武大光科激光原理四个实验

PAGEPAGE31实验一大功率氦氖激光器的安装与调试实验【实验目的】通过对He-Ne激光器的安装与调试熟悉气体激光器的结构和工作原理。学会调整光学谐振腔的基本方法。要求将激光器调整到有最佳输出状态。【实验原理】氦--氖激光器是一种原子气体激光器，它主要由放电管、光学谐振腔、激励源三部分组成。激光器的结构因放电管和谐振腔镜片的连接方式不同而有内腔式、外腔式、半内腔式之分。（1）外腔式（2）半内腔式内腔式为两镜片与放电管分离。对于全外腔的激光器，它的腔是可调的，反射镜片和放电管的窗片都暴露在空气中，虽然生产厂都已进行了防尘封蔽措施，但是随着使用时间的延长，尘埃、水汽等还是会侵入，污染反射镜片和窗片，使激光器输出功率下降，直至不出光。激光器在使用过程中，由于其本身的热涨冷缩及外界振动等原因，都会使腔变形，也影响着激光器的模式，输出功率稳定性等指标。因此，使用者应该学会必要的维护技术和调整技术。激光器结构示意图见实验图1：实验图1激光器结构示意图【实验操作与现象】1．检修指南：(1)激光器不出光时检查程序：电源一放电管一气体颜色一反射镜一布儒斯特窗一谐振腔一毛细管电源激光器被点燃，激光放电管辉光放电，如一个霓虹灯一样。如果不能辉光放电，首先检查电源是否有问题。电源出了毛病，则需要修理电源或更换电源。放电管其次检查放电管。放电管破裂而漏气或铝电极严重溅射损坏都会点不着。有时虽然能够点燃，但放电也不稳定，一闪一闪的，这是电源与放电管匹配不好而至。放电管的参数有了变化或者电源出了毛病，都会出现放电不稳定。气体颜色如果能够点燃，并能稳定放电，而由于管内工作物质的成分发出变化，也导致无激光输出。氦氖激光器正常辉光放电是橙红色。主要观察阳极和阴极附近的放电颜色。颜色变兰或兰紫色，则放电管侵蚀入了空气。颜色呈乳白色，则是放电管去气不彻底或侵入水气。以上情况都属放电管损坏，必须更换新管芯。反射镜激光器的反射镜片严重污染，也会使激光器无激光输出。反射镜是在光学基片上镀上多层介质膜，有很高的反射率。其反射率的高低，直接影响着激光功率大小。反射镜受到污染，反射率大大下降，腔内光损耗增加，使激光淬灭。长期使用的激光器，可以明显的观察反射镜上有一个小白斑，这点正是激光的作用点。这是由于激光器腔内功率非常高，空气中的尘埃，水汽在激光束的作用下，游离到反射镜上，使之局部污染，停止激光振荡。这种局部污染的反射镜，只要转动一下反射镜，改变一下激光作用点的位置，还可以继续使用。布儒斯特窗布儒斯特窗处于激光腔内，它表面状态的好坏，对激光功率大小影响非常灵敏。它的外表面落上灰尘或异物，也会导致激光淬灭。这种情况出现，应该对窗片进行清洁处理。谐振腔激光器由于谐振腔失调而不出激光是一种很常见的情况，在长时间使用中，激光器每次点燃，实际是对激光器加热，关闭又使激光器冷却，热膨冷缩会使腔发生较大的变化，使些谐振腔失调，此种情况需调整谐振腔。振动或误碰调腔旋纽等，也都会弓[起激光器失调，导致不出光。失调引起不出光的激光器是可以通过调整来恢复的。毛细管长期使用也会使放电管发生变形，破坏毛细管的直度，最终都会使激光不出激光。由于毛细管是靠机械结构支撑，在一般情况下不会导致无激光输出。(2)激光器输出功率低检查程序：在使用过程中，激光器功率降低，可以从以下方面查原因：气体颜色一布儒斯特窗一反射镜一谐振腔一毛细管气体颜色首先观察放电管的放电颜色，来判断气体成份有无变化。颜色不正常，说明有杂质气体混入，使激活介质的增益降低，功率也随之下降。这种情况一般无法恢复原功率指标。也有这种情况：由于长时间不使用，颜色有些不正常，主要反映在阴极放电出口处，看上去颜色有些发淡。则可经过一段时间的点燃后，恢复到原来颜色。布儒斯特窗和反射镜片其次查看反射镜片和布儒斯特窗片有无污染，在长期的使用过程中，由于环境的影响，必然会受到空气中尘埃的污染。所以，有必要对反射和窗片进行适当的清洁处理，以保持该激光器有较高的功率输出及保证其它良好性能指标。谐振腔和毛细管检查激光器是否失调(反射镜失调或放电毛细管直度失调)。失调的激光器，其输出激光束的远场光斑周围衍射光比较强，并且不对称。因此，可以观察激光束照射在光屏上的光斑图样来判断失调情况。2，清洁处理(1)膜片清洁处理：吹掸拉擦膜片上落上异物，可取下防尘罩，用吹气球从膜片的侧面吹。用这种方法可以把一般的浮物吹掉，但要特别注意吹气球的清洁，否则会越吹越脏。膜片上异物也可以用清洁的棉球(医用脱脂绵)轻轻的掸。这时操作需要旋下激光器端面上的挡板，然后旋下镜片架，用棉球掸。棉球卷在一个小棒上，卷的要疏松。掸时，棉球从膜片的一边移动到另一边，切勿来回掸。棉球用过一次后必须换一个没有用过的位置或换新棉球。这种方法可以去掉附着比较牢的异物。还有一种方法是：将一张镜头纸放在膜片上，滴上清洗液，然后用手沿膜片表面的水平方向轻轻的，缓慢的拉镜头纸。由于清洗液的作用，使镜头纸紧紧的在膜片表面运动，把污物带走。操作时注意清洗液要滴的适量，在镜头纸离开膜片前，清洗液必须挥发完，以镜头纸拉出后膜片上不留有清洗液为佳。硬膜片是可以用高质量的镜头纸或棉球擦洗的。一般是将半张优质镜头纸，折成几折，成为约10X10mm2大小的纸块，用镊子或止血钳夹住，加上适量的溶剂。溶剂应是分析纯的，常用丙酮或者乙醇和乙醚(3：1)的混合物，用带有清洗剂的纸块从膜的一端慢慢的、力量适度的擦到另一边。