嘉应学院激光原理实验讲义

1、嘉应学院激光原理实验讲义编写人：杨晓冬一. 激光技术调节基本技能训练一. 实验目的：1.初步掌握准直光束调节方法2.初步掌握反射面镜调节方法3.初步掌握凸透镜的调节方法二. 实验装置和调节方法1. 准直光源调节:在光学平台上装调激光之前,通常需要建立与光学平台平行、且空间方位固定的准直光束，以便于对光学元件的空间方位进行调整。产生准直光束的光源通常是氦氖激光器产生的632.8 nm光束，也可以采用655 nm的半导体激光器，要求必须是可见光束。在调节过程中，准直光源必须牢稳固定，如果在调解过程中光源移动，则准直光束必须重新建立，实验也必须重新开始。在光学平台上建立准直光束通常需要不少于两块空间

2、方位可调节的反射镜、一个标示高度的标高尺，标高尺制作如图1所示：）将一片高度约为15 cm的钢板尺固定在一块规则平整的矩形金属块上，钢板尺本身的刻度就可以作为表明光束高度的标示，由于钢板尺刻度较多，因此可以标注的范围较大，但精度不一定很高；b）用金属板表面小孔作为标示光束高度的标示，该标高尺通常用于准直光束高度固定的情况下准直光束建立。标高尺正面做一条垂直标示线(如图中红线所示).准直光束调节方法如图2所示：要建立一条与光学平台水平,沿AB方向准直光束,首先根据要确定光束的方位确定两块反射镜的位置,要求光束最后照到的反射镜2的中心大致位于所要建立的直线上,打开激光光源,使光束照在反射镜1的中心

3、位置,调节反射镜1的位置和俯仰角使光束大致照在反射镜1的中心,同时保证反射镜2大致沿着AB直线方向.在AB直线的正下方选取M、N两点(N点远离反射镜2),用笔作标记,将标高尺标示线下端正对N点放置,调节反射镜2,使光束入射到标示线,高度达到所要求的准直光束高度,然后再将标高尺标示线下端正对M点,调节腔镜1,使光束达到所要求的标示高度,反复进行上述步骤,最终就可以使光束沿着所要求的AB方向.为了更清楚说明这一点举例如下: 准直光束离光学平台高度50 mm, 在AB直线的正下方选取M、N两点(N点远离反射镜2)后，将标高尺首先放置于点，调节反射镜的俯仰角，使激光束照射在50 mm刻度处的标示线上，

4、再将标高尺移到点，调节反射镜，使光束照射在50 mm刻度处的标示线上；反复进行此过程，激光束将逐渐逼近直线，最终就可以与直线重合为方便记忆调节方法，我们作如下规定，并记如下口诀：将点在光束的远端，将其称为远点，而点称为近点；反射镜被称为远镜，反射镜被称为近镜，调节口诀为：远点（点）调近镜（反射镜），近点（点）调远镜（反射镜）2利用准直光束对腔镜进行调节2.1 反射面镜调节-通常作为激光腔镜1.平面腔镜的调节: 平面腔镜调节较为简单，可通过调节固定平面镜俯仰角使光束原路返回。具体调节如图3(a) 所示,将小孔光阑放置于入射光路中,使入射光束通过小孔。将平面腔镜放置于所要固定的位置，调节固定反射镜

5、的镜架俯仰角旋钮，使入射到平面镜光束返回小孔光阑即可。 (a) (b)(c)图3 腔镜的调节：（a）平面镜的调节；（b）凹面镜的调节; (c) 凸面镜的调节2. 凹面镜调节: 凹面镜（通常为平凹镜）的调节如图3（b）所示，调节固定凹面镜的镜架，使凹面反射光束返回。对于凹面镜的调节要注意以下两个问题：1）由于凹面反射光束会先汇聚，再发散，因此当凹面曲率半径较小时，光束发散较为严重，为了能够清晰分辨反射光斑，光阑距离腔镜的距离不能太远；2）由于平凹镜有两个反射面，反射光斑有两个，必须要注意区分反射光斑哪一个是凹面反射，哪一个是平面反射。请根据几何光学的原理思考怎样判定反射光斑哪一个是平面，哪一个是

6、凹面。另外还必须注意，当平凹镜作为输出镜时，调节时应尽量使平面的反射光斑也靠近或返回小孔光阑，以减小输出镜对于输出光束的影响（由于存在偏心差，入射光束并不一定入射到平凹镜几何中心）。3. 凸面镜的调节凸面镜（假设为平凸镜）的调节如图3（C）所示，同样调节固定凸面镜的镜架，使凸面反射光束返回。对于凸面镜的调节要注意以下两个问题：1）由于凸面反射光束会发散，因此当凸面曲率半径较小时，光束发散较为严重，为了能够清晰分辨反射光斑，光阑距离腔镜的距离不能太远；2） 必须要注意区分反射光斑哪一个是凸面反射，哪一个是平面反射。 思考怎样判定反射光斑哪一个是平面，哪一个是凸面。另外还必须注意，当平凸面镜作为输

