激光原理实验指导书

激光原理实验指导书激光原理实验指导书 燕山大学信息科学与工程学院光电子工程系燕山大学信息科学与工程学院光电子工程系 2006 年年 1 月月 2 目目 录录 实验一 He-Ne 激光器增益与损耗的测 量（1） 实验二 He-Ne 激光器的模式分 析（7） 实验三 声光调 Q 技 术（15） 实验四 半导体激光器实 验（20） 实验五 选频 CO2激光器实 验（26） 3 实验一 He-Ne 激光器增益与损耗的测量 一台激光器的小信号增益系数、腔内损耗是重要的激光参数，直接影响 0 G 着激光器的输出功率。本实验在外腔激光器中用全反射腔镜，在腔内插入可旋转 平行板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光器的输出功率随平行板的 旋转角而改变。旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。通过测量激光输出功率 与等效透射率的关系，获得与。 0 G 一、实验目的一、实验目的 1加深理解激光器增益与损耗的概念。 2掌握测量氦氖激光器小信号增益系数与损耗的原理和方法。 二、实验原理二、实验原理 1激光输出功率与激光参数的关系 当一台激光器形成稳定振荡时，激光在腔内往返运行一周获得的总增益等于 总损耗，用公式表示为 （1-1） 0 )(2IGLa 式中为增益介质长度，表示光强为时的增益系数，为总损耗。包括 a L)(IGI 0 0 衍射损耗，增益介质的吸收、散射损耗、腔镜的透射、吸收、散射损耗，以及布 儒斯特窗片的反射、吸收、散射损耗等。为了简化把总损耗分作两部分 =+ （1- 0 2） 表示腔镜的透射损耗，表示除腔镜透射损耗以外的所有损耗，既除腔镜透射损 耗外，激光在腔内往返运行一周光强衰减的比率。对于输出波长为 632.8nm 的长腔 激光器来说，增益饱和规律由下式描述 = （1-)(IG s II G 1 0 3） 式中，为小信号增益系数，为饱和光强。把（1-1）式、 （1-2）式代入（1- 0 G s I 3）式得 （1-) 1 2 ( 0 GL II a s 4 4） 在实验中直接测量的是激光输出功率，输出功率与腔内功率的关系为 out P 0 P =。腔内激光光强与腔内激光功率的关系为，为光束截面积。 out P 0 PAPI 0 A 因此（1-4）式可写成 （1-) 1 2 ( 0 GL PP a sout 5） 式中，为腔内饱和功率。AIP ss 由（1-5）式可知，激光的输出功率与饱和光强及小信号增益系数成正比，只 有两者均很大时，才能获得大的激光输出功率。输出功率与腔内损耗成反比，腔 内损耗增大，输出功率减小。输出功率与透射率有二次曲线关系，当透射率较小 时，输出功率随透射率的增加而增大；当透射率较大时，输出功率随透射率增加 而减少。在适当透射率处，输出功率有极大值，如图 1-1 所示。对应极大输出功率 处的透射率叫最佳透射率，对（1-5）式求极大值可得 opt (1-6) 21 0 )2(GLa opt 也是激光器的重要参数，随小信号增益系数的增加而增大，当腔内损耗不太大 opt 时，最佳透射率也随腔内损耗增加而增大。 图图 1-11-1 激光输出功率与透射率的关系激光输出功率与透射率的关系 2数据处理 5 （1）用作图法求激光参数 从图 1-1 可见，每个输出功率值对应两个透射率值、。取（，）和 1 2 P 1 （，）分别代入（1-5）式，并消去得P 2 P (1-7)0)2( 1 )( 02121 GLa 在曲线上取若干个值及对应的、值，作-直线，从直线斜率 out P 1 2 )( 21 1 2 可得腔内损耗 1 k (1-8) 1 1 k 取=0，从直线与（+）轴相交的截距可得 1 2 1 2 （1- 0210 21 )( 2 1 a L G 9） （2）用极值法求激光参数 从图上，取输出功率趋于零时的极大透射率 ,这时腔内的激光功率 out P max 也趋于零，根据（1-5）式则有 （1- max0 2GLa 10） 从图上取输出功率为极大值处的等效透射率为最佳透射率，用（1-10） out P opt 式和（1-6）式联立得 （1- opt opt 2 max 2 11） （1-)( 2 1 max0 a L G 12） 三、实验仪器三、实验仪器 1实验装置 氦氖激光器参数测量系统如图 1-2 所示。 6 图图 1-21-2 实验装置示意图实验装置示意图 Las 为氦氖气体放电管。 SN 为永磁铁氧体，对放电管产生非均匀磁场，抑制 3.39m 谱线的超辐射。 M1、M2是全反射腔镜，相距 1.17m，用平凹腔或非对称非共焦腔均可，本实 验中两反射镜的曲率半径均为 3m。 M 是透明的平行平面镜，一般用熔石英材料，其插入损耗小，也可用玻璃材 料，玻璃材料的优点是对 3.39m 谱线有吸收，对 3.39m 的激光或超辐射有抑 制作用，缺点是插入损耗比熔石英大，影响最佳透射率的准确测量。M 镜要有一 定的厚度，以免 M 镜两表面的反射光束重叠产生干涉，影响测量结果，M 镜的厚 度应大于 2mm。 