一块镜头纸只擦用一次。(2)布儒斯特窗的清洁处理：布窗是用高质量的光学玻璃或石英制成。布窗内面已经封在放电管里，不在有外界污染问题。而另一表面暴露在空气中，在长期的使用过程中，会有灰尘或异物落在表面，使光功率下降，甚至没有激光输出。所以有必要对它进行清洁处理。它的处理方法是：小心取下防尘罩。防尘罩是用透明塑料胶片卷制而成，并用胶带纸将卷口粘牢，应首先取下胶带纸，从卷口处小心揭开。用清洁的脱脂棉球或叠好的镜头纸块，放上适量的清洗液擦洗(与清洗硬膜片相似)。每擦一次后要更换一次棉球和镜头纸，千万不能来回擦。在擦洗过程中，注意不要让金属镊子或硬物碰伤布窗。清洁布窗应在有激光振荡情况下进行，并使用功率计监视。这样可以根据观察窗片上对激光束散射光的强弱来判断是否清洁。当观察到的散射光极弱，甚至几乎观察不到时，则说明已经擦干净了，随之功率也会增高。处理完后，迅速装上防尘罩。3调整方法：对激光器进行调整，实际就是有针对性的调整其毛细管直度、两个反射镜之间的平行度、毛细管与反射镜的垂直度(以下简称直度、平行度、垂直度)，使激光器处于最佳状态，获得满意的性能指标。以下介绍几种方法：(1)十字光靶法(自准直法)这种方法是用于调整反射镜片与毛细管轴的垂直度失调而导致不出光的激光器。调整工具称之为十字光靶，它是由一个光屏和照明小灯组成。光屏用铝板或铁板制成，大小约有6cmX6cra，一面涂有白漆，在中间打一个约lmm的小孔，并以小孔为0点画一个黑色十字叉丝线。使用时，这个白屏必须用灯照明，因此可将一个灯泡安装在旁边，组成一体，便于使用，见实验图2。实验图2临时急用时，可用一张较厚的白纸片画一个黑色十字叉丝线，并扎一个约1mm的小孔做成光屏，用台灯或手电照明，也成为一个简单的光靶。首先将激光器点燃，使放电管辉光放电。将十字光靶放在失调端，十字屏对着激光器，距离在10cm左右。用眼睛通过光靶上的小孔去观查毛细管的轴心,见实验图3。如果太亮，可以在光靶与眼睛之间放入滤光片或戴上防护镜，颜色为浅红色或浅绿色。如果被调的激光器功率较大，为保护眼睛，可在腔内插入挡板，挡板放在不调整的那一端腔内的布窗与镜片之间。也可以放入透明的滤光片等，只要放在腔内就可以抑止激光振荡，防止在调整时突然出光，直射眼睛。实验图3光靶的小孔对准毛细管的轴，并移动光靶的位置，用眼睛观察，寻找毛细管中心的亮点(关键之处)。通过光靶从端面观察毛细管时，很容易看到毛细管内径的亮斑，所要观察的亮点是在毛细管孔径内的亮斑，不要误认毛细管内孔的亮班为亮点。看此亮点的要点是：必须沿着毛细管轴心看：必须看毛细管内孔的远处。这个亮点直径小于0．5毫米。它就是毛细管的轴心，见实验图4。当看到小亮点后，轻微移动光靶，使亮点处在毛细管亮斑的中心。此时不必管十字叉丝像所处的位置，只要达到实验图5所示状态，既说明已将光靶的小孔放在毛细管的轴线上了。实验图4实验图5光靶的位置不动，继续从小孔观察反射镜片上被灯照明的十字丝象。见上图所示。此时光靶的小孔已放在毛细管轴线上了，光靶的位置不能移动，若反射镜与毛细管垂直，即光靶的十字丝交点也在轴线上，与亮点重合。如反射镜片与毛细管轴处在失调状态，即不垂直时，所观察到的镜片上的十字丝像交点偏离亮点，见图上右所示。这时就需要调整反射镜了。反射镜是通过旋纽进行调整。旋纽安装在激光器的端面上，一般设计成正交调节，即两个旋纽调节时，分别使反射镜片绕X轴和Y轴摆动。出光端的旋钮探出在外面，可直接用手旋动。后端的旋钮在壳内，使用螺丝刀调节。在调节时，只是旋动，切勿施加压力。调节其中上端的一个旋纽，可观察到十字丝像的垂直线水平移动，调至垂直线与中心亮点重合，再调另一个旋纽，此时十字丝像的水平线垂直移动，也使它与中心亮点重合，见实验图7。注意：在快重合时，眼睛微移，以观察不到亮点为止，这样即使出光，也不会照射眼睛。反复调至到十字叉点与小亮点重合，垂直度就调好了。实验图6如果该激光器只是一端失调，即应出光。如激光器两端都失调时，用上述方法分别调整两端。在调整时，由于观察误差，很难一次调整成功出光。所以在两端都失调的情况下，一般需要反复调节多次。(2)扫描法：这种方法也是上种方法的继续。已知激光器只有一端失调时，但失调度不大，或者已用十字光靶法将十字丝像调到与亮点重合，还不出激光，则用扫描法进行调节。操作时，两个旋纽同时调节。一个旋纽在原位缓慢的来回旋动或来回步进旋动，另一旋纽在原位较快速的来回旋动。这就相当于镜片与管轴在基本垂直的位置上扫动，寻找最佳垂直位置，使之出光。在扫动过程中，一旦有激光闪出，就马上停止旋动。这时只要调节快速旋动的那个旋纽，即可找出最佳垂直位置，达到有激光输出。然后，再用功率计监视，仔细反复调整旋纽，使输出激光功率升高。(3)跟踪法：此方法适用于垂直度失调，但失调度不大，有激光输出的情况。激光器虽然有激光输出，但功率并不高，在分别调节反射镜时，功率也不升高，达不到原功率指标。这是因为两个反射镜的平行度虽然已调好，但垂直度有很小的失调，此时虽有激光输出，但功率低，如实验图8。实验图8在调节反射镜时，无论调到那一端，都会使功率下降。因为只要调节，首先破坏了两反射镜的平行度，则功率就会下降，仅仅调一端反射镜解决不了反射镜与毛细管轴的垂直度问题。在此状态下，观察输出光斑图样，其图样不呈圆形，又不均匀，也不对称。在上述情况，激光器的垂直度失调不大时，很难判断其失调的方位。