7、出镜时，调节时应尽量使平面的反射光斑也靠近或返回小孔光阑，以减小输出镜对于输出光束的影响（由于存在偏心差，入射光束并不一定入射到平凸镜几何中心）。2.2 薄透镜的调节 薄透镜的调节较为麻烦,这里简要介绍凸透镜和凹透镜的调节。透镜调节必须保证光束透过光心，且和光轴重合。1. 薄凸透镜的调节薄凸透镜调节装置如图所示，包括待调节透镜和光屏，由于光线经过透镜后，光束会先汇聚再发散，当光屏较远或透镜焦距较小时，光束发散，光屏上光斑较大，为了提高调节精度，可在光屏表面贴如上图所示同心圆靶（同心圆靶可以在计算机上画后打印），以准确确定光斑方位。调节时，可以在不加透镜时，放置同心圆靶，调节圆靶的上下或左右位置

8、，使准直光束照射在圆靶中心；然后放置透镜，通过上下或左右移动透镜，使光束照射圆靶中心，思考此时可断定入射光经过透镜哪一点？并调节透镜的俯仰角使透镜两表面反射光束返回小孔光阑，如果不能严格返回也要尽量使两反射光斑重合并靠近小孔光阑。2. 薄凹透镜的调节 薄凹透镜调节装置与薄凸透镜调节装置相近，只不过待调节透镜变为薄凹透镜。调节方法与薄凸透镜调节方法也相近，在不加透镜时，放置同心圆靶，使准直光束照射在圆靶中心；然后放置透镜，通过上下或左右移动透镜，使光束照射圆靶中心，并调节透镜的俯仰角使透镜两表面反射光束返回小孔光阑，如果不能严格返回也要尽量使两反射光斑重合并靠近小孔光阑。三实验内容1. 建立高度

9、为50 mm与光学平台平行的准直光束。（光线位于M,N两点上方）2. 利用准直光束调节平面镜（利用平凹透镜的平面作为反射面）3. 利用准直光束调节凹面镜（利用平凹透镜的凹面作为反射面）4. 利用准直光束调节凹透镜镜5. 利用准直光束调节凸透镜预习思考题1. 在图3所示装置中光阑距离反射镜距离对调节精度有何影响？2. 思考在图3（b）中，将光阑由紧贴反射镜位置逐渐远离反射镜，前后两面反射光斑会发生怎样的变化？二. He-Ne 激光器装调实验一、He-Ne 激光器的工作原理与结构He-Ne 激光器是最常用的连续工作气体激光器,采用气体放电激发泵浦方式.图1为He-Ne 激光器能级跃迁图,其工作原理

10、为: 在辉光放电状态下，工作物质中的自由电子从电场中获得足够的能量，并与处于基态的He原子发生非弹性碰撞，将He原子激发到21S0和23S1能级上去。由于这两个能级的能量与Ne原子的3S和2S的能量几乎相同，所以当处于21S0和23S1两个激发态上的He原子与Ne原子产生非弹性碰撞，两者交换能量，结果，激发态的He原子回到基态，而Ne原子被激发到能级相近的3S和2S能级上去，这一过程称为共振转移。Ne原子的3S和2S能级是两个亚稳态，所以当这两个能级上的受激Ne原子足够多时即可实现对3P和2P之间的粒子数反转，这样由于上下能级间的受激辐射产生激光。氖原子的激光谱线可达100多条，而以3S23P

11、4、3S22P4和2S23P4能级间所产生的激光谱线3.39微米，0.6328微米，和1.15微米为最强。处于下能级（3P和2P）上的Ne原子通过自发辐射回到ls能级，处于ls能级上的Ne原子通过与放电毛细管壁或其处于基态的气体分子多次碰撞放出能量回到基态。图1 He-Ne 激光器能级结构图以结构形式不同可分为外腔式激光器、半内腔式和内腔式.外腔式如图2（a）所示，激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离的。反射镜上有调整机构，可以随时进行调整。放电管的两端贴有布儒斯特窗片,是与毛细管轴线成布儒斯特角放置的平板玻璃,它即可密封放电管，又可减小光的损耗,还可使激光得到线偏振的激光输出.振腔与放电管分离

12、，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。但由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便. 图2（b）半外腔结构示意图,两块腔镜中一块与放电管粘和固定在一起.图2.（1）外腔式（2）半内腔式 本实验激光器为半内腔式激光器,输出镜为平面镜,与放电管固定,全反腔镜为平凹镜,凹面都有高反膜,放电管长度为 ,全反镜与放电管间距可调,实验时可通过调节该镜俯仰角实现激光输出.四、激光器的调整实验内容1. 将曲率半径为50 cm全反射镜安装在镜架上,松动镜架固定螺丝,将镜架移动到距离放电管,记录此时腔长.2. 用十字叉调光将激光调出:如图3所示

