整諧振腔的調(diào)整偏差諧振腔的調(diào)整要使腔的光軸與放電毛細管的管軸基本重合，其偏差直接影響激光功率的大小。為了便于分析，把諧振腔的調(diào)整偏差分解為平行度偏差δ1和垂直度偏差δ2兩部分。以對稱腔為例，腔鏡M1，M2的曲率中心，其連線為諧振腔的光軸，光軸相對管軸的距離為r，假設允許的最大偏差rm為毛細管直徑D的1/10，則平行度偏差δ1可用M1或M2鏡的偏斜角表示（7）腔鏡的曲率半徑R越大，允許的平行度偏差越小，對調(diào)節(jié)的精度要求越高。圖5平行度偏差示意圖6垂直度偏差示意圖6給出垂直度δ2的示意，鏡M1，M2的曲率中心分別為，分布在管軸的兩側(cè)，位移量為r′，新的光軸為連線，這時M1與M2是相互平行的，只是光軸與管軸有一交角，假設毛細管長等于腔長L，光軸允許的最大偏差在鏡片上用rm表示，由圖中幾何關系可知。（8）諧振腔垂直度偏差δ2可用鏡片的偏角θ表示（9）用（8）式中的代入（9）式得（10）（10）式表明當腔鏡的曲率半徑比腔長大時，允許的垂直度偏差比平行度偏差大。如果腔鏡的調(diào)節(jié)感量（或精度）比允許的垂直度偏差小，當激光器調(diào)出激光后，還可以經(jīng)過精心的調(diào)節(jié)使垂直度偏差減小，從而使激光功率增強。直腔激光器的調(diào)節(jié)方法直腔指腔內(nèi)沒有插入色散棱鏡的激光腔（如圖7(a)所示），調(diào)節(jié)時用到一種叫光靶的調(diào)整工具。光靶的結(jié)構(gòu)是一個帶手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字線并有小燈照明，十字線的中心開有直徑約為0.8mm的小孔。調(diào)整時讓刻有十字線的一面對著激光器的一端，讓眼睛從光靶的背面通過小孔觀察處于放電狀態(tài)的毛細管，能夠看見在反射鏡膜片透光的背景上有一個直徑約為2－3mm的放電毛細管截面，顏色比周圍背景亮。如果小孔處在毛細管軸線附近，在毛細管的截面內(nèi)還應看見一個更亮的只有針尖大的亮點，這就是放電毛細管的軸心。如圖4.7(b)所示，上下左右調(diào)整光靶的位置，使小亮點處在毛細管截面的中心，這是光靶的小孔就處在毛細管的軸線上了。圖7直諧振腔的調(diào)節(jié)下一步的調(diào)節(jié)要使反射鏡的光軸與這條軸線重合，如果反射鏡的法線與管軸偏離不遠，在視場內(nèi)就可以看見通過反射鏡的十字線虛像。調(diào)節(jié)反射鏡架上兩個俯仰A和偏轉(zhuǎn)B螺絲（見圖4），使十字像的中心與毛細管截面中心亮點重合。這時反射鏡的法線與放電管軸線重合。用同樣的方法調(diào)節(jié)另一端反射鏡。如果上述步驟操作準確，激光就會出現(xiàn)。若不出激光可多次重復上述步驟。仍無效時可如下操作，來回微調(diào)A鈕使十字線沿毛細管軸心上下掃描，當兩鏡片接近時可觀察到軸心亮點變亮，把A鈕固定在使軸心最亮的位置上，用同樣的方法調(diào)B鈕。再調(diào)另一面反射鏡，只要出現(xiàn)中心亮點變亮的現(xiàn)象，調(diào)出激光就不難了。激光出現(xiàn)后移去光靶，放上功率計，再仔細調(diào)節(jié)兩個反射鏡架上的A，B鈕，直到激光功率最強。這時兩鏡片在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)是相互平行的，但很可能諧振腔的垂直度偏差還有較大的余量可供改善。使δ2減小的方法如下：設M1，M2鏡架上的調(diào)節(jié)螺絲分別為A1，B1和A2，B2，假設先調(diào)使腔鏡繞水平軸轉(zhuǎn)動的俯仰螺絲A，令A1為主動，則A2為隨動，若順時針方向微調(diào)A1，使激光功率下降少許（不超過十分之一），再調(diào)A2，若激光功率上升說明順時針方向微調(diào)A1是正確的，以上步驟可以繼續(xù)操作，直到調(diào)A2時激光功率不再上升。