由于有激光输出，可以用功率计监视调节。首先调节激光器尾端的一个旋纽，顺时指针方向旋转一个小角度，有意破坏其平行度，同时观察功率，使输出功率下降到原来调时功率值的1／4。然后再调节激光器前端所对应的那个旋纽，如后端调节的是反射镜绕X轴转动的那个旋纽，前端也调节反射镜片绕X轴转动的那个旋纽。实际是用前端镜片跟踪后端的镜片，来恢复两镜片的平行度。此时观察输出的功率值，如功率比原功率低，说明垂直度更差了，应改为逆时针旋动后端旋纽，前端再跟踪调节。如功率是上升的趋势，则继续跟踪调节，直至垂直度最佳，而平行度也不被破坏，使功率达到最大值。用同样的方法调节另外的那对旋纽，使功率上升到最高值。要获得最佳垂直度，需要用该方法对两组旋纽反复进行调整，最后达到激光功率最大。此时光斑图样也达到最佳，光强呈高斯型分布。(4)激光准直法：该方法是较完整的调整方法。它对直度和垂直度都进行了调整，可靠性高，很容易使激光器达到最佳状态。a．准直光路实验图9给出调整准直光路。实验图9它是由一个小型氦氖激光管，小孔光栏和光屏组成。小孔光栏放在氦氖激光准直管的出口端，使光束从小孔穿过。光阑孔为1—1.5mm。光屏放在远端大约1米远，屏上画一个十字线，使光束射到光屏的十字线交点上。这条激光准直线与工作台面基本平行，高度与被调激光器出光轴的高度差不多，以便能使激光b．激光器放入光路无激光输出的失调激光器，先把两端的反射镜取下，将激光器架放在准直光路中，左右移动激光器和调节激光器底脚螺丝使激光器上下移动，观察毛细管前端，让激光束通过布儒斯特窗进入毛细管。再移动后端，同时观察光屏上的光斑图样。首先应该在光屏上看见穿过的光斑，并移动时要同时注意到前后端。开始在光屏上的光图样很散，不规则，也不在远处光屏十字中心。则继续移动激光器架，使光斑图样变小并向十字线交点移动。如果毛细管本身是直的，在进一步仔细移动激光器架，使光屏上的光斑成为衍射环状，见图。斑是一环一环的，外环与内环对称，亮度也均匀，此时激光器就被准直好了。不必执行下一步“毛细管调直”。c．毛细管调直如果毛细管不直，光屏上的光斑图样也不会好，需要调整一下毛细管的支撑点，使光斑呈现实验图10状态。实验图10毛细管是由四个可调的支架支撑，出厂时已用激光准直调好，一般不必大动。支撑架侧面上下有两个可调螺钉，用小螺丝刀插入旋动。调上面，毛细管左右移动，调下面，毛细管上下移动。调节时，切勿施加压力，以免支架弹性变形，影响最佳状态的调整。在调节时，有个别支点若不随调节移动，可用手辅助加点力。四个支点反复调节，后端的支点比前端的支点灵敏。调到光屏上的光斑图为最。d．安装反射镜毛细管被准直好后，安装上后端的反射镜片，一般是全反的凹面镜。放好后，调节镜片旋纽，使反射光束通过毛细管返回到光栏的小孔处。当光束中心进入小孔光栏后，可以观察到这条准直光有闪耀现象，认为此镜片的垂直度已经很好。光闪耀现象是由于放入的镜片与准直激光管输出端镜片构成一个振荡空腔，即F—P腔。在这个腔的作用下，激光束在此腔内产生振荡，光束有强弱变化。接着再装入前端的反射镜片，调节该镜片，使其反射的准直光束返回到光栏小孔处。将激光器电源接通，点燃放电管，激光器可出激光，如无光则只要稍调一下前端镜片，使返回光点在小孔附近扫描，即可能调出光。e统调与清洁处理如果布窗有污染，可对其进行清洁处理。激光器出光后用功率计监视着进一步调前端的反射镜，以及非常精细的调整毛细管的直度，使直度、平行度和垂直度都达到最佳状态，得到功率最大。毛细管的调整方法“C”节。此时，调节前端的支点比后端的支点灵敏，两端的支点比中间的支点灵敏。实验二氦氖多谱线激光器在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。实验原理一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。初始建立激光振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。小信号增益与阈值增益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2Pi（2Pi是2P1，2P2，…，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数是用用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性的装置测得的，各谱线的放电电流相同。表1He-Ne3S2-2Pi谱线的小信号增益系数跃迁能级激光波长小信号增益系数G0/cm-1相对增益系数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谐振腔的稳定条件激光器的谐振腔是由两块相距为L，曲率半径分别为球面的反射镜组成。要使腔内近轴传播的光线多次来回反射不会逸出腔外，腔镜的曲率半径级腔长必须满足（1）对平凹腔来说，若R2＝∞，稳定条件为0<(1-L/R1)<1，则凹面镜的曲率半径必须大于腔长。对于对称腔，R1＝R2＝R，稳定条件为(1-L/R)2<1，则反射镜的曲率半径必须大于腔长的一半。由于相对小的曲率半径对应相对大的发射角，通常反射镜的曲率半径选择2～5倍腔长。