13、,用白炽灯照十字叉丝板(叉丝中心为一小孔)，打开放电管电源,使放电管处在工作状态，放电管向四周发射红光(思考此时发光原因),用眼睛在十字叉丝板背后通过小孔观察放电管，当眼睛适应放电管亮度后，可看到放电管内的亮白点，该白点半腔激光器另外一端的腔镜(输出镜)通过全反射镜及小孔所成的像点,移动叉丝板，使亮白点与出光孔同心，此时可认为小孔叉丝板与毛细管同轴;调节全反射镜俯仰角调节螺丝,使十字叉丝中心与亮白点中心重合,此时激光器应发射激光。(思考回答观测到十字叉丝像是怎样形成? 十字叉丝中心与亮白点中心重合意味什么?)3. 用功率计观察输出功率,同时调节腔镜俯仰角旋钮,时激光器输出功率达到最大,记录输出

14、功率.4. 将焦距为100 mm的凸透镜放置在光路中,使光束通过透镜中心,同时保持透镜与光束垂直,观测照射到墙上光斑光强分布初步判断,激光横模是否为多模5. 改变输出镜位置,使腔长增加100 mm,调节腔镜俯仰角,使激光器输出功率最大,记录输出功率.三 激光纵模模式观测1. 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。2激光器模的形成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将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

15、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。被传播的光波决不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而已）。因能级有一定宽度，所以粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭加而成。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小功率的He-Ne激光器6328谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz，只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返传播中形

16、成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即：2Lqq （1）这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其它则相互抵消。式中，是折射率，对气体1，L是腔长，q是正整数，每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布q，叫一个纵模，q称作纵模序数。q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q值，即激光器有几个不同的纵模。从式（1），我们还可以看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q值反映的恰是驻波波腹的数目。纵模的频率为图1 (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

17、间隔 (3)从式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比。即腔越长，纵越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，纵越大，在同样的增宽曲线范围内，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。以上我们得出纵模具有的特征是：相邻纵模频率间隔相等；对应同一横模的一组纵模，它们强度的顶点构成了多普勒线型的轮廓线。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？答案是肯定的。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，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的干涉光斑。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

18、。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的迭加，下图是几种常见的基本横模光斑图样。图2总之，任何一个模，既是纵模，又是横模。它同时有两个名称，不过是对两个不同方向的观测结果分开称呼而已。一个模由三个量子数来表示，通常写作TEMmnq，q是纵模标记，m和n是横模标记，m是沿x轴场强为零的节点数，n是沿y轴场强为零的节点数。前面已知，不同的纵模对应不同的频率。那么同一纵模序数内的不同横模又如何呢？同样，不同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，关心的是具有几个不同的横模及不同的横模间的频率差，经推导得 (4)其中，m，n分别表示x，y方向上横模模序数差，R1，

19、R2为谐振腔的两个反射镜的曲率半径。相邻横模频率间隔为 (5)从上式还可以看出，相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，例如上图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（LR1R2，即共焦腔），分数值达到极大，即相邻两个横模的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。2.共焦球面扫描干涉仪的基本工作原理共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图12。反射镜的曲率半径R1=R2=L。由于反射镜的反射率相当高，注入腔内的光束将在腔内多次反射形成多光束，经过两次往返程,光

20、线闭合。从多光束干涉的角度来看，当波长为的入射光束满足: （6）时，光束间满足相干相长条件，该波长的透射率最大,而其邻近波长的激光透射率非常低，因此，透射极大的波长值和腔长值有一一对应关系，改变干涉仪腔长，就可以改变干涉仪透射率。（6）式中，为折射率；L为腔长。m为一正整数，被称为干涉级数。图3为了改变干涉仪透射率，干涉仪上，R1通常固定，而R2装在一块管状压电陶瓷上。如果在压电陶瓷y方向上加一周期性的信号电压，那么R2将随压电陶瓷周期变形并沿轴向在中心位置附近做微小振动，因而干涉仪的腔长L也做微小的周期变化。从（6）式看出，当L变化时，干涉仪允许透射的光波波长也做周期的变化。因此干涉仪便对入

21、射光的波长进行扫描。但从（6）可以看出当腔长由变为时，(6)式变为: (7)此时,波长为的激光也具有最大透射率,但与(6)相比干涉仪的干涉级由原来的m变为m+1。透射情况如图 所示。当扫描干涉仪腔长时，若波长为的入射光束满足: （8）波长为的光束也有最大透射率，其对应的干涉级数为m。因此当干涉仪腔长在从到扫描过程中，干涉级为m，波长为到间的透射光不会出现重序，这里我们将上述不重序的最大波长差或频率差称为自由光谱区，用或者表示。假如上例中la为刚刚重序的起点，则d-a即为此干涉仪的自由光谱范围值。经推导，可得 （9）用频率表示，即为: （10）在模式分析实验中，由于我们不希望出现图4中的重序现象

22、，故选用扫描干涉仪时，必须首先知道它的和待分析的激光器频率范围，并使才能保证在频谱面上不重序，即腔长和模的波长或频率间是一一对应关系。自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为/4时所对应的扫描范围。因为光在共焦腔内呈x型，四倍路程的光程差正好等于，干涉序数改变1。当腔长扫描范围为，即两倍自由光谱区时，激光器的被增益曲线调制的纵模包络线将出现两次，如图4所示。图4只要注入光束的频谱宽度不大于F，那么在干涉仪扫描过程中便能逐次透过，在干涉仪的后方使用光电转换元件接收透射的光强，再将这种光转换为电信号输入到示波器中，于是在示波器的荧光屏上便显示出如图4那样的激光频谱，不过在示波器的荧光屏