SP 为带刻度的转台，转角精度不低于 1,转台中心安有可调节的平台，平台 面的高低及倾斜用三支螺丝调节，M 镜放置在平台上，转台已固定在激光器的底 座上，转轴已与放电管的管轴垂直，并与激光束相交。 D1、D2为激光功率计，用来测量从 M 镜两表面反射的激光功率。 2M 镜的等效透射率 M 镜的光路如图 1-3 所示，光束 1 的反射率为，光束 2 和光束 3 的反射率 为 7 图图 1-3 M 镜光路镜光路 ，光束 4 的反射率为，M 镜的其它反射光束与的高次方成正 2 )1 ( 4 )1 ( 比，因很小可忽略。腔内激光通过 M 镜的反射实现输出，所以 M 镜两表面的反 射率可等效于输出镜的透射率。M 镜的等效透射率为 （1- 2 242 )1 (1)1 ()1 (2 13） 其中值由菲涅耳公式求得 （1-14） )arcsin(sin )arcsin(sin 2 2 ntg ntg 式中为激光束在 M 镜上的入射角，n 为 M 镜在 632.8nm 波长处的折射率。本实 验使用的 M 镜由熔石英制成，其折射率为 1.45728，布儒斯特角=55 b 3230。熔石英材料的反射率、等效透射率与入射角的关系由表 1-1 给出。 四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤 1开启激光功率计，进行预热。 表表 1-1 熔石英材料的入射角和等效透射率熔石英材料的入射角和等效透射率 2开启激光电源，调节输出电流，使输出电流为 16mA（最佳工作电流） 。 3把 M 镜放置在平台上，要使 M 镜的入射表面与转台转轴相交，以保证 M 8 镜在转动过程中入射点基本不变。 4在布儒斯特窗反射光束的远处放一光屏，转动转台，使 M 镜的反射光斑在 光屏上靠近布儒斯特窗的反射光斑。若两光斑有上下位置差，则调节平台下方的 螺丝使两光斑重合，此时 M 镜的法线与转台转轴相互垂直（注：本装置中已将布 儒斯特窗的法线调节到与转台的转轴相垂直的状态） 。 5使激光束在 M 镜上入射角为 0时，转台的读数也为 0。 6选择激光功率计的测量波长为 633nm，量程为 20 mW，然后调节激光功率 计的零点。 7M 镜从布儒斯特角附近开始（例如，从 56.5开始） ，入射角每增加 0.5 测量一次激光输出功率，直到输出功率为零 。 测量过程中要注意以下两点： （1） M 镜每改变一次角度，M2镜都需进行仔细的调整，使输出功率达到最 大； （2） 尽量使激光束垂直地照射在光电探测头光敏面的中心位置附近。 8根据入射角与等效透射率的关系，以等效透射率为横轴，输出功率为纵轴， 在坐标纸上作输出功率与等效透射率的关系曲线。 由于每个实验数据都有一定的误差，所以，所作的曲线不一定要通过每个实 验点，要根据实验点的总体趋势，把实验点连成光滑的曲线。 9用作图法或极值法求出小信号增益系数和腔内损耗。 0 G 注：氦氖气体放电管的长度=1.000m 。 a L 五、思考题五、思考题 1为什么每改变一次 M 镜的角度，M2镜都需进行仔细的调整？ 六、注意事项六、注意事项 1要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束。实验过程中，禁止用手 入射角入射角 /() 反射率反射率等效透射率等效透射率入射角入射角 /()反射率反射率等效透射率等效透射率 56.556.59.428109.42810-5 -5 3.77103.7710-4 -4 64.564.50.012470.012470.048650.04865 57.057.00.000220.000220.000900.0009065.065.00.014290.014290.055540.05554 57.557.50.000410.000410.001650.0016565.565.50.016280.016280.062970.06297 58.058.00.000670.000670.002670.0026766.066.00.019040.019040.071150.07115 58.558.50.000990.000990.003960.0039666.566.50.020840.020840.079960.07996 59.059.00.001390.001390.005550.0055567.067.00.023430.023430.089420.08942 59.559.50.001870.001870.007450.0074567.567.50.026260.026260.099650.09965 60.060.00.002430.002430.009680.0096868.068.00.029320.029320.110610.11061 60.560.50.003090.003090.012280.0122868.568.50.032640.032640.122330.12233 61.061.00.003840.003840.015240.0152469.069.00.036240.036240.134830.13483 61.561.50.004700.004700.018620.0186269.569.50.040140.040140.148170.14817 