合成后 四个实验激光原理实验指导书

1、氦氖激光器He-Ne激光器的基本组成是放电管、电极和谐振腔。 He-Ne激光器是目前应用最广泛的气体激光器,主要产生632.8nm的激光,功率只有几个毫瓦到几十毫瓦,但它有很好的光谱特性。对管长350毫米的管子,电流为5毫安左右,输出功率2毫瓦左右。He-Ne激光的放电管由毛细管和贮气管构成。放电的内管直径约23mm,管长几厘米到十几厘米,放电管越长功率越大,相应的放电电压就高。毛细管的尺寸和质量是决定激光器输出性能的关键因素。贮气管与毛细管相连,并且毛细管的一端有隔板,这是为了使放电只限于毛细管,贮气管的作用是增加了放电管的工作气体总量,延长器件寿命。普通的He-Ne激光器的放电管一般用GG

2、17硬质玻璃制成,对输出功率和波长要求稳定性高的器件通常用热胀系数更小的石英玻璃制作。光学谐振腔由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成,一般采用平凹镜形式,平面镜为输出镜。毛细管长度约1520cm的He-Ne激光器的输出镜的反射率98.5%99.5%。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。凹面镜为全反镜,要求反射率接近100%。管内主要按5:110:1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约200400Pa。He-Ne激光器结构分为三部分:既放电管、谐振腔和激发的电源。He-Ne激光器的放电电极多采用冷阴极形式,冷阴极材料多用溅射率小和电子发射率高的铝或铝合金。为了增加电子发射面积和减低阴极

3、溅射,阴极通常制成圆筒状,并有尽可能大的尺寸,阳极一般用钨针制成。连续工作的He-Ne激光器多采用支流放电激励的方式,起辉电压和工作电压与激光器的结构参数和放电条件有关,放电长度为1米的激光器,起辉电压在8千伏左右,He-Ne激光器的工作电流在几毫安到几十毫安的范围。氦氖激光器产生激光跃迁的是氖原子,氦是辅助气体。氦氖激光器是一种典型的四能级系统。氦氖激光器还存在最佳总气压和最佳气体配比,如毛细管直径为3毫米管内气体配比为He3:Ne20=5:1,总气压p=1.5乇(1乇=133Pa, 1乇1mm汞柱,1Pa为1N/m2 ,毛细管直径2.56mm时He3:Ne20=7:1,总气压p=1.4乇。

4、He-Ne激光器特点是在燃火管子之初给出高于管子着火电压的高压,正常放电以后,电源提供的电压则不宜过份高于激光管的工作电压。以免电源功率过多消耗在限流电阻上而降低效率。所以一般He-Ne激光器电源,获得高于激光管着火电压的瞬时高压后,电源电压马上降至略高于激光管的工作电压,但远比激光管的着火电压为低的水平。如下是一个采用四倍压触发,二倍压工作的450mm长的He-Ne管电源,该管工作电压为1.8-2.0kV,着火电压为4.5-5.5 kV,工作电流为8-10mA ;限流电阻选用8个8 W, 30k的电阻串联;整流二极管耐压大于5kV,电流为0.05A;变压器选用输出1150V,功率30W;电容

5、选C1,C2为0.47f,耐压为1.6 kV;对于C3,C4为容量为6800pf,耐压为5kV的瓷片电容。 实验目的:掌握He-Ne激光器原理与特性、了解He-Ne激光电源特点。实验仪器:He-Ne激光器、He-Ne激光电源、转镜和f 透镜组件实验步骤:1、熟悉He-Ne激光器使用、2、观察He-Ne 激光光束特点相位式激光测距原理将相位式激光测距仪整置于A 点(称测站,反射器整置于另一点B (称镜站。测距仪发射出连续的调制光波,调制波通过测线到达反射器,经反射后被仪器接收器接收。调制波在经过往返距离2D 后,相位延迟了。如将B A ,两点之间调制光的往程和返程展开在一直线上,用波形示意图将发

6、射波与接收波的相位差表示出来。设调制波的调制频率为f ,它的周期f T /1=,相应的调制波长f c cT /=。调制波往返于测线传播过程所产生的总相位变化中,包括N 个整周变化2N 和不足一周的相位尾数,即+=2N根据相位和时间D t 2的关系式D wt 2=,其中w 为角频率,则2(21/2+=N fw t D激光测距原理发射波与接收波的相位展开发射波与接收波的相位(2/(2N N L N fc D +=+= 式中 : 2/2/=f c L 测尺长度;N 整周数;2/=N 不足一周的尾数。由此可以看出,这种测距方法同钢尺量距相类似,用一把长度为2/的“尺子”来丈量距离,式中N 为整尺段数,