23、上显示出的图4中，横坐标为时间轴，但任意两条谱线频率间隔与时间间隔成正比关系。如果已知激光谐振腔长度，根据上述频谱图像，可以确定扫描干涉仪的自由光谱区，具体方法为：根据激光谐振腔长度，利用（3）式可以计算激光器纵模间隔，利用示波器光标测量示波器荧光屏上显示激光器纵模与之间的时间间隔，以及图中中与两条谱线之间的时间间隔、四量满足下式： （11）三、实验仪器实验装置如图2-8所示。实验装置的各组成部分说明如下：1 He-Ne激光器,共两种:1): DH-HN250型 腔长250 mm, TEM00模：)由学生自行组装半腔激光器 输出特性由选择腔镜曲率半径和腔镜位置，以及腔镜清洁程度决定。2激光电源

24、 注意：严禁将激光电源正负极（由红黑两种线区分）接反。3小孔光阑。4共焦球面扫描干涉仪。使激光器的各个模按波长（或频率）展开，其透射光中心波长为632.8nm。仪器上有四个鼓轮，其中两个鼓轮用于调节腔的上下、左右位置，另外两个鼓轮用于调节腔的方位。5驱动器。驱动器电压除了加在扫描干涉仪的压电陶瓷上，还同时输出到示波器的X轴作同步扫描。为了便于观察，我们希望能够移动干涉序的中心波长在频谱图中的位置，以使每个序中所有的模式能完整地展现在示波器的荧光屏上。为此，驱动器还增设了一个直流偏置电路，用以改变扫描的电压起点。图5 实验装置图6光电二极管。将扫描干涉仪输出的光信号转变成电信号，并输入到示波器Y

25、轴。7示波器。用于观测He-Ne激光器的频谱图。四、实验内容及步骤A: 观测DH-HN250型基横模激光器纵模模式，确定扫描干涉仪自由光谱区1按实验装置图连接线路。经检查无误，方可进行实验。2开启DH-HN250型激光器电源。3调节激光器高度，使其与扫描干涉仪大致同高，利用小孔光阑调节He-Ne激光管的高低、仰俯，使激光束与导轨平台平行，具体方法为：将小孔光阑放置在靠近选取激光器位置，通过调节小孔光阑下端平移台螺旋测微器旋钮，调节光阑左右位置，上下移动固定光阑金属杆调节小孔光阑高低，以便使激光束通过小孔光阑中心；再将小孔光阑沿导轨移动到远离激光器的位置，调节激光器的俯仰角控制螺丝，使激光束通过

26、小孔光阑中心。重复上述步骤，直到在两位置间移动时，光束都能通过小孔光阑中心。4. 利用小孔光阑使使激光束通过小孔光阑。调节扫描干涉仪的上下、左右位置，使激光束正入射到扫描干涉仪中，再细调干涉仪上的四个鼓轮，使干涉仪腔镜反射回来的光点回到光阑的小孔附近（注意：不要使光点回到光阑的小孔中），且使反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合，这时入射光束与扫描干涉仪的光轴基本平行。5开启扫描干涉仪驱动器和示波器的电源开关。调节驱动器输出电压的大小（即调节“幅度”旋钮）和频率，在光屏上可以看到激光经过扫描干涉仪后形成的光斑。（考虑不开扫描干涉仪驱动器是否能够观测光斑）注意：如果在光屏上形成两个光斑，要在保持反射

27、光斑的中心与光阑的小孔大致重合的条件下，调节扫描干涉仪的鼓轮，使经过扫描干涉仪后形成的两个光斑重合。7将光电二极管对准扫描干涉仪输出光斑的中心，调高驱动器的频率，观察示波器上展现的频谱图。进一步细调扫描干涉仪的鼓轮及光电二极管的位置，使谱线尽量强。8根据干涉序个数和频谱的周性期，确定哪些模属于同一个干涉序（具有相同m值的不同纵模，可根据纵模间隔等进行确定）。9改变驱动器的输出电压（即调节“幅度”旋钮），观察示波器上干涉序数目的变化。改变驱动器的扫描电压起点（即调节“直流偏置”旋钮），使荧光屏上完整显示两个干涉序的所有模式（如图4所示）。10. 利用光标测量荧光屏上、的数值，由于可以根据激光器腔

28、长已知，可由（3）式计算获得，则根据（11）式，自由光谱区可由（11）式计算获得。B. 测量半腔激光器腔长及输出横模模式11开启并调节半腔式激光器输出功率最大，按照以上介绍实验步骤（3）-(9)调节扫描干涉仪，观测根据自由光谱范围的定义，确定哪两条谱线之间对应着自由光谱范围(本实验使用的扫描干涉仪的自由光谱范围= 3.75GHz)。测出示波器荧光屏上与相对应的标尺长度，计算出二者的比值，既示波器荧光屏上1毫米对应的频率间隔值。11在同一干涉序内，根据纵模定义，测出纵模频率间隔。将测量值与理论值相比较 (注：待测激光器的腔长由实验室给出)。提示：本实验使用的He-Ne激光器发出的激光的偏振态有两