62.062.00.005670.005670.022430.0224370.070.00.044340.044340.162320.16232 62.562.50.006760.006760.026610.0266170.570.50.048880.048880.177330.17733 63.063.00.007970.007970.031470.0314771.071.00.053780.053780.193190.19319 63.563.50.009320.009320.036600.0366071.571.50.059060.059060.209920.20992 64.064.00.010820.010820.042360.0423672.072.00.064740.064740.227520.22752 9 触摸电极；实验完成后，如马上搬动电源，须先将电源输出端短路，使电源内的 电容放电，以防止高压击人事件的发生。 2由于本参数测量系统谐振腔的反射镜已事先调节完毕，学生进入实验室后 切勿随意调节反射镜调节架上的调节钮。否则，有可能需要重新调节反射镜，使 实验无法在规定的时间内完成。 3实验过程中，如需改变激光功率计的量程，要在遮光后进行操作，并重新 调节功率计的零点。 实验二 He-Ne 激光器的模式分析 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。这样窄的谱线，不是受激辐射后自然形成的，而是受激辐射经过谐振腔等 10 多种机制的作用和相互干涉后形成的。所形成的一个或多个离散的、稳定的又很 精细的谱线就是激光器的模。每个模对应一种稳定的电磁场分布，即具有一定的 光频率。相邻两个模的光频率相差很小，我们用分辨率比较高的分光仪器可以观 测到每个模。当从与光输出的方向平行（纵向）和垂直（横向）两个不同的角度 去观测和分析每个模时，发现又分别具有许多不同的特征，因此，为方便每个模 又相应称作纵模和横模。 在激光器的生产与应用中，我们常常需要先知道激光器的模式状况，如精密 测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等不仅 要求基横模，而且要求单纵模运行的激光器。因此，模式分析是激光器的一项基 本而又重要的性能测试。 一、实验目的一、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。 二、实验原理二、实验原理 1激光器模的形成 我们知道，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，在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，如图 2-1 所示。实际上， 由于能级总有一定的宽度以及其它因 素的影响，增益介质的增益有一个频 率分布，如图 2-2 所示，图中为)(G 光的增益系数。只有频率落在这个范 围内的光在介质中传播时，光强才能 获得不同程度的放大。但只有单程放 大，还不足以产生激光，要产生激光 还需要有谐振腔对其进行光学反馈， 使光在多次往返传播中 图图 2-12-1 粒子数反转分布粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡 的条件是，光在谐振腔内往返一周的光 程差应是波长的整数倍，即 （2- q qL2 1） 11 式中，为折射率，对气体1；为L 腔长；为正整数。这正是光波相干的极q 大条件，满足此条件的光将获得极大增强。 每一个对应纵向一种稳定的电磁场分布，q 叫作一个纵模，称作纵模序数。是一qq 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值，即激q 光器有几个不同的纵模。从（2-1）式中， 我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔 内的纵模是以驻波形式存在的，值反映q 的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为 图图 2-22-2 光的增益曲线光的增益曲线 （2- L c q q 2 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间隔 （2- L c L c q 22 1 3） 从（2-3）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，相邻 纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频 率间隔越大，在同样的增益曲线范围内，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。 光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着 多种损耗，使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面的透射损耗、放电 毛细管的衍射损耗等。