7、而2N 等于L 为不足一尺段的余长。 则L NL D +=式中,L f c ,为已知值,N ,或L 为测定值。现今的激光测距仪采用两个以上的固定频率为测尺的频率,不同的测尺频率的L 或N 由仪器的测相器分别测定出来,然后按一定计算方法求得待测距离D 。相位式激光测距仪的工作原理由光源所发出的激光进入调制器后,被来自主控振荡器(简称主振的高频测距信号1f 所调制,成为调幅波。这种调幅波经外光路进入接收器,会聚在光电器件上,光信号立即转化为电信号。这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高颇测距信号,它的相位已延迟了。+=N 2这个高频测距信号与来自本机振荡器(简称本振的高频信号1f '

8、经测距信号混频器进行光电混频,经过选频放大后得到一个低频(11f f f '-=测距信号,用D e 表示。D e 仍保留了高频测距信号原有的相位延迟+=N 2。相位式激光测距仪的工作原理图为了进行比相,主振高频测距信号1f 的一部分称为参考信号与本振高频信号1f '同时送入参考信号混频器,经过选频放大后,得到可作为比相基准的低频(11f f f '-=参考信号,0e 表示,由于0e 没有经过往返测线的路程,所以0e 不存在象D e 中产生的那一相位延迟。因此,D e 和0e 同时送人相位器采用数字测相技术进行相位比较,在显示器上将显示出测距信号往返于测线的相位延迟结果。

9、当采用一个测尺频率1f 时,显示器上就只有不足一周的相位差所相应的测距尾数,超过一周的整周数N 所相应的测距整尺数就无法知道,为此,相位式测距仪中还包含一组粗测尺的振荡频率,若用粗测尺频率进行同样的测量,把精测尺与一组粗测尺的结果组合起来,就能得到整个待测距离的数值了。实验目的:学习激光测距原理、与使用。实验原理:(略实验步骤:调好光路、用示波器和频谱分析找到两个频率并纪录,呼出测距波形。本实验有关人身和设备的安全事项1、本实验有高压和强辐射,注意人身安全。2、激光器打开时,绝不允许移动功率探头,因功率探头外壳是铝制,铝对红外线反射较强,防止的反射红外激光意外伤人。3、开机时先通冷却水、关机时

10、后断冷却水。防止激光管炸裂冷却系统带高压。-CO2激光器2CO激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源所组成。放电管大多采用硬质玻璃(如17GG制成,只有少数因特殊要求(如要求输出功率稳定性好或频率稳定性好的器件,才采用石英玻璃。放电管的内径和长度变化范围很大,小型2CO激光器放电管的内径一般为48mm左右,长度在1m以下。大功率激光器的内径一般大于10mm,长度达几十米。为了防止内部气压和气压比的变化而影响器件寿命,放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出功率,加有水冷装置。水冷套的间隙一般为510mm,间隙太小,虽流速大,但水流阻力大;间隙太大则水的流速低冷却效果不好。放电管一般采用多层套

11、管结构,气体放电管、水冷套管和贮气管三者制成共轴套筒,称为三重套激光管。也可将贮气套旁袖放置,水冷套和放电管同轴放置,称此为二重套旁轴激光管。2CO激光器的放电电流很小,放电管的阴极也多采用冷阴极,一般是用金属材料做成,形状为圆筒形,电极由与圆筒焊在一起的钨棒引到管外。筒的材料一般是用相片或镍片,圆筒的面积随工作电流的增加而增加。如长1m、内径20mm的管子,工作电流为3040mA时,圆筒面积约5×l02cm。圆筒可以与放电管同轴放置,也可旁轴放置,前者结构紧凑,但电极发热会影响激光输出的稳定性;后者制造方便,但电极溅射不会污染谐振腔反射镜,激光输出较稳定。2CO激光器的放电毛细管较

12、粗,为了增加输出功率,一般采用大曲率半径的平凹谐振腔(R>2L,甚至采用非稳腔以达到增大体积的目的。这样虽然调整2CO激光器的典型结构精度要求高些,但由于2CO 激光的增益高,容易出激光,比起He-Ne 激光器来,调整精度已不是主要矛盾。2CO 激光器的输出功率大,输出波长较长(10.6m,它的腔反射镜与He-Ne 激光器反射镜的结构形式有一定差别。中小型2CO 激光器的全反射镜一般用玻璃磨制而成,表面镀金膜。金对10.6m 波长的反射率可达98%以上,其化学性质也比较稳定。高功率2CO 激光器的全反端常采用金属反射镜,基板用不锈钢或黄铜,抛光后再镀上金膜。金属反射镜导热性好,也便于通水

13、冷却。玻璃的导热性差,在高功率条件下使用时,反射镜温度上升很快,容易破裂。输出端反射镜有好几种形式,较简单的形式是在一块镀金反射镜的中心开一个合适的小孔,外面再密封一块能透过l0.6m 波长的红外材料,激光通过这个小孔输出到腔外,称为小孔耦合输出。也可以直接用红外材料磨成反射镜,表面镀金膜,而中心留一个小孔不镀金。这种小孔耦合法的优点是结构简单,缺点是输出容易出现01TEM 或10TEM 模输出激光的光束强度分布不均匀。另外一种形式是用半导体材料直接耦合。由于半导体材料N 型锗对10.6m 波长吸收小,同时它的折射率高(对10.6m ,它的折射率M =4.02,抛光后反射率可达50%60%,所