若一開始調(diào)A2激光功率不上升，應改為逆時針微調(diào)A1，重復上述方法。然后換調(diào)使腔鏡繞垂直軸轉(zhuǎn)動的螺絲B。令B1主動，B2為隨動，方法如前述，當激光功率達到最大時，激光腔的光軸與管軸在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)達到了最佳狀態(tài)。帶色散棱鏡的激光腔調(diào)節(jié)方法如圖3所示，現(xiàn)在M1和M2之間調(diào)出激光并使輸出激光達到最強，再按以下要求操作：棱鏡臺的調(diào)整圖8棱鏡轉(zhuǎn)臺示意棱鏡臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，這是利用小型分光計的轉(zhuǎn)臺改裝的，若自行設計應考慮采用正交調(diào)節(jié)機構(gòu)。圖中o表示棱鏡平臺轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動角度可以從度盤上讀出，讀數(shù)精度為1′。度盤下面還有使平臺轉(zhuǎn)動的微調(diào)螺絲，圖中未畫出。平臺的傾斜用x，y，z螺絲調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)軸的空間方位由基腳螺絲P，Q，V調(diào)節(jié)。棱鏡臺的放置須使PQ的連線與激光束方向平行，并在VO方向移動，使棱鏡臺的轉(zhuǎn)軸與激光束相交。調(diào)棱鏡臺轉(zhuǎn)軸應與放電管布儒斯特窗的入射面垂直，即分別使棱鏡臺轉(zhuǎn)軸與布儒斯特窗上的透射光線和反射光線垂直。用一塊平面鏡放置在棱鏡平臺上，鏡面與xy連線正交，使激光正入射在平面鏡上，調(diào)x或y螺絲使光束沿原路返回，將棱鏡臺轉(zhuǎn)180°若反射光不與入射光重合，說明棱鏡臺的轉(zhuǎn)軸不垂直于激光束。分別調(diào)平臺上的螺絲x或y及轉(zhuǎn)臺的基腳螺絲P或Q各使反射光與入射光的差距減少一半，反復使棱鏡臺轉(zhuǎn)動180°，用上述方法調(diào)節(jié)，直至平面鏡的反射光追蹤從布儒斯特窗上的反射光落于遠處某點的光斑（參考圖9，只把圖中的棱鏡改為平面鏡）。調(diào)棱鏡臺的基腳螺絲V使兩光斑重合。圖9棱鏡調(diào)節(jié)示意色散棱鏡的調(diào)節(jié)棱鏡的調(diào)節(jié)如圖9所示，三棱鏡有兩個通光面，用N1，N2表示。兩通光面的夾角為棱鏡頂角A，另一界面為毛面，圖中用粗線表示。放置棱鏡要注意以下幾點：使入射界面N1與棱鏡臺轉(zhuǎn)軸o大致重合，以便在轉(zhuǎn)動鏡臺時入射光點的位置基本不變；使入射光線靠近棱鏡頂角A，光線在棱鏡中的光程較短，可減少棱鏡材料吸收散射等損耗，但要防止光束從棱鏡頂角前漏過；使棱鏡界面與棱鏡平臺三個調(diào)節(jié)螺絲的連線基本垂直；由于反射鏡M3安裝在棱鏡平臺上，可移動的范圍有限，放置棱鏡時要考慮出射光的方向與M3的方位相符。調(diào)節(jié)棱鏡兩個通光面的法線，使之與棱鏡臺轉(zhuǎn)軸垂直。使N1面對準激光束，調(diào)節(jié)與N1面有關的平臺螺絲x或y，使光束沿原路返回。再使N2面對準激光束，只能選擇調(diào)第三個平臺螺絲z使光束沿原路返回。應注意到調(diào)節(jié)螺絲x對N1，N2面都有影響，此螺絲一般不用。