29、个，它们互相垂直，相互独立。只有偏振态相同的纵模的间隔才符合（2-3）式。因此测量纵模间隔需要判断哪些模对应同一偏振态。12确定示波器荧光屏上频率增加的方向，以便确定在同一纵模序数内哪个模是基横模，哪些模是高阶横模。提示：激光器刚开启时，放电管温度逐渐升高，腔长逐渐增大，根据（2-2）式，逐渐变小。在示波器荧光屏上可以观察到谱线向频率减小的方向移动，所以，其反方向就是示波器荧光屏上频率增加的方向。13测出不同横模的频率间隔，并与理论值相比较，检查辨认是否正确，确定的数值。（注：谐振腔两个反射镜的曲率半径、由实验室给出）。14观察激光束在远处光屏上的光斑形状。这时看到的应是所有横模的叠加图，需结

30、合图2-4中单一横模的形状加以辨认，确定出每个横模的模序,既每个横模的、值。五、思考题1观测时，为何要先确定出示波器荧光屏上被扫出的干涉序的数目？六、注意事项1实验过程中要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束。2开启或关闭扫描干涉仪的驱动器时，必须先将“幅度”旋钮置于最小值（反时针方向旋转到底），以免将其损坏。2. 实验内容:4.3共焦球面扫描干涉仪（电部分）使用说明 1接好工作负载电路（见仪器馈线连接指导），用馈线接通220V电源;2 将扫描幅度、频率、偏置旋钮放置中间位置。3按“开关电源”按钮，调节“扫描频率”旋钮，可改变锯齿波输出频率；锯齿波输出”和“锯齿波监测”有锯齿波输出；4调节

31、“扫描幅度”旋钮，改变“锯齿波输出”和“锯齿波监测”的锯齿波电压幅度5调节“偏置调节”旋钮，可以改变偏压值；6按“偏压开关”，则有电压加到锯齿波输出1和2上。“偏压显示”表头显示偏压值；7使用完后，按“开关电源”按钮，关机。注意事项:1该电源负载为压电陶瓷类的高阻元件。不适用低阻负载。2 偏压调节操作应缓慢，使电压缓慢加载到压电陶瓷上；3 信号输出切勿短路，否则损坏电路。4 该仪器出现问题，及时与厂家联系，不得自行拆卸；六、注意事项1实验过程中要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束。2开启或关闭扫描干涉仪的驱动器时，必须先将“幅度”旋钮置于最小值（反时针方向旋转到底），以免将其损坏。四.

32、氦氖激光器横模模式及输出特性观测与测量1. 实验目的 1. 利用CCD观测单横模与多横模氦氖激光器横模模式光斑 2. 利用CCD测量单横模氦氖激光器输出高斯光束特性 3. 初步掌握利用orgin软件计算光束输出特性方法2. 实验内容和原理光束在激光谐振腔内多次反复传播过程中,由于衍射作用在谐振腔内形成稳定电磁场分布。将垂直于电磁场传播方向平面内的电磁场分布称为横模。图1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。对于谐振腔内通常所存在的厄米高斯光束，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

33、点数。在多模激光器谐振腔内通常有多种不同的横模激光振荡,同时不同横模间存在模式简并(不同横模具有相同的振荡频率).因此激光谐振腔内振荡横模模式判断通常采用激光干涉扫描仪与CCD观测激光横模光强分布相结合的方法确定。本实验将利用CCD相机对激光横模光强分布加以判断，同时还将对单模氦氖激光输出特性进行测量。对于多种横模模式中，基模高斯光束性质最为重要，其在任意位置z处的光斑半径可以表示为: 1上式中,为基模高斯光束束腰半径,为基模高斯光束光斑半径最小值.f为描述基模高斯光束性质的物理量，被称为公焦参数,该数值也被称为基模高斯光束的瑞利长度,用zR表示，其表达式为: 2从一式可以看出，光斑半径随z按

34、双曲线规律变化，双曲线的两条渐近线间夹角被称为基膜高斯光束的远场发散角，可表示为： 3可以证明，当取测量点时，远场发散角可以近似表示为：上式中，为z处光斑半径，可以证明用该值表示远场发散角误差小于1%.远场发散角还可以表示为: 上式中, 和为z1和z2处的光斑半径，z1、z2>7f。实验中，利用CCD相机可以测得基模高斯光束光斑半径，根据以上两式就可以测得光束远场发散角。3. 实验仪器4. 实验内容:一. 测量单模激光输出特性1. 利用小孔光阑调节He-Ne激光管(DH-HN250型)的高低、仰俯，使激光束与导轨平台平行，具体方法为(与纵模模式观测相同)：调节激光器高度，使其与扫描干涉仪

