实验6、7激光器实验

1、实验六实验六 氦氖激光束光斑大小和发散角的测量氦氖激光束光斑大小和发散角的测量【实验目的实验目的】1. 加深对高斯光束物理图像的理解；加深对高斯光束物理图像的理解；2. 掌握外腔式氦氖激光器的使用和调整方法；掌握外腔式氦氖激光器的使用和调整方法；3. 掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法；掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法；4. 深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及 激光束发散角的意义。激光束发散角的意义。 【实验原理实验原理】 激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数。激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数。 0

2、 Z( )z 2020( )1()zz 022 ( ) zz 11240() (1)LRL 激光束横向光场分布激光束横向光场分布:00( )Ir00( )Err( )z 1 e21 e1.0( ) z 定义：振幅下降到中心振幅振幅下降到中心振幅1 e的点离中心的距离的点离中心的距离 或或光强下降为中心光强光强下降为中心光强21 e【实验仪器与装置实验仪器与装置】氦氖激光器氦氖激光器 反射镜反射镜 反射镜反射镜 狭缝狭缝 硅光电池硅光电池 光功率指示仪光功率指示仪 【实验内容及步骤实验内容及步骤】1. 打开氦氖激光器电源，用小孔屏调整外腔激光器输出镜与打开氦氖激光器电源，用小孔屏调整外腔激光器输

3、出镜与 反射镜中心的平行度，产生激光振荡。反射镜中心的平行度，产生激光振荡。 2. 调整标尺及平面反射镜使激光束照亮测量狭缝，调整标尺及平面反射镜使激光束照亮测量狭缝， 取取 ，缝宽小于光斑大小的，缝宽小于光斑大小的1/10， 接好光功率指示仪。测量并记录接好光功率指示仪。测量并记录z值值 。3 5zm 3. 移动微动平台，使狭缝和硅光电池接收器同时扫过光束，移动微动平台，使狭缝和硅光电池接收器同时扫过光束， 移动的方向应与光传播方向垂直，每隔移动的方向应与光传播方向垂直，每隔0.10.2mm，记，记 录光功率指示仪的读值，测量激光束的光强横向分布。录光功率指示仪的读值，测量激光束的光强横向分

4、布。 测量一次。测量一次。 【实验结果记录实验结果记录】光斑位置光斑位置 Z 腔腔 长长L【计算与比较计算与比较】632.8nm 1Rm 凹面镜曲率半径凹面镜曲率半径激光波长激光波长束腰半径束腰半径11240() (1)LRL ( ) z 2020( )1()zz 02 2 ( ) zz 1. 调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。2. 注意激光高压电源，以免触电或短路。注意激光高压电源，以免触电或短路。3. 测量过程中应减小震动，避免光斑在狭缝口晃动。测量过程中应减小震动，避免光斑在狭缝口晃动。4. 禁止用手触及光学零件的透光表面

5、。禁止用手触及光学零件的透光表面。5. 激光器电源约激光器电源约6mA左右为宜。左右为宜。【注意事项注意事项】待调激光器激光器左右准直小孔实验七实验七 氦氖激光器的模式分析氦氖激光器的模式分析【实验目的实验目的】 1. 了解激光模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；了解激光模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；2. 了解共焦球面扫描干涉仪的原理、性能，掌握其使用方法；了解共焦球面扫描干涉仪的原理、性能，掌握其使用方法；3. 通过实验观测和分析，掌握激光束模式分析的基本方法。通过实验观测和分析，掌握激光束模式分析的基本方法。 【实验原理实验原理】 激光器的振荡模式激光器的振荡模式: :纵

6、模纵模描述激光器输出的光频率描述激光器输出的光频率 2qcqL 2qcL 横模横模描述垂直于激光传播方向的平面内光场分布情况描述垂直于激光传播方向的平面内光场分布情况 1 21222(1)arccos(1)(1)4mnqcLLqmnLRR 1 2121()arccos(1)(1)2mnm ncLLmnLRR 、共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，已成共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，已成为激光技术中一种重要的测量设备。本实验正是通过它将为激光技术中一种重要的测量设备。本实验正是通过它将彼此频率差异甚小（几十至几百彼此频率差异甚小（几十至几百MHz），用眼睛和一般光），用眼

7、睛和一般光谱仪器都分不清的各个不同纵模、不同横模展现成频谱图谱仪器都分不清的各个不同纵模、不同横模展现成频谱图来进行观测的。来进行观测的。共焦球面扫描干涉仪（简写为共焦球面扫描干涉仪（简写为FPS）是一个无源谐振腔，）是一个无源谐振腔，由两块球形凹面反射镜构成共焦腔，即两块镜的曲率半径由两块球形凹面反射镜构成共焦腔，即两块镜的曲率半径和腔长相等，和腔长相等，R1=R2=L 。反射镜镀有高反射膜，两块镜中。反射镜镀有高反射膜，两块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上的压电陶瓷上。【扫描干涉仪扫描干涉仪】共焦球面扫描干

8、涉仪：共焦球面扫描干涉仪： 间隔圈间隔圈 压电陶瓷环压电陶瓷环 压电陶瓷加上锯齿波电压后，驱动内部一个反射镜做周期性运动，压电陶瓷加上锯齿波电压后，驱动内部一个反射镜做周期性运动，从而改变腔长从而改变腔长L而实现光谱扫描而实现光谱扫描 。由于长度的变化量很小，仅为由于长度的变化量很小，仅为波长数量级，它不会改变腔的共焦状态波长数量级，它不会改变腔的共焦状态。共焦球面干涉仪的性能指标：共焦球面干涉仪的性能指标： 自由光谱范围自由光谱范围4cL 根据谐振器相干输出的条件，相干极大输出的波长值和根据谐振器相干输出的条件，相干极大输出的波长值和腔长值有一一对应的关系。一定幅度的电压改变腔长，腔长值有一