調(diào)M3鏡轉(zhuǎn)動棱鏡臺，使M2輸出的光束以布儒斯特角入射到N1界面上，轉(zhuǎn)動的角度可由棱鏡臺度盤讀出，也可從棱鏡界面反射光強最弱來判斷，角度確定后用棱鏡臺的固定螺絲鎖住。調(diào)整M3鏡臺的中部。在棱鏡頂角A的前方放置一個白紙屏，調(diào)節(jié)M3鏡架上兩個俯仰，水平螺絲，使光束沿原路返回。在調(diào)M3鏡的過程中，在白紙屏上可以看到從棱鏡的兩個側(cè)面上經(jīng)多次反射出的兩串光斑。當兩串光斑各自重合于一點時，表明M3鏡準確地使光束沿原路返回。取下輔助腔鏡M2，如果前面的調(diào)整步驟均達到要求，這時激光就可以在M1和M3之間振蕩。再細致調(diào)節(jié)M3鏡，使激光功率達到最強。轉(zhuǎn)動棱鏡臺的微調(diào)螺絲，其它波長的激光就會相繼出現(xiàn)。測量要求用單色儀測量多譜線激光器輸出的各條激光譜線的波長。找出各條激光譜線輸出功率與放電電流的關系，記下最大激光功率值及相應的最佳電流值。棱鏡和反射鏡的搭配。表4提供了二種棱鏡及三組反射鏡適用的波長范圍。用玻璃棱鏡至少調(diào)出四條激光譜線是實驗的基本要求。表4棱鏡及反射鏡適用的波長范圍棱鏡材料反射鏡編號可調(diào)出的激光波長/ZF2玻璃1，26401，6352，6328，6294，6118熔石英3，46328，6118，6046，5943，5433熔石英5，67305，6328實驗三半導體激光器的P-I特性及調(diào)制實驗一、實驗目的熟悉半導體激光器的結(jié)構(gòu)。掌握半導體激光器的伏安特性、閾值特性和輸出特性。掌握半導體激光器的調(diào)制特性。二、實驗原理1、半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導體激光器大多數(shù)用的是GaAs或Ga1-xAlxAs材料，p-n結(jié)激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。p-n結(jié)通常在n型襯底上生長p型層而形成。在p區(qū)和n區(qū)都要制作歐姆接觸，使激勵電流能夠通過,這電流使結(jié)區(qū)附近的有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，還需要制成兩個平行的端面起鏡面作用，為形成激光模提供必須的光反饋。圖1中的器件是分立的激光器結(jié)構(gòu)，它可以與光纖傳輸線連接，如果設計成更完整的多層結(jié)構(gòu)，可以提供更復雜的光反饋，更適合單片集成光路。2、半導體激光器的閾值條件：當半導體激光器加正向偏置并導通時，器件不會立即出現(xiàn)激光振蕩。小電流時發(fā)射光大都來自自發(fā)輻射，光譜線寬在數(shù)百唉數(shù)量級。隨著激勵電流的增大，結(jié)區(qū)大量粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)射更多的光子。當電流超過閾值時，會出現(xiàn)從非受激發(fā)射到受激發(fā)射的突變。實際上能夠觀察到超過閾值電流時激光的突然發(fā)生，只要觀察在光功率對激勵電流曲線上斜率的急速突變，如圖2所示；這是由于激光作用過程的本身具有較高量子效率的緣故。從定量分析，激光的閾值對應于：由受激發(fā)射所增加的激光模光子數(shù)(每秒)正好等于由散射、吸收激光器的發(fā)射所損耗的光子數(shù)（每秒）。據(jù)此，可將閾值電流作為各種材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)導出一個表達式：（1）這里，是內(nèi)量子效率，是發(fā)射光的真空波長，是折射率，是自發(fā)輻射線寬，是電子電荷，是光發(fā)射層的厚度，是行波的損耗系數(shù)，是腔長，為功率反射系數(shù)。