激光振荡条件建立激光振荡必须满足光在增益介质中来回运行一次得到的增益足以补偿运行中的损耗，用公式表示为（2）式中r1和r2分别为谐振腔两镜片上的反射率，La为增益介质长度，G为建立稳定激光时介质单位长度的增益，叫阈值增益系数。aa为增益介质内的损耗，包括衍射损耗。两镜片总的反射率r与投射率t及吸收散射损耗as的关系有（3）谐振腔反射镜谐振腔反射镜镀有多层光学介质膜。实验使用反射率高达99.9％。而损耗小于0.1％的高质量介质膜，使低增益激光谱线实现振荡成为可能。介质膜反射率带宽（即波长范围）通常为1000左右，实验中涉及的九条激光谱线覆盖的波长范围约2000，需使用两种或三种不同波长范围的反射膜片。腔内棱镜在谐振腔中插入色散棱镜P，如图1所示。由于棱镜分光作用，对不同波长其偏向角不同，谐振腔只能对其中一条谱线满足振荡条件，而其它波长由于偏离谐振腔光轴，损耗大于增益不能起振。若要改变振荡谱线，需把棱镜和谐振腔调准到使该谱线满足振荡条件的位置。棱镜调谐波长的方式基本上有两种，一种是棱镜的入射角不变，不同波长对应不同出射角，调谐波长时，棱镜保持不动，只改变谐振腔反射镜的方位，使相应波长的光束沿原路返回实现振荡。另一种是棱镜出射角不变，反射镜相对棱镜不动，当改变波长时，使棱镜和反射相对入射光做整体转动。后一种也可采用半棱镜结构，在半棱镜的出射面上镀有全反射介质膜，取代谐振腔反射镜。用半棱镜优点是调节元件损耗小，缺点是棱镜的角色散和角分辨减小了一半。本实验采用第二种方式的全棱镜结构。图1色散棱镜的作用关于棱镜材料与加工可见光波段He-Ne激光谱线的增益是很小，每厘米约为10-3～10-5量级。在谐振腔内插入色散棱镜必然会增加腔内损耗，因此在选择棱镜材料和加工时要尽可能减少损耗。棱镜材料要求透明度高，色散大，熔石英的透明度很好，在可见光区每厘米长度的吸收率小于0.001，但色散不理想，可用在增益小而谱线间隔相对大的短波长区。重火石玻璃在可见光区吸收比熔石英大好几倍，但色散也比熔石英大几倍，可用在632.8nm附近谱线间隔密集而增益系数相对大的光谱区。棱镜表面加工光洁度在顶角A附件要求达到I级。棱镜顶角的设计为了减少光束在棱镜界面上的反射损耗，光束在棱镜界面上的入射角应是布儒斯特角θb，同样从棱镜出射的光束也是布儒斯特角，如图2所示。从图中光线的几何关系可知棱镜顶角A应满足（5）式中为棱镜材料内的布儒斯特角，n0为棱镜所用波段中心波长的折射率。实验中提供了两块棱镜供选用，一块为熔石英，棱镜顶角为A＝68º55′，另一块为重火石玻璃，棱镜顶角为A＝61º52′，中心波长均为632.8nm，各种波长都以632.8nm的布儒斯特角θb,633为出射角，各种波长相应的入射角θλ可用下式求得：（6）式中nλ表示相应波长的折射率，其数值是根据文献【2】给出的特征波长折射率，用内插法求得。两块棱镜的数据分别由表2和表3给出。图2棱镜光路表2重火石玻璃棱镜激光波长与入射角的关系（A＝61º52′）波长λ/折射率nλ入射角θλ入射角改变量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熔石英棱镜激光波长与入射角关系（A＝68º55′）波长折射率nλ入射角θλ入射角改变量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′实验装置实验装置如图3所示，图中Las是氦氖气体放电管，增益区长1m，氦氖比例为5:1，总气压为250Pa，内径2.5mm，放电管两端封窗为熔石英材料。图3实验装置示意P为色散棱镜，SP为棱镜转台，转台的最小分度为1′。M1，M2，M3为谐振腔反射镜，分别装在两个调节自由度的镜架上。如图4所示，图中M表示装在镜架上的反射镜，a，b为把镜架支撑在基座上的弹簧螺丝，A，B，C为镜架微调螺丝，一般不调C，调节A钮时镜片M以CB连线为水平轴作微小转动，调B钮时M以CA为垂直轴作微小转动。图4反射镜调节架M1，M2组成辅助腔，M1为凹面全反射镜，曲率半径一般选择2～3m，M2为平面镜，反射率要求不严格，一般大于97％。首先在M1和M2之间调出6328激光，为调整棱镜P和反射镜M3提供准直光线。M1和M3构成带棱镜的可调谐波长的谐振腔。M3的曲率半径一般选择3m以上。反射率取决于谱线增益及对输出功率的要求，反射率大于99.7％的镜片，适用于波长大于6118的谱线，对波长最短的三条谱线，反射率要求达到99.9％，尤其是5433谱线增益最低，对调节精度的要求也是最高的。W表示激光功率计，最小量程10μW，最大量程50mW。WDG表示WDG-30型光栅单色仪，用来鉴别激光波长。波长精度为1，入缝处用毛玻璃减光，出缝处可用目镜直接观测。实验内容及要求谐振腔的调整谐振腔的调整偏差谐振腔的调整要使腔的光轴与放电毛细管的管轴基本重合，其偏差直接影响激光功率的大小。为了便于分析，把谐振腔的调整偏差分解为平行度偏差δ1和垂直度偏差δ2两部分。以对称腔为例，腔镜M1，M2的曲率中心，其连线为谐振腔的光轴，光轴相对管轴的距离为r，假设允许的最大偏差rm为毛细管直径D的1/10，则平行度偏差δ1可用M1或M2镜的偏斜角表示（7）腔镜的曲率半径R越大，允许的平行度偏差越小，对调节的精度要求越高。