激光原理实验仪产品说明书1[1]

KF-WGL 型激光原理实验仪 产品说明书 图一 KF-WGL1 型示意图 图二 KF-WGL2 型示意图 图三 KF-WGL3 型示意图 1、球面镜 2、激光放电管 3、平面镜 4、激光电源 5、准直激光管 6、导轨 7、功率计探头 8、功率计 9、双折射晶体 10、共焦球面 FP 干涉仪 11、锯齿波发生器 12、示波器（另配） 一、主要技术参数和指标 1、导轨长度 1000mm 2、具有布儒斯特角气体放电管长度 330mm，输出功率3mW， 模式：基模+多模，工作电压 2500V。 3、准直激光管长度 300mm，输出功率5mW，模式：TEM00， 工作电压 2000V，工作电流 5mA。 4、球面腔镜 R；700mm 5、激光功率计测量范围：03mw 6、共焦球面 FP 干涉仪：工作波长：600660nm，腔长 L：41 mm，自由光谱范围：1.83GHz，精细度：120，PZT 参数 D33：约 1.7nm/v。 7、锯齿波发生器：锯齿波幅度：0120V 可调，直流电压： 080V 可调，锯齿波频率：1040HZ 可调。 8、铝箱尺寸： 520mmX390mmX170mm 9、仪器净重： kg 二、用途 KF-WGL 型激光原理实验仪是物理光学的基本实验仪器之一。 采用了双外腔可调的结构形式。使实验的操作更具体，更完善， 为培养学生的动手能力提供了有效可靠的实验装置。 本产品主要功能有： 1、双外腔的调整，验证激光的激发。 2、光器外腔长度变化对激光功率变化测定的实验。 3、光放电管在腔内移动变化对激光功率变化测定的实验。 4、波长选择实验（需配备光谱仪） 。 5、波长选择实验（需配备扫描干涉仪） 。 三、实验原理 一、HE-NE 激光器 HE-NE 激光器是最早研制成功的气体激光器。它由阴 极和阳极间通过充有氦氖混合气体的毛细管放电使 NE 原 子的某一对或几对能级间形成集居数反转。虽然混合气体 中 HE 的含量数倍于 NE，但电子跃迁只发生于 NE 原子的 能级间，辅助气体 HE 的作用是提高泵浦效率。由于它能 输出优质的连续运转可见光，而且具有结构简单、体积较 小、价格低廉等优点，在准直、定位、全息照相、测量、 精密计量等方面得到了广泛应用。 本实验采用的激光器为双外腔式激光器，如图 4 所示。 采用布儒斯特窗，布儒斯特窗有两种功能，它密封激光管， 以确保激光振荡中有明确极化而无附加的损失。布儒斯特 窗使用于某特殊金属。在阳极的窗凸缘部分由玻璃制成， 它用来在清理工作时抑制有害的高压的影响。使用的管有 大约 8 千伏的点燃电压和大约 2 千伏的运行电压。632.8nm 线的最优电流为 5 毫安。 图 4 带有布儒斯特窗的激光管 二、谐振腔 对大多数激活介质来说，由于受激辐射的放大作用不 够强，光波被受激辐射放大的部分往往被介质中的其他损 耗因素（如介质的杂质吸收、散射等）所抵消，因而受激 辐射不能成为介质中占优势的一种辐射。而谐振腔的作用 正是加强介质中的受激放大作用。光学谐振腔是由两个反 射镜组成，其一是全反的，另一个是部分透过的。谐振腔 的光轴与工作物质的长轴相重合。这样沿谐振腔轴方向传 播的光波将在腔的两反射镜之间来回反射，多次反复地通 过激活介质，使光不断地被放大。而沿其他方向传播的光 波很快的逸出腔外。这就使得只有沿腔轴传播的光波在腔 内择优放大，因而谐振腔的作用可使输出光有良好的方向 性。 谐振腔的结构参数如下： 12 12 12 01 11 g g LL gandg RR A 本实验采用的谐振腔为平凹腔，输出镜为平面镜， g1=1，反射镜为凹面镜，R2=700mm。He-Ne 激光器的光学 谐振腔是根据激活介质 Ne 以及所要求的光束质量而设计的。 稳定性的目标就是要获得尽可能好的光束输出，也就是基 模高斯光束 TEM00模式。 一般来说，要获得高功率输出和较好的光束质量是两 个相矛盾的要求，因为高功率输出需要较大的激活体积， 而基模运转时的激活体积却被限制在他所要求的模体积之 内。