35、大致同高,将小孔光阑放置在靠近选取激光器位置，通过调节小孔光阑下端平移台螺旋测微器旋钮，调节光阑左右位置，上下移动固定光阑金属杆调节小孔光阑高低，以便使激光束通过小孔光阑中心；再将小孔光阑沿导轨移动到远离激光器的位置，调节激光器的俯仰角控制螺丝，使激光束通过小孔光阑中心。重复上述步骤，直到在两位置间移动时，光束都能通过小孔光阑中心。2.将3块滤光片和一块窄带滤波片放置在CCD前端的支架内，再将CCD放置于导轨上，使其与光束等高，连接CCD电源，并将CCD输出信号线连接到计算机上，将CCD移动到紧贴氦氖激光器输出口位置，调节CCD方位，使激光垂直照射到CCD入孔中心，在计算机屏幕上找到激光光斑,

36、测量光斑的直径,记录CCD在导轨上的位置.3.改变CCD的位置,每隔5cm测量不同位置光斑的大小，测量8个数据点4. 选择某一位置，在计算机内记录存储光斑形状，打印后粘贴在实验报告上。5. 利用origin软件拟合氦氖激光器光斑半径随位置的变化曲线，并确定束腰半径的大小。（origin软件用法单独讲解）二. 观测多模激光横模光斑1. 将反射镜R1放置于半腔镜靠近放电管位置,调节激光器出光最强.2. 利用光阑调节半腔激光器,使之与导轨水平.(方法与上一节相同)3. 将将2块滤光片和一块窄带滤波片放置在CCD前端的支架内，按照上节所述方法调节CCD和激光器,使激光光斑显示在计算机屏幕上.4. 在C

37、CD和激光器间放置偏振片,旋转偏振片使屏幕上光斑不出现饱和,根据光斑上光强分布初步判定激光输出是否是单模.5. 存储记录光斑图像,答应后贴在实验报告上.(与单模贴在一起)五. 半导体激光泵浦固体被动调Q激光器一. 实验目的: 1. 训练半导体激光泵浦固体激光的装调2. 测量半导体激光泵浦固体调Q激光器输出特性二. 理论：半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，简称DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的

38、发展方向。本实验的目的是熟悉半导体泵浦固体激光器的基本原理和调试技术，以及其调Q和倍频的原理和技术。图1为泵浦源LD发射光束空间分布光束，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式。本实验采用端面泵浦方式。图2为利用透镜组对于LD发射光束进行整形的间接耦合装置示意图，半导体激光器（LD）发射光束经光纤柱透镜对快轴方向发散光束进行准直，压缩发

39、散角，然后采用组合透镜对泵浦光束进行整形变换，各透镜表面均镀对泵浦光808 nm的增透膜，耦合效率较高。图.1 LD发射光束空间分布示意图 图.2 LD泵浦耦合装置目前常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和被动式可饱和吸收调Q,其中被动调Q技术具有本实验采用的Cr4+:YAG是可饱和吸收调Q的一种，它结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲。Cr4+:YAG被动调Q的工作原理为：图3为Cr4+:YAG能级结构图，激发态能级E1与基态E0间能级差恰好等于谐振腔内振荡激光光子能量，Cr4+:YAG晶体放置在腔内，当腔内激光振荡时,处于基态E0能级的原子吸收振荡光子能量向E1能

40、级跃迁，Cr4+:YAG晶体对于激光有吸收作用，且吸收率与腔内光强的大小有关（透过率会随着腔内的光强而改变）。在激光振荡的初始阶段，增益介质的反转粒子数密度较小，腔内光强较弱，Cr4+:YAG内大部分原子处于基态E0能级，Cr4+:YAG的透过率较低（初始透过率），Cr4+:YAG在腔内产生较大的吸收损耗，增益小于损耗，谐振腔无法振荡，而增益介质的反转粒子数在泵浦作用下不断增加；当增益介质的反转粒子数增大到阈值反转粒子数时，谐振腔增益等于谐振腔损耗时，激光开始振荡，此时由于在Cr4+:YAG内，大部分原子仍处于基态E0能级，激光通过可饱和吸收体的透过率仍为初始值（初始透过率），随着泵浦的进一步

41、作用，腔内光子数不断增加，基态E0能级原子在受激吸收作用下跃迁到激发态能级E1，基态原子数目减少，可饱和吸收体的透过率也逐渐变大，基态E0能级原子被抽空时，可饱和吸收体的透过率最大，达到饱和。此时，Cr4+:YAG的透过率突然增大，光子数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光子数密度达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于增益介质反转粒子的减少，光子数密度也开始减低，则可饱和吸收体Cr4+:YAG的透过率也开始减低。当光子数密度降到初始值时，Cr4+:YAG的透过率也恢复到初始值，调Q脉冲结束。以上为被动调Q基本原理，Cr4+:YAG实际能级结构要比图3复杂。 (a) (b)图3可饱和吸收体能级:

42、 (a) 振荡初始阶段; (b) 能级达到饱和3. 实验仪器图4 被动调Q激光装置示意图图4为LD泵浦Cr4+:YAG被动调Q激光器结构示意图,半导体激光器(LD)被固定在半导体制冷器(TEC)上,LD发射808 nm泵浦光整形后耦合到Nd:YAG晶体内；Nd:YAG晶体左端面作为激光全发镜，镀808 nm增透膜与1064 nm高反膜(考虑为什么镀这样两种膜)，右端镀1064 nm增透膜(T>99.5%)(考虑为什么镀这种膜？)。Cr4+:YAG晶体被放置在激光谐振腔内，其两端镀有1064 nm增透膜(T>99.5%)。输出镜为凹面镜，曲率半径为 ，透射率为 。4. 实验内容1.