图5平行度偏差示意图6垂直度偏差示意图6给出垂直度δ2的示意，镜M1，M2的曲率中心分别为，分布在管轴的两侧，位移量为r′，新的光轴为连线，这时M1与M2是相互平行的，只是光轴与管轴有一交角，假设毛细管长等于腔长L，光轴允许的最大偏差在镜片上用rm表示，由图中几何关系可知。（8）谐振腔垂直度偏差δ2可用镜片的偏角θ表示（9）用（8）式中的代入（9）式得（10）（10）式表明当腔镜的曲率半径比腔长大时，允许的垂直度偏差比平行度偏差大。如果腔镜的调节感量（或精度）比允许的垂直度偏差小，当激光器调出激光后，还可以经过精心的调节使垂直度偏差减小，从而使激光功率增强。直腔激光器的调节方法直腔指腔内没有插入色散棱镜的激光腔（如图7(a)所示），调节时用到一种叫光靶的调整工具。光靶的结构是一个带手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字线并有小灯照明，十字线的中心开有直径约为0.8mm的小孔。调整时让刻有十字线的一面对着激光器的一端，让眼睛从光靶的背面通过小孔观察处于放电状态的毛细管，能够看见在反射镜膜片透光的背景上有一个直径约为2－3mm的放电毛细管截面，颜色比周围背景亮。如果小孔处在毛细管轴线附近，在毛细管的截面内还应看见一个更亮的只有针尖大的亮点，这就是放电毛细管的轴心。如图4.7(b)所示，上下左右调整光靶的位置，使小亮点处在毛细管截面的中心，这是光靶的小孔就处在毛细管的轴线上了。图7直谐振腔的调节下一步的调节要使反射镜的光轴与这条轴线重合，如果反射镜的法线与管轴偏离不远，在视场内就可以看见通过反射镜的十字线虚像。调节反射镜架上两个俯仰A和偏转B螺丝（见图4），使十字像的中心与毛细管截面中心亮点重合。这时反射镜的法线与放电管轴线重合。用同样的方法调节另一端反射镜。如果上述步骤操作准确，激光就会出现。若不出激光可多次重复上述步骤。仍无效时可如下操作，来回微调A钮使十字线沿毛细管轴心上下扫描，当两镜片接近时可观察到轴心亮点变亮，把A钮固定在使轴心最亮的位置上，用同样的方法调B钮。再调另一面反射镜，只要出现中心亮点变亮的现象，调出激光就不难了。激光出现后移去光靶，放上功率计，再仔细调节两个反射镜架上的A，B钮，直到激光功率最强。这时两镜片在调节精度范围内是相互平行的，但很可能谐振腔的垂直度偏差还有较大的余量可供改善。使δ2减小的方法如下：设M1，M2镜架上的调节螺丝分别为A1，B1和A2，B2，假设先调使腔镜绕水平轴转动的俯仰螺丝A，令A1为主动，则A2为随动，若顺时针方向微调A1，使激光功率下降少许（不超过十分之一），再调A2，若激光功率上升说明顺时针方向微调A1是正确的，以上步骤可以继续操作，直到调A2时激光功率不再上升。若一开始调A2激光功率不上升，应改为逆时针微调A1，重复上述方法。然后换调使腔镜绕垂直轴转动的螺丝B。令B1主动，B2为随动，方法如前述，当激光功率达到最大时，激光腔的光轴与管轴在调节精度范围内达到了最佳状态。带色散棱镜的激光腔调节方法如图3所示，现在M1和M2之间调出激光并使输出激光达到最强，再按以下要求操作：棱镜台的调整图8棱镜转台示意棱镜台的结构示意图如图8所示，这是利用小型分光计的转台改装的，若自行设计应考虑采用正交调节机构。图中o表示棱镜平台转轴，转动角度可以从度盘上读出，读数精度为1′。度盘下面还有使平台转动的微调螺丝，图中未画出。平台的倾斜用x，y，z螺丝调节。转轴的空间方位由基脚螺丝P，Q，V调节。棱镜台的放置须使PQ的连线与激光束方向平行，并在VO方向移动，使棱镜台的转轴与激光束相交。调棱镜台转轴应与放电管布儒斯特窗的入射面垂直，即分别使棱镜台转轴与布儒斯特窗上的透射光线和反射光线垂直。用一块平面镜放置在棱镜平台上，镜面与xy连线正交，使激光正入射在平面镜上，调x或y螺丝使光束沿原路返回，将棱镜台转180°若反射光不与入射光重合，说明棱镜台的转轴不垂直于激光束。分别调平台上的螺丝x或y及转台的基脚螺丝P或Q各使反射光与入射光的差距减少一半，反复使棱镜台转动180°，用上述方法调节，直至平面镜的反射光追踪从布儒斯特窗上的反射光落于远处某点的光斑（参考图9，只把图中的棱镜改为平面镜）。调棱镜台的基脚螺丝V使两光斑重合。图9棱镜调节示意色散棱镜的调节棱镜的调节如图9所示，三棱镜有两个通光面，用N1，N2表示。两通光面的夹角为棱镜顶角A，另一界面为毛面，图中用粗线表示。放置棱镜要注意以下几点：使入射界面N1与棱镜台转轴o大致重合，以便在转动镜台时入射光点的位置基本不变；使入射光线靠近棱镜顶角A，光线在棱镜中的光程较短，可减少棱镜材料吸收散射等损耗，但要防止光束从棱镜顶角前漏过；使棱镜界面与棱镜平台三个调节螺丝的连线基本垂直；由于反射镜M3安装在棱镜平台上，可移动的范围有限，放置棱镜时要考虑出射光的方向与M3的方位相符。调节棱镜两个通光面的法线，使之与棱镜台转轴垂直。使N1面对准激光束，调节与N1面有关的平台螺丝x或y，使光束沿原路返回。再使N2面对准激光束，只能选择调第三个平台螺丝z使光束沿原路返回。应注意到调节螺丝x对N1，N2面都有影响，此螺丝一般不用。调M3镜转动棱镜台，使M2输出的光束以布儒斯特角入射到N1界面上，转动的角度可由棱镜台度盘读出，也可从棱镜界面反射光强最弱来判断，角度确定后用棱镜台的固定螺丝锁住。调整M3镜台的中部。在棱镜顶角A的前方放置一个白纸屏，调节M3镜架上两个俯仰，水平螺丝，使光束沿原路返回。