因此，平凹腔对 He-Ne 激光器是最佳的结构。 三、高斯光束 通常情形，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面 的振幅分布遵守高斯函数，故称高斯光束。表征基模光束 传播特性的三个参数，它们分别是基模光束的光斑尺寸 w、波面曲率半径 R 和衍射引起的附加位相。当激光 束沿 Z 轴方向传播时，可得 222 0 2 0 1 () z ww w （3-1） 式中 w0为束腰光斑尺寸。由此可以看到，w 和 R 随 Z 的变化，可由束腰光斑尺寸 w0这一参数完全确定，且 ww0，RZ，图 5 示出高斯光束和这两个参数随 Z 变化的 一般规律。W（z）随 Z 按双曲线的规律而增大。这表示光 束在传输过程中逐渐发散。光束的发散度可由下式描写： 12 2 2 22 00 ( ) 1 () dw zzz dzww （3-2） 图 5 高斯光束和光束参数 w 和 z 的关系 由此可见，在高斯光束的束腰（Z=0）附近，光束的 发散角度很小（ 0 0 z dw dz ） ，随 Z 的增大，光束的发散角 也逐渐增大，最后趋于一个常数。这时，可用高斯光束的 远场发散角 来描写，它定义为 0z dw dzw （3-3） 远场发散角也是高斯光束的一个特性参数，它反映激 光束的能量在空间上的集中性。显然，它是唯一地由 w0决 定的。w0越大，高斯光束的远场发散角越小，激光束的能 量在空间上更为集中。高斯光束的半径，是指在高斯光的 横截面考察，以最大振幅处为原点，振幅下降到原点处的 0.36788 倍，也就是 1/e 倍的地方，由于高斯光关于原点对 称，所以 1/e 的地方形成一个圆，该圆的半径，就是光斑 在此横截面的半径；如果取束腰处的横截面来考察，此时 的半径，即是束腰半径。故而，束腰半径越小，光斑发散 越快；束腰半径越大，光斑发散越慢。 通过计算我们可以得出平凹腔束腰在平面镜表面。 五、波长选择 波长选择主要出于两点：其一是激光器含有不希望出 现的波长，这主要是激光器单色性的要求；其二激光器本 身会抑制许多波长的激光振荡，这些激光只有在其他波长 的激光不能振荡时才能产生。第二点很明显，在 He-Ne 激 光器中，同时存在许多可见光波段的激光和一些红外激光 的振荡。由于这些可见波段的激光都来自于同一个上能级， 因此它们之间相互竞争，因此阈值最低的谱线首先获得振 荡，并且不断占有反转的粒子数，不断增强，以至于其他 波长的激光不能起振。不同的波长可以通过波长选择过程 来实现振荡，分列如下。 1） 利特罗棱镜 利特罗棱镜（图 6）的非入射端镀有高反膜，当作为 波长选择的棱镜时，代替球面镜的位置，用于谐振腔内选 择波长。它代替球面镜必须满足两个条件，其一是棱镜的 色散作用，其二是像球面镜一样作为激光谐振腔的腔镜。 严格来说，它应该能尽可能地选择所有 He-Ne 激光器中的 波长，因此其表面的镀膜应该适合所有波长范围。波长的 调谐通过倾斜棱镜来实现。见图 6。 图 6 利特罗棱镜的形成及它在谐振腔中的使用 注：对利特罗棱镜的介绍是为了便于使用者加深对波长选择的 理解，在产品的配备中不包括该部分器件。 2） 双折射晶体（BFT） 双折射晶体在激光技术中不可缺少，它被用作光减速 器和调元件。图 7 表示的情形是使用双折射元件的典型。 因此，对于电场 E 中 X 和 Y 部分研究就够了。所以，光 波为（3-4） ，因为 X、Y 振幅相同，而快 i t x i t y Ee J Ee 速振荡可被忽略，我们能简化（3-4）为。 x i y E J Ee 光波强度标准化为 1 容易推出，J-1表示 J 的 1 PJJ 共轭复数，光波在 Y 轴方向为。类似地描述 0 1 12 J X 轴方向波极化的公式。根据线性光学叠加原 1 1 02 J 理，任一给定的数目线偏振波可由相互垂直波矢量相加表 示，由琼斯矢量，得知线偏振光在与 X 和 Y 轴成 45的 方向振荡。