3、橫膜和偏振態(tài)半導體激光器的共振腔具有介質(zhì)波導的結(jié)構(gòu)，所以在共振腔中傳播光以模的形式存在。每個模都有自己的傳播常數(shù)和橫向電場分布，這些模就構(gòu)成了半導體激光器中的橫模。橫膜經(jīng)端面出射后形成輻射場。輻射場的角分布沿平行于結(jié)面方向和垂直于結(jié)面方向分別成為側(cè)橫場和正橫場。輻射場的角分布和共振腔的幾何尺寸密切相關，共振腔橫向尺寸越小，輻射場發(fā)射角越大。由于共振腔平行于結(jié)平面方向的寬度大于垂直于結(jié)平面方向的厚度。所以側(cè)橫場小于正橫場發(fā)散角，如圖3所示；側(cè)橫場發(fā)散角可近似表示為:，表示共振腔寬度。共振腔厚度通常只有左右，和波長同量級，所以正橫場發(fā)射角較大，一般為30°～40°。輻射場的發(fā)散角還和共振腔長度成反比，而半導體激光器共振腔一般只有幾百微米，所以其遠場發(fā)射角遠遠大于氣體激光器和晶體激光器的遠場發(fā)射角。圖3半導體激光器的發(fā)散角半導體激光器共振腔面一般是晶體的解理面，對常用的GaAs異質(zhì)結(jié)激光器，GaAs晶面對TE模的反射率大于對TM模的反射率。因而TE模需要的閾值增益低，TE模首先產(chǎn)生受激發(fā)射，反過來又抑制了TM模；另一方面形成半導體激光器共振腔的波導層一般都很薄，這一層越薄對偏振方向垂直于波導層的TM模吸收越大。這就使得TE模增益大，更容易產(chǎn)生受激發(fā)射。因此半導體激光器輸出的激光偏振度很高。偏振度計算公式（2）4、縱模特性激光二極管端面部分反射的光反饋導致建立單個或多個縱光學模。由于它類似于法布里—珀羅干涉儀的平行鏡面，激光器的端面也常稱為法布里——珀羅面。當平行面之間為半波長的整數(shù)倍時，在激光器內(nèi)形成駐波。模數(shù)m可由波長的數(shù)值得出。（3）式中， L是兩端面之間的距離，n是激光器材料的折射率，是發(fā)射在真空中的波長，模的間隔由確定：（4）對應,模的間隔為（5）半導體激光器典型的光譜如圖4所示；通常同時存在幾個縱模，其波長接近自發(fā)輻射峰值波長。GaAS激光器的縱模間隔的典型值為為了實現(xiàn)單模工作，必須改進激光器的結(jié)構(gòu)，抑制主模以外的所有其他模。圖4半導體激光器的光譜5.半導體激光器直接調(diào)制的原理由圖6.2可以看出當驅(qū)動電流密度大于后，開始發(fā)射激光。發(fā)射激光的強弱直接與驅(qū)動電流的大小近似成正比關系。若把調(diào)制信號加到激光器電源上，即可以直接改變激光輸出光信號的強弱。這種方式簡單，且能在高頻工作，并能保證有良好的線性工作區(qū)和帶寬，因此在光纖通信、光盤和光復印等方面得到廣泛應用。圖6.3所示的是半導體激光器調(diào)制原理的示意圖，其中圖（a）是電源示意圖，圖（b）是輸出光功率與調(diào)制信號的關系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當?shù)钠秒娏?，這樣就可以使輸出的光信號不失真。但是必須注意，把調(diào)制信號源與直流偏置隔離，避免直流偏置源對信號源產(chǎn)生影響，當頻率較低時，可用電容和電感線圈串連來實現(xiàn)。輸出功率（a）電原理圖（b）調(diào)制特性曲線輸出功率（a）電原理圖（b）調(diào)制特性曲線圖5半導體激光器調(diào)制輸出光強信號輸出光強信號直流偏置直流偏置調(diào)制信號調(diào)制信號t直流偏置半導體激光器t直流偏置半導體激光器調(diào)制信號調(diào)制信號實驗裝置1．