在调M3镜的过程中，在白纸屏上可以看到从棱镜的两个侧面上经多次反射出的两串光斑。当两串光斑各自重合于一点时，表明M3镜准确地使光束沿原路返回。取下辅助腔镜M2，如果前面的调整步骤均达到要求，这时激光就可以在M1和M3之间振荡。再细致调节M3镜，使激光功率达到最强。转动棱镜台的微调螺丝，其它波长的激光就会相继出现。测量要求用单色仪测量多谱线激光器输出的各条激光谱线的波长。找出各条激光谱线输出功率与放电电流的关系，记下最大激光功率值及相应的最佳电流值。棱镜和反射镜的搭配。表4提供了二种棱镜及三组反射镜适用的波长范围。用玻璃棱镜至少调出四条激光谱线是实验的基本要求。表4棱镜及反射镜适用的波长范围棱镜材料反射镜编号可调出的激光波长/ZF2玻璃1，26401，6352，6328，6294，6118熔石英3，46328，6118，6046，5943，5433熔石英5，67305，6328实验三半导体激光器的P-I特性及调制实验一、实验目的熟悉半导体激光器的结构。掌握半导体激光器的伏安特性、阈值特性和输出特性。掌握半导体激光器的调制特性。二、实验原理1、半导体激光器的基本结构半导体激光器大多数用的是GaAs或Ga1-xAlxAs材料，p-n结激光器的基本结构如图1所示。p-n结通常在n型衬底上生长p型层而形成。在p区和n区都要制作欧姆接触，使激励电流能够通过,这电流使结区附近的有源区内产生粒子数反转，还需要制成两个平行的端面起镜面作用，为形成激光模提供必须的光反馈。图1中的器件是分立的激光器结构，它可以与光纤传输线连接，如果设计成更完整的多层结构，可以提供更复杂的光反馈，更适合单片集成光路。2、半导体激光器的阈值条件：当半导体激光器加正向偏置并导通时，器件不会立即出现激光振荡。小电流时发射光大都来自自发辐射，光谱线宽在数百唉数量级。随着激励电流的增大，结区大量粒子数反转，发射更多的光子。当电流超过阈值时，会出现从非受激发射到受激发射的突变。实际上能够观察到超过阈值电流时激光的突然发生，只要观察在光功率对激励电流曲线上斜率的急速突变，如图2所示；这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的缘故。从定量分析，激光的阈值对应于：由受激发射所增加的激光模光子数(每秒)正好等于由散射、吸收激光器的发射所损耗的光子数（每秒）。据此，可将阈值电流作为各种材料和结构参数的函数导出一个表达式：（1）这里，是内量子效率，是发射光的真空波长，是折射率，是自发辐射线宽，是电子电荷，是光发射层的厚度，是行波的损耗系数，是腔长，为功率反射系数。3、横膜和偏振态半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构，所以在共振腔中传播光以模的形式存在。每个模都有自己的传播常数和横向电场分布，这些模就构成了半导体激光器中的横模。横膜经端面出射后形成辐射场。辐射场的角分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。辐射场的角分布和共振腔的几何尺寸密切相关，共振腔横向尺寸越小，辐射场发射角越大。由于共振腔平行于结平面方向的宽度大于垂直于结平面方向的厚度。所以侧横场小于正横场发散角，如图3所示；侧横场发散角可近似表示为:，表示共振腔宽度。共振腔厚度通常只有左右，和波长同量级，所以正横场发射角较大，一般为30°～40°。辐射场的发散角还和共振腔长度成反比，而半导体激光器共振腔一般只有几百微米，所以其远场发射角远远大于气体激光器和晶体激光器的远场发射角。图3半导体激光器的发散角半导体激光器共振腔面一般是晶体的解理面，对常用的GaAs异质结激光器，GaAs晶面对TE模的反射率大于对TM模的反射率。因而TE模需要的阈值增益低，TE模首先产生受激发射，反过来又抑制了TM模；另一方面形成半导体激光器共振腔的波导层一般都很薄，这一层越薄对偏振方向垂直于波导层的TM模吸收越大。这就使得TE模增益大，更容易产生受激发射。因此半导体激光器输出的激光偏振度很高。偏振度计算公式（2）4、纵模特性激光二极管端面部分反射的光反馈导致建立单个或多个纵光学模。由于它类似于法布里—珀罗干涉仪的平行镜面，激光器的端面也常称为法布里——珀罗面。当平行面之间为半波长的整数倍时，在激光器内形成驻波。模数m可由波长的数值得出。（3）式中， L是两端面之间的距离，n是激光器材料的折射率，是发射在真空中的波长，模的间隔由确定：（4）对应,模的间隔为（5）半导体激光器典型的光谱如图4所示；通常同时存在几个纵模，其波长接近自发辐射峰值波长。GaAS激光器的纵模间隔的典型值为为了实现单模工作，必须改进激光器的结构，抑制主模以外的所有其他模。图4半导体激光器的光谱5.半导体激光器直接调制的原理由图6.2可以看出当驱动电流密度大于后，开始发射激光。发射激光的强弱直接与驱动电流的大小近似成正比关系。若把调制信号加到激光器电源上，即可以直接改变激光输出光信号的强弱。这种方式简单，且能在高频工作，并能保证有良好的线性工作区和带宽，因此在光纤通信、光盘和光复印等方面得到广泛应用。图6.3所示的是半导体激光器调制原理的示意图，其中图（a）是电源示意图，图（b）是输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流，这样就可以使输出的光信号不失真。