，一 12 101 111 011222 JJJ 分量相对另一分量相位差，结果为椭圆偏振光。若 ，其结果为圆偏振光，/4 。对任何光琼斯矢量为 2 , 42 。 2 1 1 : 2 i Jnote ei i 图 7 一束光波通过光学元件的电场分布 我们作一简单模型，光是电磁波，我们把光分量认为 是许多偶极子的集合。这些偶极子由每个原子或分子的电 子壳层的类型和形状决定。这些偶极子由于光电磁场而处 于不稳定状态，它们吸收光能量，再次释放出去。但偶极 子不能使光沿着自身轴方向发射出去。若晶体有两种偶极 子，且相互成一夹角，仅能在它们角域范围内吸收和释放 光。若一偶极子吸收和释放的速度比另一种慢，则会产生 相位差。不同偶极子方向，光束方向将发生变化。例如， 有两相互独立的光分量，若平行光入射到此材料，则有两 束光离开晶体。见图 8。 图 8 双折射晶体光路图 此时，两束光振动方向互相垂直而产生相位差，此种 现象称为双折射。晶体两个方向有两种折射率，一种光不 遵守折射定律成为非寻常光 e，另一种遵守折射定律，成为 寻常光 o。石英和方解石是此类晶体。此外，还有一系列 在激光技术中证明此两种成立的晶体。请记住，只有石英 晶体才有双折射行为，石英由于溶化而失去这种特性，方 解石晶体能产生出所需要的分光效果。琼斯矩阵式可被应 用于描述光波与此种材料的相互作用。减速片和偏振片同 样可由琼斯矩阵表示，即平面波可表示为一个琼斯矢量， 偏振片允许通过 X 和 Y 方向的量：和 1 0 0 0 x P 。 0 0 0 1 y P 若偏振片使光束转动超过角 ，为旋转矩阵 P 。因此其结果 cos sin sin cos R 。一双折射片若其光轴平行与 X PRP R 轴或 Y 轴，则有琼斯矩阵,为避免对光轴 2 2 0 0 i i e V e 的误解，我们指出晶体的光轴为折射定律成立的方向。石 英晶体双折射片应用于氖激光实验中用来选择波长，这些 元件也称为双折射过滤器。它也适用于氦氖激光器中，图 9 所示。 图 9 双折射晶体在激光器中作波长选择 双折射晶体放入氦氖激光器中的转动有特定的转动方 向，转动方向如图 10，这是由激光管的布儒斯特窗的排列 方式决定的，布儒斯特窗以图 10 的第一种方式排列，以能 补偿由窗而造成的光位移。 图 10 两种布儒斯特窗的可能排列 双折射片放入氦氖激光器的谐振腔中被设置于布儒斯 特角以下，来避免过大的反射损失。激光器放在由布儒斯 特窗决定的偏振方向振动，或在垂直方向振动。若相位差 ，则双折射片不改变偏振方向，因为寻常光和非寻2 常光两次通过，在小于布儒斯特角的情况下，在片任何方 向无放射损失，片的相位改变可以得到。寻常光光路 ，不寻常光路。所以 eoeo ld n ，位改变，即当片厚 d 时，电场 oeooeo lldnn 矢量与晶体表面光轴的夹角。当 时布儒斯特窗中无 2 22 oeo dnn 能量损失，这适用于一特定波长及特定角。现在，片的 厚度和转角用琼斯矩阵表示。 图 11 所示为在双折射晶体厚度为 0.9mm，电场矢量与 晶体表面光轴的夹角为 45时，计算波长范围为 500- 800nm 区间内的传输效率。对应不同的波长有不同的传输 效率。 图 11 图 12 所示为晶体厚度改变、波长改变和折射率改变 （ 角度的改变）对传输效率的影响。 因此，当我们把双折射晶体转到布儒斯特角附近时， 轻微旋转平板，就能使能量损失最小的波长通过，其他波 长则受到抑制。 四、纵模选择 1、纵模概述 在激光腔内传播的光辐射，由于受谐振腔反射镜的多 次往复反射作用，只有在其间能够形成驻波的辐射才能形 成稳定的振荡，如图 13 所示。这时腔长 L 应正好等于这些 光辐射的半波长的整数倍，即 2 Lq （3-5） ，式中 q 为正 整数，在光频波段 q 是一个很大的数。对应于不同的值， 就有不同波长的驻波。通常我们将在谐振腔内沿腔轴方向 形成的各种可能的驻波，叫做谐振腔的纵模。 设激活介质的折射率系数为 n，并利用波长和频率的 关系式， （3-5）式可以写成： （3-6） 上式表明，谐振腔只对特定频率 q的光波具有选择放大 作用。