14、以锗可作输出反射镜。还有一种形式是用介质膜反射镜,它是用能透射10.6m 的红外材料作基底,再在上面镀多层介质膜而制成的。这种形式需要大块均匀的红外材料且镀膜困难,故不常用。目前能做2CO 激光器输出镜的红外材料主要有:氯化纳(NaCl氯化钾(KCl、N 型锗(Ge、砷化镓(GaAs、硫化镉(TeS、硒化锌(ZnSe等。NaCl 和KCl 这两种材料的吸收系数很小,用它做输出镜时,吸收损耗可忽略。但它们很容易潮解,机械性能差,容易破裂,当晶体温度稍高于室温时就容易产生塑性滑动或破裂,因此难以加工成表面质量高的光学元件,使用也不方便。Ge 不潮解,机械性能比NaCl 和KCl 还好,加工容易,但

15、吸收系数比NaCl 和KCl 大,而且吸收系数随温度升高而变大。当温度超过50时,Ge 的吸收系数急剧上升,容易炸裂,故用于高功率的输出器件时,应注意冷却。实验证明,在没有采取冷却措施时,锗片允许的功率密度为26W/2cm ,采用压缩空气致冷时,允许功率密度提高到约30W/2cm ,当冷却到-40时,功率密度允许到88W/2cm 。选用半导体锗时,一般都用N 型锗,因为N 型锗的吸收系数比P 型锗低约1020倍。GaAs 的吸收系数也非常小,它的机械性能、化学性能和热性能部比较好,吸收系数随温度的变化没有锗那样剧烈,因此,大功率器件一般都用GaAs 面不是锗片。但它比锗贵得多。TeS 的吸收系

16、数也很小,它的化学稳定性机械性能和导热性都较好,但目前还比较难获得大块晶品材料。连续2CO 激光器的电源大多采用直流辉光放电电源,电源能提供几千伏到上万伏的直流电压。由于辉光放电的负阻特性,必须串接限流电阻才能使放电稳定。限流电阻的值约为放电管等效内阻的几分之一。限流电阻越大,放电越稳定,但功率损耗增大。当放电管比较长时,需要分段进行激发,这时容易出现各段不能同时均匀放电的现象。为了解决这个问题,设计电路时要有电压自动调节装置。2CO 激光器的输出功率随着放电管长度加长而增大。输出功率相放电管长度L 间有经验关系P =KL2CO 激光器在充2CO +2N +He 气且总气压和放电电流都为最佳条

17、件下,对于长度为数米以下的管子,多横模输出时k=4050W/m 单模输出时A =2030W/m 对于l0米以上的则为100W/m,50米以上的为180W/m 。2CO 激光器的输出功率与放电管的内径关系不大,这是因为在总气压强一定时,内径增大,则总粒子数增加,这有利于提高输出功率;但内径大将造成管中心区域散热慢,以致使激光下能级抽空速率变慢及谱线宽度增加导致输出功率下降,总的结果使得频率基本不变。但内径的选取不是任意的,应从其他方面的要求去选择合适的管径。例如;为了选10TEM 模,可采用小口径的管子;为了实现单纵模输出,常用长度短和口径小的管子;对于大功率激光器,为了减小衍射损耗、防止在大功

18、率输出时产生功率密度饱和及防止过高的功率密度造成谐振腔元件的发热损坏,这时要选较粗的放电管等等。对2CO 激光器的输出功率来说,放电电流也有最佳值,这是因为电流升高,放电管内的电子数目增多,可以激发更多的反转粒子数,但电子过多又会因碰撞激发而使反转板子数减少。2CO 激光器的最佳放电电流与放电管的直径、管内的总气压以及气体混合比有关。实验发现,随着管径的增大,最佳放电电流增加,例如管径为3030mm 时,最佳放电电流约为3050mA ,管径为5090mm 的最佳放电电流为120250mA 。放电管两端的直流管压降V 受E /P 值(或E /N和稳定放电两方面限制。当E /P 值低时,放电管内的电子转换效率高,但因E /P =V/LP(V 为放电管端电压,L 为放电管长度,E /P 低意味着V 低或P 高,V 太低和P 过高都将影响放电管正常稳定放电。为了兼顾以上两方面,一般取E /P =0.0750.15V .1-cm .1-Pa 由此可确定最佳放电电压。例如对1米长的放电管充气压为1333Pa 时,最佳放电电压为V =(0.0750.015LP=1020kV CO 2激光器原理CO 2线性对称排列的三原子分子,三个原子排成一直线,中央是碳原子