但是必须注意，把调制信号源与直流偏置隔离，避免直流偏置源对信号源产生影响，当频率较低时，可用电容和电感线圈串连来实现。输出功率（a）电原理图（b）调制特性曲线输出功率（a）电原理图（b）调制特性曲线图5半导体激光器调制输出光强信号输出光强信号直流偏置直流偏置调制信号调制信号t直流偏置半导体激光器t直流偏置半导体激光器调制信号调制信号实验装置1．双异质结GaAlAs半导体激光器；2．半导体激光器电源；3．激光功率计；4．双通道示波器；5．高速光电接收器6．信号函数发生器实验内容与实验步骤1．测量半导体激光器的输出特性；2．半导体激光器调制；3．半导体激光器的偏振度测量。图6半导体激光器P-I输出特性测试光路将半导体激光器跟精密电源后面输出旋钮相连，红线为正，黑线为负，改变电流大小，观察半导体激光器LD电源电流表（mA）的注入电流。在平台上放置半导体激光器调整架和功率指示计探头，粗调各调整架的高度，使其高度大致相等。调节将精密电源旋钮，增大直流源，选择12栏光探头的合适孔径栏，以便于全部的激光功率进入。调整激光器的激光指向，使激光进入功率指示计探头，使显示值达到最大。逆时针旋转电流旋钮，逐步减小激光器的驱动电流，并记录下电流值和相应的光功率值，每2mA测量一次。观察半导体激光器输出功率P的变化，重复2次，将试验数据列表。绘出电流－功率（P—I）曲线，即为半导体激光器的电光特性曲线。确定半导体激光器的阈值电流。换台半导体激光器，将信号函数发生器的信号（TTL）接入半导体激光器电源，把调制信号连接到示波器.利用高速光电探测器采集调制后的光束，将放大处理后的信号与示波器另一通道连接，对比两信号的波形情况。测量输入调制信号在1V、3V、10V三组电压分别在3HZ，10HZ,30HA,100HZ,1kHz、3kHZ、10kHz条件下时，光输出信号的电压与频率。10．根据测量数据分析调制信号与输出光强信号间是否存在线性关系。【思考题】半导体激光器与氦－氖激光器的结构与工作原理有何异同？半导体激光器的调制方式是内调制还是外调制方式？实验四氦氖激光器模式测量相对一般光源，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，可由一条或多条离散的、很精细的谱线构成。这些谱线就是激光器的模，每个模对应一种稳定的电磁场分布，即一个特定的光频率。对于激光，相邻两个模的光频率相差很小，因此需用分辨率较高的分光仪器来观测。当从沿光传播方向和垂直光传播方向两个角度去观测和分析每个模时，发现有许多不同的特征，为方便，每个模又可相应地称作纵模和横模。在激光器的生产和应用中，常常需要预先知道激光器的模式状况，如精密测量、全息技术需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距不仅需要单横模而且要求单纵模运行的激光器。因此激光模式测量非常重要。本实验从几支氦氖激光的频谱结构入手，分析研究不同纵横模的场分布特征，并通过测量得出纵横模个数、频率间隔、模序数等参量。

一、实验目的1、了解激光模的形成及特点，加深对其物理概念的理解。2、通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。3、通过实验，对共焦球面扫描干涉仪的原理、性能有足够的了解，并学会正确使用。二、实验仪器：氦氖激光器，共焦球面扫描干涉仪，示波器，平台，白屏，光电接收器三、实验原理1、激光的频率特性我们知道，不同纵模对应不同的频率，那么，同一纵模序数内的横模又如何呢？同样不同横模也对应着不同的频率。横模序数越大，频率越高。通常我们也不需要求出横模频率，关心的只是不同横模间的频率差。激光原理课程中指出，对稳定球面腔激光器，其模频率的数学表达式是：（1）式中，q为纵模序数，m、n为横模序数。R1、R2分别为两反射镜的曲率半径；L为腔长，n为工作物质的折射率。当m=n=0时，称为基横模（TEM00）。当m（或n）≠0时，称为高阶横模。不同横模（m、n不同）对应不同的横向光强分布，既有不同的光斑图案。用目视方法和测量强度分布来分析横模结构，正是利用了不同横模之间强度分布的差异。不同横模（即m、n的取值不同）对应着不同的振荡频率。其频率间隔为：（2）式中，m=│m´­m│;n=│n´­n│。利用这种频率差就可以精细地分析激光束的横模结构。可见，相邻横模间距为：（3）He--Ne激光器的谐振腔若是平凹腔，即R2=，这样，上式成为：（4）当R1=R2=L（共焦腔）时，则有：（5）不同纵模对应不同的纵向光场分布，但这种分布肉眼是无法分辨的，只能根据不同纵模所对应的不同频率来分析纵模结构。纵模频率为：（6）而相邻纵模间的频率间隔为：（7）由上面分析可知，对于共焦腔纵模间隔是横模间隔的两倍。2、共焦球面扫描干涉仪的工作原理及其性能指标(1)、结构原理共焦球面扫描干涉仪是由两块镀有高反射膜、曲率半径等于腔长的反射镜组成的。它们的近轴焦点重合，构成一共焦系统。两块反射镜中一块固定不动，另一块固定在压电陶瓷环上，压电陶瓷环的长度变化与其上所加电压成正比。当压电陶瓷环用一定幅度的锯齿波电压调制时，腔长作微小变动，变化量是波长的数量级。