这样的一些频率通常叫做谐振腔的共振频率或纵模 频率。 利用（3-6）式，可以求出两个相邻纵模之间的频率差 为： 1 2 qqq c nL 2 q c q nL （3-7） 上式表明，纵模的间距只与腔长 L 和激活介质的折射 率系数 n 有关，与 q 无关。因此对一给定的腔长和激活介 质的谐振腔来说，腔内可能存在的光波是一系列等频率间 隔的单色波。然而，在激光器内由于激活介质的作用，实 际振荡的纵模还应受到增益曲线的限制，只有在增益值大 于阈值的那个频率范围的那些纵模才能振荡。见图 14。 图 13 谐振腔中的驻波 图 14 输出激光的纵模 由此可见，从激光器输出的激光只有有限数目的纵模。例 如，腔长 L=1 米的氦氖激光器，相邻纵模的频率可由（3- 7）算得为 150 兆赫，而对 632.8nm 的激光谱线的多普勒宽 度约为 1500 兆赫，故输出激光最多只有 10 个纵模。激光 器的腔长越短激光振荡的纵模也就越少。 对于满足谐振腔振荡条件的各个纵模来说，还可能存 在光波的各种形式的横向场分布，在激光器运行之后，受 激震荡的光波沿腔轴经多次往返传播后，光波将集中于谐 振腔的腔轴附近，形成稳定的横向场分布。这些可能的横 向场分布称为谐振腔的横模。 四、使用说明 实验注意事项 1、所有光学零件表面须保持干净，必须好好清理。 2、BFT 调整到与光轴成布儒斯特角，释放的电流不应 超过 5 毫安。 3、只有关掉主激光器开关时才可以清理激光窗，清理 几小时后才能开始实验。 4、实验过程中，切记不能直视激光，以免对眼睛造成 损伤。 5、打开激光管时，激光管亮但不正常，请检查正负极 接线是否插正确。 一、激光腔的调整 1、调节前先用擦镜纸把镜片擦干净，以防触电。 2、将准直激光管放在导轨最右端，锁定滑座。 3、将球面腔镜取下，换上小孔光阑，将小孔光阑在导轨 左右移动并调整准直激光管使其激光束穿过小孔光阑，准 直激光管和导轨基本平行。我们将以这条激光束为基准来 调整谐振腔。在实验过程中这个基准不应再变动。 4、移开小孔光阑滑座，换上放电管组件（电源在关闭状 态） ，通过放电管组件我们会看到这束激光是否进入了毛细 管。调整放电管使其处于导轨任意位置时，准直激光均能 无阻挡地穿过放电管中的毛细管，其穿透毛细管的激光光 斑应是前后端一致。 4、小心地移开放电管（不要触碰其调整螺钉） ，暂时放置 在导轨外仪器桌上。 5、将小孔光阑取下，换上球面腔镜，并将球面腔镜组件安 置在导轨左端，锁紧并调整二维调节架的两只手柄，使准 直激光照到球面腔中心，并按原路返回，入射到准直激光 出光孔（腔镜与准直激光垂直） ，再微调二维调节架的两只 手柄，使得球面镜上的多个光点重合为一个光点，此时能 观察到球面腔镜上的激光干涉条纹及激光自激现象。 6、将平面腔镜组件装在导轨上，锁紧，调节平面二维调 节架手柄，使平面腔镜垂直于准直光，反射光点进入准直 激光出光孔。再仔细微调二维调节两只手柄，使准直激光 透过平面镜后为一明亮细小的同心圆。 7、将光电管组件安置在导轨上两腔镜之间，锁紧，接通电 源，再仔细微调平面腔镜，使放电管的光束在两腔镜间形 成激光的激发。 8、取下准直光管，换上激光功率计探头组件。再反复微 调平面镜的两颗微调手柄，使激光功率计的输入功率达 到最大值。 二、基本型主要实验内容 1、 光学谐振腔的稳定范围； 实验可以这样进行，在激光稳定运转过程中，通过增 加腔长，移动平面镜的位置，直到激光不能产生为止。平 面镜位置改变的具体方法为：把平面镜调节支架上的固定 螺丝轻微松动，同时又使得它能够在轨道上保持静止不动。 位置改变过程尽量保持不要破坏激光的振荡。重新固定调 节支架到新的位置，并且通过调节平面镜的垂直和水平调 节螺丝，使得激光功率重新达到最大值。重复这些过程， 直到达到一个不能获得激光震荡的新位置为止。测量此时 两面镜子的距离，并与由稳定性条件给出的最大距离 L 进 行比较。 