43、摘除装置中的Nd：YAG激光晶体与Cr4+:YAG晶体，连接准直光源的电源，打开准直光源（650 nm半导体激光器），调整准直光源的高低位置与方位，使准直光束照射到LD封装窗口的表面，并使窗口表面反射光束回到准直光源出光口。2. 将Nd:YAG激光晶体装入固定架，调节晶体在导轨上的前后位置及左右方位，使从LD发射的整形后的汇聚光束位于左侧端面的中央，同时使汇聚光束的束腰位于激光晶体内部，且非常靠近晶体的左端面。考虑为什么？(以上两步由教师完成)3. 调整激光晶体的俯仰角，使准直光源出光口位于Nd:YAG激光晶体两个反射光斑中心位置。（为了抑制激光晶体的两端面形成激光谐振腔，形成所谓的寄生振荡，

44、激光晶体两端面有一定夹角）4. 将腔镜（平凹镜）固定在导轨上,使腔镜与激光晶体右端面间距离为10 cm，以确保能够在腔内放置被动Q晶体。调节腔镜使腔镜两表面内表面凹反射光束回到准直光源出光口，同时也使腔镜另一面（平面）反射光束也尽量靠近出光口。5. 打开LD的驱动电源，缓慢增加电流至0.8 安，调节输出镜，同时用红外探片观测激光器是否出光，出光后调节腔镜使出光变强，然后将激光功率计放在输出镜后，调节腔镜使激光输出功率最大。（注意：红外探片仅用来观测功率较低输出光斑，当输出功率较高时，禁止将探片对准激光，以防止探片被烧毁）6. 降低LD驱动电流，测量阈值，然后缓慢曾将电流每个0.2 A记录输出功

45、率，直至驱动电流至1.8 A。将测量数据列表格，并画出输出曲线。（用origin软件画曲线）7. 将LD激励电流调节到零，关闭电源，将Cr4+:YAG晶体放入激光谐振腔内，调节晶体俯仰角使晶体表面反射光束回到准直光源出光口。此时可将准直光源去除。（1064nm激光长期打在准直光源内对光源有损害）8.将激光功率计和光电探测器放置在输出镜后，开启LD泵浦电源，缓慢增大电流，用红外光探测器观测及光输出，当有激光输出时，移动功率计使激光射入功率计，继续增大电流至1 A，调节Cr4+:YAG晶体使输出功率最大；9. 降低驱动电流，测量阈值，比较加入Cr4+:YAG晶体前后阈值变化；移去功率计，调节光电探

46、测器使激光束入射到探测器中心，根据示波器输出激光脉冲的幅值，微调探测器，使激光脉冲最大；增大电流，每隔0.2 A测量输出功率、激光脉冲的频率和脉冲宽度，同时计算峰值功率，设计表格将上述测量和计算数据记录在表格内。六. 绿光倍频激光实验一. 实验目的1. 掌握半导体泵浦绿光固体激光器的装调2. 测量绿光倍频激光器输出特性二. 原理当一束波长为1.06m的激光通过倍频晶体后发现有0.53m的绿光出现，这种现象我们称为倍频效应，其基本理论如下:我们知道，在通常情况下，光学媒质多半是通光性很好的电介质，当不加外电场时，它们不呈现电性，虽然组成原子、分子的电子和原子核均是带电的粒子，但是当光通过介质的时

47、候，光波电磁场（主要是电场）要和带电粒子发生相互作用，即电场引起介质极化。在光波电场作用下，分子或原子的正负电荷重心分离，从而呈现电性。因为光波电磁场的频率非常高，电场方向周期性地迅速改变，因此分子、原子的极化也迅速改变。只有质量很轻的电子才能作如此迅速的响应，核几乎不动，这样，在物质内部就形成一个个迅速振动着的偶极子。不断振动的偶极子向外辐射新的电磁波，各振子产生的次极电磁波在某些方向彼此干涉加强，而在另一些方向彼此干涉相消。为了表征介质极化的大小，引入一物理量电极化强度P，它表示单位体积内由外电场引起的偶极矩之和，实验发现，在电场不太强时，电极化强度与电场成正比，即P=E（z，t） (1)