R1R1M1M2压电陶瓷LR2图1、共焦球面扫描干涉仪光路图如图1光在干涉仪内反射四次构成一闭合回路，因而相邻两束光的光程差为：(8)当4L=k（k为正整数）时，干涉仪对入射光有最大透射率。当改变干涉仪腔长时，对应的最大透射频率发生改变。因而我们可以观察到光谱扫描。（2）、性能指标a、自由光谱区由式可知，干涉仪的谐振波长是反射镜间隔L的周期线性函数，当间隔L变化时，波长为的模可再次通过干涉仪，即干涉图形改变一个干涉级次，若对上式微分，并取，即可得波长的变化范围为：(9)因为，若以频率表示，则频率的变化范围为：（10）（或F）称为干涉仪的“自由光谱区”。若干涉仪置于空气中，则折射率，则由L决定。它表征当L改变使得干涉图形变化一个级次时，所包含的频谱范围。在模式分析实验中，由于我们不希望出现两种不同的模被同时扫出，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的频率范围，并使>，才能保证在频谱上不重序，腔长与模的波长或频率间是一一对应的关系。b、仪器带宽（）和分辨率（）仪器带宽有时也叫分辨极限（以表示）是干涉仪透射峰的频率宽度，即干涉仪能分辨的最小频率差，等于谱线的频率半宽度。对于波长为的光，光谱仪器（对干涉仪也同样适用）定义的分辨率是分辨极限和波长的比值：（11）一般来说，反射镜的反射率越高，调整的精度越高，腔内损耗越小，则分辨率越高或说带宽越小。为了分辨相隔甚近的谱线，要求干涉仪有足够小的透过率带宽。c、有效精细常数（）在干涉仪中常用的一个性能指标是有效精细常数以表示。它的定义是：干涉仪的“自由光谱区”（，或）与分辨率极限（也叫仪器带宽）的比值：，或（12）上式表征在自由光谱区内可分辨的光谱单元的数目（谱线数目）。实际上精细常数要受到反射镜加工质量。仪器的工作孔径以及仪器的调整精度等多方面因素的影响。扫描干涉仪的实际精细常数是靠实验测定的。四、实验装置实验装置如图二所示放放大器电源锯齿波发生器HeNe激光器HeNe激光电源前置透镜干涉仪光电接收器放大器.图2、实验装置示意图实验装置的说明本实验使用两支具有不同模式的He—Ne激光器，以便了解不同模式状况，从中学习模式分析的基本方法。实验用扫描干涉仪是利用压电陶瓷环驱动一块镜片，使镜片在轴线方向作微小的周期性振动，从而使各个激光模式依次透过干涉仪，光电接收器将其转变为电信号经放大器放大后送到示波器的y轴，而把用来改变腔长的锯齿波电压同时接到示波器的x轴输入端。这样示波器的横向坐标就是干涉仪的频率变化，这时从示波器的荧光屏上就可看到透过干涉仪的激光模式频谱，其图形如图三所示。TEMTEM00qTEM00q-1TEM00qTEM00q+1TEM00q-1TEMmnqTEMmnqTEM00q+1图3、示波器荧光屏上显示的激光频谱图五、实验内容：1、观察横模（A）通过远场光斑观察横模图形接通He-Ne激光器电源，待激光器工作稳定后，再进行正式实验。由于实验室空间的限制，为了观察远场光斑，可在光路上加一平面反射镜，将光斑投射到远处白纸上，以便更清楚地观察光斑图形，注意区分横模级次。改变工作电流（或者用其他方法改变谐振腔长L）在此观察远场光斑变化情况。（B）通过无源谐振腔观察He-Ne激光器的横模实验装置如图四：〖〖〗〖〗+-ABS图4、观察He—Ne激光器横模装置图中A和B是两支He-Ne激光管，A管用作光源，B管不接电源，仅用其谐振腔。由A发出的激光束透过小孔光栏射入B管，当激光束与B管的毛细管轴线准直后，当B管后方的毛玻璃P上可接收到光束，若用显微镜M来观察，这时在M的视场中可见到光斑在不断的变化。由于A管管壳受温度的影响，长度不断变化，谐振腔长也发生相应的变化，因而输出的“激光频率也发生变化”。而B管具有自己一套相应的频谱，当A管输出的激光与B管频谱中任何频率都不匹配时,B管将无输出。视场又呈现较暗的背景，若A管输出的激光与B管频谱中某个频率匹配时，B管将从来自A管的光束中分解出相应的激光束让它通过。由于A管输出的光束中频率不断变化，因而就能在B管中激起不同的横模，在M的视场中看到不同的光斑图形。2.用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器的纵模和横模的频率间隔按图2安装所用仪器并将整个实验装置调节到准直状况，而后装上共焦球面扫描干涉仪的光电接收器探头，并将其引出线连接示波仪的Y轴输入端，同时把加在压电陶瓷环上的锯齿波电压接到示波器的X轴输入端，这样示波器的横向扫描则与干涉仪的腔长扫描同步，示波器的横向（X轴）坐标就是干涉仪的频率变化。将仪器面板上的扳键扳至“常态“位置，并调节仪器面板上的其他有关按钮，在荧光屏上就会出现激光模式的稳定频率谱。必要时还可适当调节锯齿波电压，以使荧光屏上能扫描出两级光谱为宜，图3所示的就是荧光屏上显示的两级频谱图。图3中：是相邻两级光谱的两个相似峰的间距是同一级相邻峰的间距是相邻两纵模频率间距。由于正比于自由光谱区；正比于相邻纵模频率间隔；频率间隔正比于相邻峰间距，因此，有：可以与相对应的相邻横模频率间隔为：（13）与相对应的相邻纵模频率间隔为（14）上两式中的，，均可从荧光屏上测得，而为干涉仪的“自由光谱区”，因此，由（13）和（14）式可求出激光仪相邻横模和纵模的频率间隔。当荧光屏上有高阶模出现时，由上式还可以得出实验结果：（15）按式（2）和式（7）也可以得出高阶