12 12 12 01 11 g g LL gandg RR A 在实验中输出镜为平面镜，g1=1，反射镜为凹面镜， R2=700mm g1R2L 最大值 1R2=700mm700mm 2、激光输出功率随激光管在腔内位置变化的关系； 实验的测量方法如下，松开激光管支架的固定螺丝， 使得它的位置可以在轨道上改变。第一步准直已经调节好 了，在这个实验中要保证激光管支架的机械轴要和准直光 给出的光轴重合。你将看到激光的输出功率随着激光管不 断靠近球面镜而下降的现象。每移动激光管 50mm 记录功 率计的读数，画出距离-功率图，并分析其原因。这个结果 的讨论基于，谐振腔的光束半径轨迹必须考虑特定的毛细 管的直径。 三、KF-WGL2 增强型主要实验内容 1、 波长选择 该实验需自配光谱仪观测，如果没有光谱仪，也可用 通过功率计对各波长出射功率强度的比较做一定性的观测。 我们所配备的波长选择仪器为双折射晶体，使用单位可自 行配备利特罗棱镜做此实验。 双折射晶体（BFT） 基本的调整和平凹腔类似。双折射晶体必须放置在谐 振腔内光束尽 可能平行的一点上。该点对 BFT 的选择 效应的利用基于观察准直光。如果 BFT 没有放到这点，就 会产生沿光轴不同角度的发散光，这将导致激光束内不同 的相移，同时偏振方向也比较模糊。但是这个影响比较低。 对于比较弱的谱线，附加损耗将会形成，可以通过改善 BFT 在谐振腔的位置来使得附加损耗最小化。如果较弱的 谱线不能够振荡，必须检查放置的位置，并重新调整。所 有的光学面包括 BFT 的表面必须非常干净。BFT 必须调整 到和光轴夹角为布儒斯特角。放电电流不能大于 5mA。 调谐元件由一块天然的石英平板够成，厚度约为 1mm。当把 BFT 放置到谐振腔内时，它将导致光束的偏移， 因此有必要重新进行基本的对准调整。也有一种可能就是 放入 BFT 而不用重新调整，步骤如下：把激光功率调整到 最大，把 BFT 转架转到垂直与光轴的位置， 围绕光轴旋转 BFT 平板到一个位置，此时激光振荡重 新获得，再次调节激光器到理想位置，然后把 BFT 平板朝 布儒斯特角方向转。这个过程需要几个步骤，每一步完成 后重新调整激光器。当接近布儒斯特角附近时，激光强度 有明显的增加，也可以通过观察 BFT 表面反射光束达到一 个较小值来确定这个位置。如果此时平板围绕光轴旋转， 则主要的谱线 632.8nm 将出现 3-4 次，选择最好的一个位 置并重新调整激光器到最佳运行状态。当在主要的谱线 632.8nm 附近转动时，就会发现 5 条不同的谱线的振荡。 波长和强度列表如下。 1611.8nm10 2629.8 nm20 3632.8 nm100 4635.2 nm6 5640.1 nm34 611.8nm 的橙色谱线以及 635.2nm 对于镜面污染引起 的附加损耗比较敏感，如果不能实现这两条谱线的振荡， 必须把镜面重新清洁，特别是激光管的窗口和 BFT 的表面， 由于暴露在空气中，加上激光束电场对其表面的作用，很 容易引起污染。一旦橙色的谱线振荡，重新调整激光器并 把 BFT 的角度旋转到布儒斯特角。注意当轻微转动平板时 谱线会消失并再现。 四、KF-WGL3 增强型主要实验内容 该实验主要用于观察纵模。 1、线路连接 （图一 装置示意图） 2、实验步骤 1） 、按图一连接好各仪器,示波器工作在“XY”状态， 经检查无误，方可接通。 2） 、把锯齿波幅度开到最大，使在示波器上出现一条 长度适当的水平扫描线。 3） 、调节光路。使激光束射入共焦球面 FP 干涉仪(CFP), 调节 CFP 的方位使从 CFP 的球面镜上反射的激光光斑落在 激光输出光斑的附近（注意不能与激光输出光斑重合） ，这 激光 器 C F P 锯齿波源 激光电源 示 波 器 Y X 示 波 器 Y X 表明入射光束和 CFP 的光轴基本重合。 4） 、再适当调节 CFP 的方位螺丝，并关注示波器屏幕， 可发现在水平扫描线上出现微弱的信号，再仔细反复调节 CFP 的二个方位以及光束的方位,使屏幕上信