所以，不仅要满 足谐振条件，还需要增益大于各种损耗 的总和，才能形成持续振荡，有激光输 出。如图 2-3 所示，有五个纵模满足谐 振条件，其中有两个纵模的增益小于损 耗，所以，有三个纵模形成持续振荡。 对于纵模的观测，由于值很大，相邻q 纵模频率差异很小，一般的分光仪器无 法分辨，必须使用精度较高的检测仪器 才能观测到。 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 图图 2-32-3 纵模和纵模间隔纵模和纵模间隔 生影响 12 呢？回答是肯定的，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，就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑。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。图 2-4 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。 激光的模式用来表示，其中，、为横模的标记，为纵模的标记。 mnq TEMmnq 是沿 X 轴场强为零的节点数，是沿 Y 轴场强为零的节点数。mn 图图 2-42-4 常见的横模光斑图常见的横模光斑图 前面已知，不同的纵模对应不同的频率，那么同一个纵模序数内的不同横模 又如何呢？同样，不同的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，我们关心的是不同横模间的频率差。经推导得 （2- 2 1 21 )1)(1 (arccos)( 1 2R L R L nm L c nm 4） 其中，、分别表示 X、Y 方向上横模模序差，、为谐振腔的两个反射mn 1 R 2 R 镜的曲率半径，相邻的横模频率间隔为 （2- 2 1 21 11 )1)(1 (arccos 1 R L R L qnm 13 5） 从上式中还可看出，相邻的横模频率间隔与相邻的纵模频率间隔的比值是一个分 数，如图 2-5 所示。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（） ，分数值达到 21 RRL 极大，即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。 图图 2-52-5 纵模、横模的分布纵模、横模的分布 激光器中能产生的横模个数，除前述增益因素外，还与放电毛细管的粗细， 内部损耗等因素有关。一般说来，放电毛细管直径越大，可能出现的横模个数就 越多。序数越高的横模，其衍射损耗越大，形成稳定的振荡就越困难，但激光器 输出光中横模的强弱绝不能仅从衍射损耗一个因素考虑，而是由多种因素共同决 定的。这是在模式分析实验中，辨认哪一个是高阶横模时易出错的地方。因为， 仅从光的强弱来判断横模阶数的高低，即认为光最强的谱线一定是基横模，这是 不对的，而应根据高阶横模具有高频率来确定。 横模频率间隔的测量同纵模频率间隔的测量一样，需借助展现的频谱图进行 计算。但阶数和无法仅从频谱图上确定，因为频谱图上只能看到有几个不同mn 的，可以测出的差值，然而不同的或可对应相同的，在频谱nmnmmnnm 图上则是相同的，因此要确定和各是多少，还需结合激光器输出的光斑图形mn 进行判断。当我们对光斑进行观察时，看到的是全部横模的叠加图，即图 2-4 中 几个单一态光斑图形的组合。当只有一个横模时，很容易辨认。如果横模个数比 较多，或基横模很强，掩盖了其它横模，或某高阶模太弱，都会给分辨带来一定 的难度。但由于我们有频谱图，知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系，就 14 可缩小考虑的范围，从而能准确地确定出每个横横的和值。mn 2共焦球面扫描干涉仪 共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，它已成为激光技术中一 种重要的测量设备。本实验就是通过它将彼此频率差异甚小（几十至几百 MHz） ， 用一般光谱仪器无法分辨的各个不同的纵模、横模展现成频谱图来进行观测的。 在本实验中，它起着关键作用。 共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔，它由两块球形凹面反射镜构成共焦 腔，即两块反射镜的曲率半径和腔长 相等（） 。反射镜镀有高反llRR 21 射率膜。两块反射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 化的压电陶瓷环上，如图 2-6 所示。图 中，为由低膨胀系数材料制成的间隔 圈，用以保持两球形凹面反射镜和 1 R 总是处在共焦状态。为压电陶瓷 2 R 环，其特性是若在环的内外壁上加一定 数值的电压，环的长度将随之发生变化， 而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关 图图 2-62-6 共焦球面扫描干涉仪内部结构示意图共焦球面扫描干涉仪内部结构示意图 系，这是扫描干涉仪被用来扫描的基本 条件。