48、希腊字母，音（kei）为电极化系数。E可以是直流电场，在此实验情况中，它是光波电场：E（z，t）=cos（t-kz） (2)式中为光波电场振幅，为光波角频率（=2，为光频）。k为光波矢量（k=，n为介质折射率，为波长）。光在Z方向传播。将（2）式代入（1）式得P=cos（tkz） (3)可见，介质的极化也象光波一样在介质中传播，我们称之为极化波，还可以看到，此极化波的频率与原入射波的频率相同；这就是所谓的线性极化，可以想象得到，线性极化所辐射出的电磁波的频率也会与入射波的频率相同。但是，当光很强时，在（1）式中还应考虑到非线性极化，于是P=（1）E +（2）E2 +（3）E3 +。 (4)式中

49、（1）、（2）、（3）分别叫作一次、二次、三次极化系数；（1）即为（1）式中的，所以也称为线性极化系数。（4）式中第二、三等项称为非线性项。一般地说，每后面一项比前一项小得多，当E足够大时，非线性项就变得可观了，比如（4）式中第二项，既二次极化就会产生可观察到的效应。令 (5)将（2）式代入（5）式有t-2kz)+ (6)注意，式中出现频率为2的极化波，同样，它可以产生频率为2的次极电磁波。这就解答了我们刚才提出的问题。虽然，有了强的激光束就有可能产生非线性极化，从而得到倍频光，但是要有效地将基波能量转换到谐波上去，须满足所谓位相匹配条件 k2=2k1 （7）式中k1和k2分别为基波和二次谐波

50、的波矢，由（7）式可以得到： n2=n1 （8）这里n2和n1分别为基波和谐波在倍频中的折射率，（8）式表明，必须要求谐波和基波的折射率相等。从物理上看，由基波所引起的非线性振子辐射的倍频电磁波彼此同步，才能干涉加强从而得到强的倍频光。在各项同性介质中，（8）式是无法满足的，因为色散，使不同频率的光波具有不同的折射率，在各相异性的介质中，情况却大不相同，图51所示为负单轴晶体对基波和谐波的折射率曲面。由图可见，波矢在与光轴成的角度时，二次谐波e光的折射率等于基波光的折射率，此角满足下式： (9)图1 单轴晶体折射率曲面常用的倍频晶体有KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中，KTP为双轴晶

51、体，在1064nm光附近有高的有效非线性系数，导热性良好，非常适合用于YAG激光的倍频。KTP晶体属于负双轴晶体，对它的相位匹配及有效非线性系数的计算，已有大量的理论研究，通过KTP的色散方程，人们计算出其最佳相位匹配角为：q=90°，f=23.3°，对应的有效非线性系数deff=7.36×10-12V/m。倍频过程中，1064nm基频光向532nm绿光转换效率与1064nm基频光在倍频晶体中的功率密度成正比关系，为了提高倍频的转换效率，人们通常将倍频晶体放置在激光谐振腔之内（腔内倍频），由于腔内具有较高的功率密度，因此可以获得较高的倍频效率。还可采用脉冲运转方式

52、提高激光的峰值功率，以提高倍频效率。三. 实验仪器图2 倍频实验装置图LD耦合装置与实验五被动调Q中完全相同，输出镜为平面镜，腔内反射面镀1064 nm高反、532nm增透膜（考虑为什么这样镀膜），KTP晶体位于Nd：YAG晶体与输出镜之间，kTP晶体两端面镀1064 nm、532nm增透膜（考虑为什么这样镀膜）。考虑腔内高斯光束束腰位于什么位置？四实验内容及步骤1. 按实验四中的步骤1-4调整实验装置(不放入倍频晶体)，注意在调整输出镜时,由于在该实验中使用腔镜为平面镜,因此只需使其反射光束返回准直光源出光口就可。2. 打开LD驱动电源，缓慢增加驱动电流，当红外探片观测到激光输出时，调整腔镜

53、使探片光斑较亮，然后降低电流，当观察到光斑时有时无闪烁时，再优化腔镜，反复进行此过程使，激光器工作阈值最低。记录此时阈值。3. 放入kTP倍频晶体在靠近腔镜一端，使晶体端面反射光束返回准直光源出光口，在输出镜后，放置激光功率计，缓慢增加电流，当观测到绿光时，调节倍频晶体和腔镜的俯仰角，使光斑最亮，降低电流到刚能观察到绿光状态，再调节倍频晶体和腔镜的俯仰角，使光斑最亮，反复上述过程，使激光器阈值电流最小，记录阈值电流；缓慢增大电流，每隔0.2 A记录输出功率（将数据记录在设计好的表格内），同时用origin画出输出功率随电流变化曲线。高斯光束特性参数测量（直接测量）一. 实验目的: 1. 掌握测量高斯光束特性参数的基本原理 2. 掌握直接法测量高斯光束特性参数的技术方法二测量原理图.1 高斯光束传播示意图如图.1所示，激光器发射沿z轴传播的高斯光束，取光束中心轴某点O作为z轴坐标原点，则沿光束传播方向任意位置的光斑半径可以表示为： (1)式中是坐标为z处的光斑半径，为高斯光束的束腰半径，为束腰位置坐标，为光束的瑞利长度，其定义为：光斑半径为的位置相