雙異質(zhì)結(jié)GaAlAs半導體激光器；2．半導體激光器電源；3．激光功率計；4．雙通道示波器；5．高速光電接收器6．信號函數(shù)發(fā)生器實驗內(nèi)容與實驗步驟1．測量半導體激光器的輸出特性；2．半導體激光器調(diào)制；3．半導體激光器的偏振度測量。圖6半導體激光器P-I輸出特性測試光路將半導體激光器跟精密電源后面輸出旋鈕相連，紅線為正，黑線為負，改變電流大小，觀察半導體激光器LD電源電流表（mA）的注入電流。在平臺上放置半導體激光器調(diào)整架和功率指示計探頭，粗調(diào)各調(diào)整架的高度，使其高度大致相等。調(diào)節(jié)將精密電源旋鈕，增大直流源，選擇12欄光探頭的合適孔徑欄，以便于全部的激光功率進入。調(diào)整激光器的激光指向，使激光進入功率指示計探頭，使顯示值達到最大。逆時針旋轉(zhuǎn)電流旋鈕，逐步減小激光器的驅(qū)動電流，并記錄下電流值和相應的光功率值，每2mA測量一次。觀察半導體激光器輸出功率P的變化，重復2次，將試驗數(shù)據(jù)列表。繪出電流－功率（P—I）曲線，即為半導體激光器的電光特性曲線。確定半導體激光器的閾值電流。換臺半導體激光器，將信號函數(shù)發(fā)生器的信號（TTL）接入半導體激光器電源，把調(diào)制信號連接到示波器.利用高速光電探測器采集調(diào)制后的光束，將放大處理后的信號與示波器另一通道連接，對比兩信號的波形情況。測量輸入調(diào)制信號在1V、3V、10V三組電壓分別在3HZ，10HZ,30HA,100HZ,1kHz、3kHZ、10kHz條件下時，光輸出信號的電壓與頻率。10．根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析調(diào)制信號與輸出光強信號間是否存在線性關系。【思考題】半導體激光器與氦－氖激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理有何異同？半導體激光器的調(diào)制方式是內(nèi)調(diào)制還是外調(diào)制方式？實驗四氦氖激光器模式測量相對一般光源，激光具有單色性好的特點。也就是說，它具有非常窄的譜線寬度，可由一條或多條離散的、很精細的譜線構(gòu)成。這些譜線就是激光器的模，每個模對應一種穩(wěn)定的電磁場分布，即一個特定的光頻率。對于激光，相鄰兩個模的光頻率相差很小，因此需用分辨率較高的分光儀器來觀測。當從沿光傳播方向和垂直光傳播方向兩個角度去觀測和分析每個模時，發(fā)現(xiàn)有許多不同的特征，為方便，每個模又可相應地稱作縱模和橫模。在激光器的生產(chǎn)和應用中，常常需要預先知道激光器的模式狀況，如精密測量、全息技術(shù)需要基橫模輸出的激光器，而激光穩(wěn)頻和激光測距不僅需要單橫模而且要求單縱模運行的激光器。因此激光模式測量非常重要。本實驗從幾支氦氖激光的頻譜結(jié)構(gòu)入手，分析研究不同縱橫模的場分布特征，并通過測量得出縱橫模個數(shù)、頻率間隔、模序數(shù)等參量。