由于长度的变化量很小，仅为 波长数量级，所以，外加电压不会改变腔的共焦状态。但是当线性关系不好时， 会给测量带来一定误差。 当一束激光以近光轴方向射入干涉仪后，在共焦腔中经四次反射呈 X 形路径， 光程近似为 4 ，见图 2-7 所示。光在腔内每走一个周期都会有一部分光从镜面透l 射 出去。如在 A、B 两点，形成一束束 透射光 1、2、3和、 1 、我们在 2 3 压电陶瓷上加一线 性电压，当外加电 压使腔长变化到某一长度，使相邻 a l 图图 2-72-7 共焦球面扫描干涉仪内部光路图共焦球面扫描干涉仪内部光路图 两次透射光束的光 程差是入射光中 模波长为这条谱线波长的整数倍时，即满足 a （2- aa kl4 15 6） 模将产生相干极大透射（为扫描干涉仪的干涉序数，为一个正整数） ，而其它 a k 波长的模则不能透过。同理，外加电压又可使腔长变化到，使模极大透射， b l b 而等其它模又不能透过因此，透射极大的波长值与腔长值之间有一一对应 a 关系。只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器具有的所有不同波长 （或频率）的模依次相干极大透过，形成扫描。 值得注意的是，若入射光的波长范围超过某一限度，外加电压虽可使腔长线 性变化，但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同时产生相干极大，造成 重序。例如，当腔长变化到可使极大时，会再次出现极大，于是有 d a （2- add kkl) 1(4 7） 即序中的和序中的同时满足极大条件，两个不同波长的模被同时扫出，k d 1k a 叠加在一起。所以，扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制，即所谓自 由光谱范围，它是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差，用 或表示。假如上例中的为刚刚重序的起点，则-即为此干涉仪 RS RS d l d a 的自由光谱范围值。经推导，可得 (2-8) d da ad l 4 由于与之间相差很小，腔长的变化仅为波长数量级，上式可近似表示为 d a （2- l RS 4 2 9） 式中为平均波长。用频率表示，则为 （2- l c RS 4 10） 在模式分析实验中，由于我们不希望出现（2-7）式中的重序现象，故选用扫 描干涉仪时，必须首先知道它的自由光谱范围和待分析激光器的频率范围 RS ，并使。这样，才能保证频谱图上不重序，腔长与模的波长（或频 RS 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 型路径行进，四倍路程的光程差正好等于， 干涉序数改变为 1。 另外，还可以看出，当满足条件后，如果外加电压足够大，使腔长 RS 最大的变化量是/4 的 倍，那么将会扫描出 个干涉序，激光器的所有模将周期ii 16 性地重复出现在干涉序、中。k1kik 三、实验仪器三、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待测 He-Ne 激光器。 2激光电源。 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。 图图 2-82-8 实验装置图实验装置图 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 轴。 7示波器。用于观测 He-Ne 激光器的频谱图。 四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤 1按实验装置图连接线路。经检查无误，方可进行实验。 2开启激光电源。 3用直尺测量扫描干涉仪光孔的高度。调节 He-Ne 激光管的高低、仰俯，使 激光束与光学平台的表面平行，且与扫描干涉仪的光孔大致等高。 4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。 17 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。 注意：如果在光屏上形成两个光斑，要在保持反射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。 6降低驱动器的频率，观察光屏上的干涉条纹,调节干涉仪上的四个鼓轮， 使干涉条纹最宽。 注意：调节过程中，要保持反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合 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。 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） ，可使某一个 干涉序或某几个干涉序的所有模式完整地展现在示波器的荧光屏上。 