9、一对应的关系。一定幅度的电压改变腔长，就可以使激光器具有的所有不同的波长（频率）的模次就可以使激光器具有的所有不同的波长（频率）的模次依次相干极大的透过，形成扫描。但若入射光波长范围依次相干极大的透过，形成扫描。但若入射光波长范围超过某一限定时，外加电压虽可使腔长线性变化，但一超过某一限定时，外加电压虽可使腔长线性变化，但一个确定的腔长可能使几个不同波长的模同时产生相干极个确定的腔长可能使几个不同波长的模同时产生相干极大输出，即几种不同的模式被同时扫出，叠加在一起，大输出，即几种不同的模式被同时扫出，叠加在一起，造成模序的重叠。造成模序的重叠。自由光谱范围：自由光谱范围：就是指扫面干涉仪所能扫

10、出的不重序的就是指扫面干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或最小频率差。最大波长差或最小频率差。0R = F 波长波长 和在该处可分辨的最小波长间隔和在该处可分辨的最小波长间隔 的比值的比值 描述干涉仪谱线的细锐程度，为干涉仪的自由光谱范围和描述干涉仪谱线的细锐程度，为干涉仪的自由光谱范围和分辨率极限之比：分辨率极限之比： 2(1)FRR R:反射率反射率=99%精细常数精细常数F F：分辨本领分辨本领：实验值实验值 在实验中就是一个模的半值宽度。在实验中就是一个模的半值宽度。理论值理论值【实验仪器与装置实验仪器与装置】 激光器 扫描干涉仪 放大器 放大器电源 激光电源 锯齿波 发生器 示波器

11、Y X 小孔光阑小孔光阑 【实验内容及步骤实验内容及步骤】1. 调整光路。首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫调整光路。首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪上下、左右位置，使光束描干涉仪上下、左右位置，使光束正入射正入射孔中心，孔中心，再细调方位螺丝，以使从干涉仪腔镜反射的再细调方位螺丝，以使从干涉仪腔镜反射的最亮的最亮的光点回到光阑小孔的中心附近光点回到光阑小孔的中心附近，这时表明入射光束，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。和扫描干涉仪的光轴基本重合。2. 将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。 3. 接通放大器、锯齿波发生器、示波

12、器的电源开关。接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。 4. 观察示波器上展现的的频谱图，进一步细调干涉仪的观察示波器上展现的的频谱图，进一步细调干涉仪的 方位螺丝，使谱线尽量强，噪声尽量小。方位螺丝，使谱线尽量强，噪声尽量小。 5. 根据平凹激光器（根据平凹激光器（r1=1m,r2= ）的腔长）的腔长(实验测量实验测量), 计算相邻纵计算相邻纵 模（模（2式）和横模（式）和横模（3式）的频率差（式）的频率差（理论理论 值值）。）。7. 以计算所得的自由光谱范围在示波器上以计算所得的自由光谱范围在示波器上定标定标，测出自由，测出自由光谱范围光谱范围相对应的标尺长度，计算出二者的比值相对应的

13、标尺长度，计算出二者的比值每厘每厘米代表的频率间隔值米代表的频率间隔值。由示波器上显示的纵模、横模波形。由示波器上显示的纵模、横模波形测出纵模频率间隔、横模频率间隔测出纵模频率间隔、横模频率间隔 ，和理论值进行比较。，和理论值进行比较。测出测出 根据实验公式（根据实验公式（14式）计算精细常数式）计算精细常数F,和理论比和理论比较。较。6. 根据干涉仪的曲率半径（根据干涉仪的曲率半径（l = r = 20mm）计算出干涉仪）计算出干涉仪的的由光谱范围（由光谱范围（12式）式）。根据干涉仪的反射率根据干涉仪的反射率 (R=99%)计算出计算出精细常数精细常数F（15式）。式）。 改变锯齿波的前后

14、沿，得到一个较长的直线部分，上升部改变锯齿波的前后沿，得到一个较长的直线部分，上升部分代表锯齿波的电压呈直线上升，调制锯齿波的幅度，使分代表锯齿波的电压呈直线上升，调制锯齿波的幅度，使锯齿波直线段看到清楚的锯齿波直线段看到清楚的2-3个干涉序，下降段是前面的个干涉序，下降段是前面的重复，实验测量必要要在同一沿下。重复，实验测量必要要在同一沿下。上图中的谱线上图中的谱线1与谱线与谱线5，谱线，谱线2与谱线与谱线6，谱线，谱线3与谱线与谱线7，谱线谱线4与谱线与谱线8之间所对应的频率间隔为自由光谱范围理之间所对应的频率间隔为自由光谱范围理论值是：论值是：3.75G，实验值看在示波器上是几厘米，得到每，实验值看在示波器上是几厘米，得到每厘米代表多少厘米代表多少G，从而为读横、纵模频率间隔定标）。，从而为读横、纵模频率间隔定标）。纵模间隔：纵模间隔：谱线谱线1与谱线与谱线3的间距。的间距。横模间隔：横模间隔：谱线谱线1与谱线与谱线2的间距。的间距。【实验结果记录实验结果记录】 q mn 干涉仪干涉仪曲率半径曲率半径r腔长腔长l = 20mm干涉仪反射率干涉仪反射率