一、實驗目的1、了解激光模的形成及特點，加深對其物理概念的理解。2、通過測試分析，掌握模式分析的基本方法。3、通過實驗，對共焦球面掃描干涉儀的原理、性能有足夠的了解，并學會正確使用。二、實驗儀器：氦氖激光器，共焦球面掃描干涉儀，示波器，平臺，白屏，光電接收器三、實驗原理1、激光的頻率特性我們知道，不同縱模對應不同的頻率，那么，同一縱模序數(shù)內(nèi)的橫模又如何呢？同樣不同橫模也對應著不同的頻率。橫模序數(shù)越大，頻率越高。通常我們也不需要求出橫模頻率，關心的只是不同橫模間的頻率差。激光原理課程中指出，對穩(wěn)定球面腔激光器，其模頻率的數(shù)學表達式是：（1）式中，q為縱模序數(shù)，m、n為橫模序數(shù)。R1、R2分別為兩反射鏡的曲率半徑；L為腔長，n為工作物質(zhì)的折射率。當m=n=0時，稱為基橫模（TEM00）。當m（或n）≠0時，稱為高階橫模。不同橫模（m、n不同）對應不同的橫向光強分布，既有不同的光斑圖案。用目視方法和測量強度分布來分析橫模結(jié)構(gòu)，正是利用了不同橫模之間強度分布的差異。不同橫模（即m、n的取值不同）對應著不同的振蕩頻率。其頻率間隔為：（2）式中，m=│m′-m│;n=│n′-n│。利用這種頻率差就可以精細地分析激光束的橫模結(jié)構(gòu)?？梢?，相鄰橫模間距為：（3）He--Ne激光器的諧振腔若是平凹腔，即R2=，這樣，上式成為：（4）當R1=R2=L（共焦腔）時，則有：（5）不同縱模對應不同的縱向光場分布，但這種分布肉眼是無法分辨的，只能根據(jù)不同縱模所對應的不同頻率來分析縱模結(jié)構(gòu)?？v模頻率為：（6）而相鄰縱模間的頻率間隔為：（7）由上面分析可知，對于共焦腔縱模間隔是橫模間隔的兩倍。2、共焦球面掃描干涉儀的工作原理及其性能指標(1)、結(jié)構(gòu)原理共焦球面掃描干涉儀是由兩塊鍍有高反射膜、曲率半徑等于腔長的反射鏡組成的。它們的近軸焦點重合，構(gòu)成一共焦系統(tǒng)。兩塊反射鏡中一塊固定不動，另一塊固定在壓電陶瓷環(huán)上，壓電陶瓷環(huán)的長度變化與其上所加電壓成正比。當壓電陶瓷環(huán)用一定幅度的鋸齒波電壓調(diào)制時，腔長作微小變動，變化量是波長的數(shù)量級。R1R1M1M2壓電陶瓷LR2圖1、共焦球面掃描干涉儀光路圖如圖1光在干涉儀內(nèi)反射四次構(gòu)成一閉合回路，因而相鄰兩束光的光程差為：(8)當4L=k（k為正整數(shù)）時，干涉儀對入射光有最大透射率。當改變干涉儀腔長時，對應的最大透射頻率發(fā)生改變。因而我們可以觀察到光譜掃描。（2）、性能指標a、自由光譜區(qū)由式可知，干涉儀的諧振波長是反射鏡間隔L的周期線性函數(shù)，當間隔L變化時，波長為的?？稍俅瓮ㄟ^干涉儀，即干涉圖形改變一個干涉級次，若對上式微分，并取，即可得波長的變化范圍為：(9)因為，若以頻率表示，則頻率的變化范圍為：（10）（或F）稱為干涉儀的“自由光譜區(qū)”。若干涉儀置于空氣中，則折射率，則由L決定。它表征當L改變使得干涉圖形變化一個級次時，所包含的頻譜范圍。在模式分析實驗中，由于我們不希望出現(xiàn)兩種不同的模被同時掃出，故選用掃描干涉儀時，必須首先知道它的和待分析的激光器的頻率范圍，并使>，才能保證在頻譜上不重序，腔長與模的波長或頻率間是一一對應的關系。b、儀器帶寬（）和分辨率（）儀器帶寬有時也叫分辨極限（以表示）是干涉儀透射峰的頻率寬度，即干涉儀能分辨的最小頻率差，等于譜線的頻率半寬度。對于波長為的光，光譜儀器（對干涉儀也同樣適用）定義的分辨率是分辨極限和波長的比值：（11）一般來說，反射鏡的反射率越高，調(diào)整的精度越高，腔內(nèi)損耗越小，則分辨率越高或說帶寬越小。為了分辨相隔甚近的譜線，要求干涉儀有足夠小的透過率帶寬。c、有效精細常數(shù)（）在干涉儀中常用的一個性能指標是有效精細常數(shù)以表示。它的定義是：干涉儀的“自由光譜區(qū)”（，或）與分辨率極限（也叫儀器帶寬）的比值：，或（12）上式表征在自由光譜區(qū)內(nèi)可分辨的光譜單元的數(shù)目（譜線數(shù)目）。實際上精細常數(shù)要受到反射鏡加工質(zhì)量。儀器的工作孔徑以及儀器的調(diào)整精度等多方面因素的影響。