10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 RS RS 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 RS 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 1 q 理论值相比较 (注：待测激光器的腔长由实验室给出)。L 提示：本实验使用的 He-Ne 激光器发出的激光的偏振态有两个，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-L 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， q 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 nm 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nm 1 R 2 R 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。mn 五、思考题五、思考题 18 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。 实验三 声光调 Q 技术 激光调 Q 技术又称激光 Q 突变技术，它是通过激光谐振腔 Q 值产生的突变， 使受激辐射在很短的时间内建立并达到最大值的一种技术。也就是说，在初始时 使谐振腔的 Q 值很低，在持续激励的作用下，高能态的粒子得以不断的积累，并 达到最大值，此时激光工作物质具有最大的增益，但由于谐振腔处于低 Q 值高损 耗的状态，并不形成激光振荡。此后，若突然将激光谐振腔的 Q 值提高，在高增 益的作用下，激光振荡的建立非常迅速，因此在极短的时间内输出一个很强的巨 脉冲。使激光谐振腔产生 Q 突变的方法有多种，常用的有电光、声光、转镜 Q 开 关的主动调 Q 方式，以及使用可饱和吸收体的被动调 Q 方式等。本实验采用的是 声光调 Q 方式。 一、实验目的一、实验目的 1掌握调 Q 技术的基本原理。 2观察布拉格衍射现象。 3观察声光调 Q 激光器的调 Q 现象。 二、实验原理二、实验原理 1调 Q 脉冲主要特性的一些表达式 我们从激光速率方程出发，可以得到表示调 Q 脉冲主要特性的一些表达式。 由调 Q 激光器产生的巨脉冲峰值功率为 (3-1) th i thi c p n n nn Vh Pln1 式中为工作物质的体积，、为能级的简并度，、分别是V 12 gg 1 g 2 g i n th n 初始和阈值粒子反转数密度，为腔内的辐射衰耗时间常数，其表达式为 c 19 1 )1ln( Rc t 式中是光子在谐振腔内往返一周的时间，是输出镜的反射率，为谐振腔的 R t 往返损耗（不包括输出损耗） 。 调 Q 巨脉冲能量为 (3-2) )/1 (1 )/1 (1 )-()/1 ( n n nnVhE fi 式中为终止粒子反转数密度。 f n 调 Q 巨脉冲宽度为 (3-3) )/(11 thithi fi c nnnnn nn 如果把 Q 开关打开到光脉冲形成并增长到极大值的 1/20 所需的时间定义为脉 冲形成时间，则有 d t (3-4) )/1 (1 2 )20/(1 max nGL nt t a iR d 式中，、分别为初始与最大光子数密度，是工作物质的增益系数，为 i max G a L 工作物质的长度。 2声光调 Q 器件（声光 Q 开关）的工作原理 声光调 Q 技术是以声光相互作用所形成的衍射损耗的突变得以实现的。它是 一项重要的激光技术，可以大大压缩激光的脉冲宽度，从而使输出的激光峰值功 率大为提高。 如图 3-1 所示，当声光调 Q 器件驱动器产生的高频等幅振荡电信号加在声光 调 Q 器件的换能器上时，换能 器产生超声振动，在声光介质 内形成纵向机械应力波，引起 介质密度呈疏密交替的变化， 从而使介质的折射率也发生同 样的变化，形成等效的“相位 光栅” 。当光束通过声光介质 时便产生衍射，造成损耗，使 激光谐振腔的 Q 值下降。若损 耗大于激光工作物质的增益， 就不能产生振荡，或者说声光 调 Q 器件将激光关断。当高频 等幅振荡在方波调制的作用下， 突然有短暂的停歇时，声光调 Q 器件 内部的衍射也突然消失，使谐 图图 3-13-1 产生布拉格衍射的声光器件产生布拉格衍射的声光器件 20 振腔 Q 值产生突变，从而产生 调 Q 巨脉冲。当反转粒子数被消耗减少到激光振荡的阈值粒子数之下时，振荡停 止，紧接着高频等幅振荡再次形成，进入下一个循环。 本实验中，声光调 Q 器件驱动器产生的高频等幅振荡电信号的频率约为 70MHz，调制方波的频率范围为 5kHz 至 10kHz。 图 3-2 表示连续泵浦的声光调 Q 激光器光脉冲的形成与谐振腔 Q 值、反转粒 子数之间的关系。 声光相互作用产生的衍射可分为喇曼奈斯衍射与布拉格衍射两种。它们是 根据超声波波长、光波波长以及声光相互作用距离L的不同而区分的。当 s ，即当相互作用距离短、超声波频率低，且入射光的方向与超声波波面平L 2 s 行（正入射）时，产生喇曼奈斯衍射，衍射光对称地分布在零级光的两则，通 常有若干级。若超声波频率提高，声光相互作用距离增加，即,且光束以L 2 s 偏离正入射一小角度（即入射光的方向与超声波波面的夹角为）入射时，为布 拉格衍射。这时只产生位于零级光一侧的一级衍射，一级衍射光与超声波波面的 夹角也为，如图 3-1 所示。实际的声光调 Q 器件都使用布拉格衍射，因为它具有 较高的衍射效率。 布拉格衍射角由下式确定 (3-5)2(sin s 所以，1 级衍射光与 0 级衍射光在介质外的夹角可近似地表示为2 (3-6) s 2 布拉格衍射效率 s o PM w L I I 2 21 2 sin （3-7） 式中，、分别为一级衍射光光强与入射光光强，、分别为超声波场的宽 1 I 0 IwL 度与长度，为声光介质的品质因数，为超声功率。 2 M s P 图图 3-23-2 在连续泵浦的固体激光器中光脉冲的形成在连续泵浦的固体激光器中光脉冲的形成 声光调 Q 器件中的超声换能器一般为，声光介质为熔石英或重火石玻 3 LiNbO 璃等。重火石玻璃器件的衍射效率高，但它的光学质量差些，在激光平均功率高 的情况下，吸收与散射比较大。本实验使用的声光调 Q 器件的超声换能器为 ，声光介质为熔石英。 3 LiNbO 从（3-1） 、 （3-2） 、 （3-3） 、 （3-4）式可以看出影响调 Q 光脉冲的一些主要因 素。在实际的声光调 Q 激光器中，情况远为复杂，在重复率提高的情况下，脉冲 之间没有足够的时间使反转粒子数达到最大值，导致峰值功率下降，且由于增益 减小，使脉宽与脉冲形成时间都会增加。此外，开关速度变慢、高 Q 状态持续时 21 间过长，还会产生多脉冲的不利影响。 本实验使用的激光器为 LD 泵浦的固体激光器，其激光工作物质为掺钕钒酸钇 晶体。 三、实验仪器三、实验仪器 LD 泵浦的固体激光器、声光调 Q 器件及驱动器、He-Ne 激光器、激光功率计、 直流稳压电源、仪器升降台等。 四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤 1观察布拉格衍射现象 （1）使声光调 Q 器件驱动器的开关置于“OFF”状态（关闭状态） ，将声光调 Q 器件放置在仪器升降台上。 （2）将双路直流稳压电源的“TRACK/INDEP” （跟踪/独立）选择开关置于弹出 状态，此时两路电源独立工作。本实验中只使用其中的一路。 （3）将稳压电源的“V/A” （电压/电流）选择开关置于弹出状态，既置于电压 输出状态。 （4）将稳压电源的“CURRENT”旋钮（电流调节旋钮）顺时针旋转到底，然后 开启稳压电源，调节“VOLTAGE”旋钮（电压调节旋钮） ，使输出电压为 24V。 （5）开启声光调 Q 器件驱动器的开关（置于“ON”状态） ，将 24V 的工作电压 加在声光调 Q 器件的驱动器上。开启 He-Ne 激光器，调节 He-Ne 激光器的高低和 仰俯，使 He-Ne 激光束平行与光学平台的台面，并使 He-Ne 激光束穿过声光调 Q 器件的中部。微调声光调 Q 器件相对于入射光的角度，观察屏上的衍射光斑。在 布拉格角下，只出现较强的两个光班：1 级衍射光和 0 级衍射光。观察完毕，关闭 声光调 Q 器件驱动器的开关，然后将声光调 Q 器件从仪器升降台上取下。 注意：实验过程中，声光调 Q 器件的驱动器不可以空载，声光调 Q 器件与驱 动器要保持良好的连接，否则将有可能损坏驱动器或声光调 Q 器件。 2激光器的调试 （1）开启激光功率计，将激光功率计的量程置于 20mW 档（量程选择开关置于 弹出状态） ，预热。 （2）将 LD 泵浦的固体激光器固定在仪器升降台上，开启固体激光器的电源。 固体激光器电源的开启或关闭，由学生和指导教师共同完成。如果在固体激 光器电源的开启或关闭过程中出现错误的操作，将有可能损坏固体激光器。 对固体激光器电源进行任何操作之前，必须先使“LD 开LD 关” 选择开关 指向“LD 关” ，否则将有可能损坏固体激光器。 开启固体激光器电源的步骤为： a. 确认“LD 开LD 关” 选择开关指向“LD 关” 。 b. 确认“工作设置” 选择开关指向“设置” 。 c. 开启电源总开关。 d. 使“LD 开LD 关” 选择开关指向“LD 开” 。 关闭固体激光器电源的步骤为： 22 a. 使“LD 开LD 关” 选择开关指向“LD 关” 。 b. 使“工作设置” 选择开关指向“设置” 。 c. 关闭电源总开关。 （3）取下固体激光器的输出镜，使 He-Ne 激光束射入固体激光器激光头的出光 孔中，同时调节 He-Ne 激光器的位置、高低及仰俯，将反射回来的光点调节到 He- Ne 激光器前面光阑的小孔中。 注意：实验过程中，不可用手触摸输出镜的表面。 （4）放上输出镜，调节输出镜的方位螺钉，使从输出镜上反射回来的光斑的中 心与 He-Ne 激光器前面光阑的小孔大致重合，这时应有 532nm 的绿色激光输出。 如果没有，微调输出镜的方位螺钉，则会有激光输出。 进一步调节输出镜的方位螺钉，使激光光斑呈圆形。 