掃描干涉儀的實際精細常數(shù)是靠實驗測定的。四、實驗裝置實驗裝置如圖二所示放放大器電源鋸齒波發(fā)生器HeNe激光器HeNe激光電源前置透鏡干涉儀光電接收器放大器.圖2、實驗裝置示意圖實驗裝置的說明本實驗使用兩支具有不同模式的He—Ne激光器，以便了解不同模式狀況，從中學習模式分析的基本方法。實驗用掃描干涉儀是利用壓電陶瓷環(huán)驅(qū)動一塊鏡片，使鏡片在軸線方向作微小的周期性振動，從而使各個激光模式依次透過干涉儀，光電接收器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦?jīng)放大器放大后送到示波器的y軸，而把用來改變腔長的鋸齒波電壓同時接到示波器的x軸輸入端。這樣示波器的橫向坐標就是干涉儀的頻率變化，這時從示波器的熒光屏上就可看到透過干涉儀的激光模式頻譜，其圖形如圖三所示。TEMTEM00qTEM00q-1TEM00qTEM00q+1TEM00q-1TEMmnqTEMmnqTEM00q+1圖3、示波器熒光屏上顯示的激光頻譜圖五、實驗內(nèi)容：1、觀察橫模（A）通過遠場光斑觀察橫模圖形接通He-Ne激光器電源，待激光器工作穩(wěn)定后，再進行正式實驗。由于實驗室空間的限制，為了觀察遠場光斑，可在光路上加一平面反射鏡，將光斑投射到遠處白紙上，以便更清楚地觀察光斑圖形，注意區(qū)分橫模級次。改變工作電流（或者用其他方法改變諧振腔長L）在此觀察遠場光斑變化情況。（B）通過無源諧振腔觀察He-Ne激光器的橫模實驗裝置如圖四：〖〖〗〖〗+-ABS圖4、觀察He—Ne激光器橫模裝置圖中A和B是兩支He-Ne激光管，A管用作光源，B管不接電源，僅用其諧振腔。由A發(fā)出的激光束透過小孔光欄射入B管，當激光束與B管的毛細管軸線準直后，當B管后方的毛玻璃P上可接收到光束，若用顯微鏡M來觀察，這時在M的視場中可見到光斑在不斷的變化。由于A管管殼受溫度的影響，長度不斷變化，諧振腔長也發(fā)生相應的變化，因而輸出的“激光頻率也發(fā)生變化”。而B管具有自己一套相應的頻譜，當A管輸出的激光與B管頻譜中任何頻率都不匹配時,B管將無輸出。視場又呈現(xiàn)較暗的背景，若A管輸出的激光與B管頻譜中某個頻率匹配時，B管將從來自A管的光束中分解出相應的激光束讓它通過。由于A管輸出的光束中頻率不斷變化，因而就能在B管中激起不同的橫模，在M的視場中看到不同的光斑圖形。2.用共焦球面掃描干涉儀測量He-Ne激光器的縱模和橫模的頻率間隔按圖2安裝所用儀器并將整個實驗裝置調(diào)節(jié)到準直狀況，而后裝上共焦球面掃描干涉儀的光電接收器探頭，并將其引出線連接示波儀的Y軸輸入端，同時把加在壓電陶瓷環(huán)上的鋸齒波電壓接到示波器的X軸輸入端，這樣示波器的橫向掃描則與干涉儀的腔長掃描同步，示波器的橫向（X軸）坐標就是干涉儀的頻率變化。將儀器面板上的扳鍵扳至“常態(tài)“位置，并調(diào)節(jié)儀器面板上的其他有關按鈕，在熒光屏上就會出現(xiàn)激光模式的穩(wěn)定頻率譜。必要時還可適當調(diào)節(jié)鋸齒波電壓，以使熒光屏上能掃描出兩級光譜為宜，圖3所示的就是熒光屏上顯示的兩級頻譜圖。圖3中：是相鄰兩級光譜的兩個相似峰的間距是同一級相鄰峰的間距是相鄰兩縱模頻率間距。由于正比于自由光譜區(qū)；正比于相鄰縱模頻率間隔；頻率間隔正比于相鄰峰間距，因此，有：可以與相對應的相鄰橫模頻率間隔為：（13）與相對應的相鄰縱模頻率間隔為（14）上兩式中的，，均可從熒光屏上測得，而為干涉儀的“自由光譜區(qū)”，因此，由（13）和（14）式可求出激光儀相鄰橫模和縱模的頻率間隔。當熒光屏上有高階模出現(xiàn)時，由上式還可以得出實驗結(jié)果：（15）按式（2）和式（7）也可以得出高階