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；也不要长时 间注视光屏上绿色的激光光斑。 （5）调节激光功率计的零点。在输出镜前方放上激光功率计的探测器，使激光 束垂直地照射在探测器光敏面的中心位置附近，进一步细调输出镜的方位螺钉， 使输出的激光功率最大，并记录激光功率的最大值。激光功率=C532功率计示值。 3观察声光调 Q 现象 在激光头和输出镜之间放上声光调 Q 器件，开启声光调 Q 器件驱动器的开关， 将 24V 的工作电压加在声光调 Q 器件的驱动器上。调节声光调 Q 器件的方位，使 其与布拉格角相应，同时微调输出镜的方位螺钉，使光斑最亮。对观察到的现象 作出解释。 五、思考题五、思考题 1在声光器件中，超声场有驻波与行波之分，为何调 Q 器件用行波场？行波 场是由何种条件保证的？ 23 实验四实验四 半导体激光器实验半导体激光器实验 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器。1962 年，在温度为 77K 的条件下，实现了时间短暂的注入受激辐射。当时的半导体激光器采用同质结 结构，由于它在室温下的阈值电流密度高达量级，故只能在液氮温度下 24 10cmA 才能连续工作，因而是没有实用价值的。随着半导体工艺的发展，后来出现了能 在室温下进行脉冲工作的半导体激光器。1970 年研制成功的双异质结半导体激光 器可在室温下连续工作，其阈值电流密度几乎降低了两个数量级。20 世纪 70 年代 中期出现了一些高功率、具有不同特点、频率响应特性好、热稳定性好的半导体 激光器。目前，半导体激光器已成为应用面极广、发展极为迅速的一种激光器。 半导体激光器具有体积小、效率高、泵浦方式多等特点。与其它激光器相比， 半导体激光器的单色性差、方向性差，发散角比较大。但是，正是因为它具有一 些独特的优点，在对激光器要求不高的场合，如短距离激光测距、引爆、污染检 测、激光通讯、激光印刷、激光医疗等方面仍有广泛的应用。在对激光器要求较 高的场合，例如，高分辨率光谱、激光冷却囚禁原子、环境控制、密集波分复用 光通信等方面，则需要使用谱线宽度（线宽）窄、波长可调谐的半导体激光器。 而光栅外腔技术是压窄线宽、实现波长调谐的有效方法之一。 一、实验目的一、实验目的 1了解半导体激光器的基本工作原理，掌握其使用方法。 2测量半导体激光器的输出特性和光谱特性。 3了解外腔选模的机理，了解光栅外腔选模技术（选做内容） 。 4了解用光栅外腔技术压窄线宽的方法（选做内容） 。 二、实验原理二、实验原理 1半导体激光器的工作原理 从激光物理学中我们知道，半导体激光器的粒子数反转分布是指载流子的反 转 分布。正常条件下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才能填充到高 能 p n Efn Eg Eg qV 24 Ef Efp 分布反转区 图图 4-14-1 半导体激光器的能带图半导体激光器的能带图 态的导带；而空穴则相反。如果我们用电注入等方法，使 p-n 结附近区域形成大 量的非平衡载流子，即在小于复合寿命的时间内，电子在导带，空穴在价带分别 达到平衡（如图 4-1 所示） ，那么在此注入区内，这些简并化分布的导带电子和价 带空穴就处于相对反转分布，称之为载流子反转分布。注入区称为载流子分布反 转区或作用区。 结型半导体激光器通常用与 p-n 结平面相垂直的一对相互平行的自然解理面 构成平面腔。在结型半导体激光器的作用区内，开始时导带中的电子自发地跃迁 到价带和空穴复合，产生相位、方向并不相同的光子。大部分光子一旦产生便穿 出 p-n 结区，但也有一部分光子在 p-n 结区平面内穿行，并行进相当长的距离， 因而它们能激发产生出许多同样的光子。这些光子在平行的镜面间不断地来回反 射，每反射一次便得到进一步的放大。这样重复和发展，就使得受激辐射趋于占 压倒的优势，即在垂直于反射面的方向上形成激光输出。 半导体激光器的全称为半导体结型二极管激光器，也称激光二极管，激光二 极管的英文名称为 laser diode，缩写为 LD。 本实验使用的半导体激光器的工作物质为 GaAs,输出波长约为 650nm。 2阈值电流 对于半导体激光器来说，当正向注入电流较低时，增益小于 0，此时半导体激 光器只能发射荧光；随着电流的增大，注入的非平衡载流子增多，使增益大于 0， 但尚未克服损耗，在腔内无法建立起一定模式的振荡，这种情况被称为超辐射； 当注入电流增大到某一数值时，增益克服损耗，半导体激光器输出激光，此时的 注入电流值定义为阈值电流 Ith 。 25 图图 4-24-2 半导体激光器输出功率半导体激光器输出功率 P P 与注入电流与注入电流 I I 的关系的关系 半导体激光器输出功率与注入电流的关系如图 4-2 所示。注入电流较低时， 输出功率随注入电流缓慢上升。当注入电流达到并超出阈值电流后，输出功率陡 峭上升。我们把陡峭部分外延，将延长线和电流轴的交点定义为阈值电流 Ith 。 3线宽压窄的机理和方法（选做内容） 在半导体激光器的诸多应用中，半导体激光器的线宽是一个非常重要的指标。 目前通用半导体激光器的线宽在