激光实验报告

1 / 16 激光实验报告 激光实验报告 He-Ne激光器模式分析 一实验目的与要求 目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测 试分析，掌握模式分析的基本方法。对本实验使用的重要分光仪器 共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。 要求：用共焦球面扫描干涉仪测量 He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶 横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花 样，体会谐振腔的调整对它的影响。 二实验原理 1.激光模式的一般分析 由光学谐振腔理论可以知道，稳定腔的输出频率特性为： Vmnq?L1/21LCq?cos-1 R2?R12?L 其中： L 谐振腔长度； R1、 R2 两球面反射镜的曲率半径； 2 / 16 q 纵横序数； m、 n 横模序数； 腔内介质的折射率。 横模不同，对应不同的横向光场分布，即有不同的光斑花样。但对于复杂的横模，目测则很困难。精确的方法是 借助于仪器测量，本实验就是利用共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。 由式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为： ?mn:mn?LL1/2 C1cos-1 R1R22?L? 其中： m=m m； n=n n。对于相同的横模，不同纵模间的频差为 ?q:q?C?q 2?L 其中： q=q q，相邻两纵模的频差为 ?q?C 2?L 由、式看出，稳定球面腔有如图 2 1的频谱。 式除以 式得 LL?mn:mn1?cos-11/2R1R2?q? 设： ?mn:mn ?q ； S=1?cos-11/2 R1R2 表示不同的两横模式可简写作： 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之 ?S 3 / 16 只要我们能测出，并通过产品说明书了解到 L、R1、 R2，那么就可以由式求出。如果我们选取 m=n=0 作为基准，那么便可以判断出横模序数 m、 n。例如，我们通过测量和计算求得 =2，那么，激光器可能工作于 00、 10、 01、 11、 20、 02。 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 2 2。反射镜的曲率半径 R1=R2=L。 图 2-2 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，从多光束干涉的角度来看，入射光束中那些满足干涉相长条件的光谱成分才能透过干涉仪。当光束正入射时，干涉相长的条件为： 4?L?m? 其中为折射率； L为腔长； m为一正整数。 我们定义相邻两个干涉级之间 所允许透射光的频差为干涉仪的自由光谱范围： C?F?4?L 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，若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 1 1 那样的激光频谱。将该谱图拍照下来，在读数显微镜下读取相4 / 16 应的值，再求出待测激光器的 S 值，代入式，即可求出，进而断定横模序数。 三实验设备 He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、锯齿 波发生器、 放大器、示波器等。实验装置如下图 图 2-3 四实验步骤和内容 1.按照实验装置图将其连接好，然后检查其是否合理。 2.将激光器打开。注意要先弄好在打开开关。注意激光器的安全。 3.调节光路，先将激光调准直。将光具架上得器件全都拿走，只剩下光阑。然后调节激光器的旋钮使激光透过光阑的小孔，注意近调近，远调远。使得光阑在光具架上移动时，激光全通过小孔。这时激光就几乎准直了。 4.将激光打到光阑小孔，调整扫描干涉仪上下左右的位置，使得激光光束能透过小孔中心，在细调干涉仪板架上得两个方位螺丝，以使从干涉仪腔镜反射的最高的光点回到光阑小孔的中心附近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。 5.将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。 5 / 16 6. 接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。 7. 观察使波器上展现的频谱图，进一步细调干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声很小。 8. 分辨共焦强球面扫描干涉仪的自由光谱区，确定示波器横轴上每 cm所对应的频率数。 9. 观察多模激光器的模谱，记下其波形及光斑图形，并且 测出纵模间隔 由干涉仪的自由光谱区计算激光器相邻纵模间隔 ，并与理论值相比较 测出纵模个数，由纵模个数及相邻纵模间隔计算出激光器工作物质的增益线宽 分析判断是否存在高阶横模，估计其阶词，并于远场光斑加以比较 10. 根据横模的频率频谱特征，在同一干涉序 k 内有几个不同的横模，并测出不同的横模频率间隔 。与理论值比较，检查辨认是否正确。代入公式，解出 的值。 11. 根据定义，测量扫描干涉序 的精细常数 F.为提高测量的准确度，需将示波器的 X 轴再增幅，此时可利用经过计算后已知的最靠近的模间隔数值找标尺，重新确定比值，既没厘米代表的频率间隔值。 12. 改变放电电流，加入小孔，观察以上因素对激6 / 16 光模式的影响 13. 用吹风的方法观察模谱频率的漂移和“跳模”现象，并解释其原因 五实验数据及其处理 六实验体会 本次实验做得不是太好，误差较大。这个仪器的精确度较高。调节压电陶瓷时，压电陶瓷环的长度变化量和所加电压成正比，但变化约为波长量级。同时需 缓慢调节电压，因为长度的变化需要一定的反应时间，不可忽大忽小，那样容易损坏仪器。在今后做实验之前一定要先做好预习，那样才能深刻理解它的原理，则可以知道该怎么做，才可以在这个基础上关察更多现象。 激光技术实验报告 实验名称：氦氖激光器实验 一实验内容： 1、氦氖激光器的调节； 2、氦氖激光器的输出功率； 3、氦氖激光器的发散角测量 ； 4、氦氖激光器的模式分析 二实验仪器和方法： 仪器：氦氖激光器实验台，光功率计，锯齿波发射器，示波器，刀口，反射镜 等 实验方法： 1 使用自准直法：用已有的准直氦氖激光器，先调节氦氖半腔激光器，然后加入输出镜，利用准7 / 16 直氦氖激光器调节输出镜，使全反镜和输出镜平行，满足激光产生的条件。 2 固定输出镜，调至有激光输出，旋转输出镜倾斜旋钮，配合功率计，将输出调至最大，在激光器点燃20分钟后，测量氦氖激光器的输出功率随时间的变化。 3 利用刀口法测量法，测量功率随刀口位置的变化曲线，测量传输距离，通过数据分析得到氦氖激光器的光斑直径，发散角。 4 将氦氖激光器，扫描 F-P 腔， 光电探测器依次 排列，并调整至共轴，接示波器，在一个上升沿中观察氦氖激光器模式，调节输出镜，观察不同谐振腔的模式并测量模式间频率间隔。 三 .实验结果与分析 在调整过程中，氦氖激光器已经调节完毕。而且由于仪器的问题，可调节的范围很小，细小的变动可能会导致激光无法产生。 四实验收获与建议 实验名称：半导体激光器实验 一实验内容： 1、半导体激光器发散角测量 ； 2、半导体激光器偏振性测量； 3、半导体激光器输入输出特性测量； 4、半导体激光器的光谱特性分析 二 实验仪器和方法 仪器：半导体激光器、 电脑，多通道光谱分析仪，转台，偏振片，导轨架，光功率计 方法： 8 / 16 1 转动转台记下光功率计的数值，测量半导体激光器的发散角 2 转动偏振片，读出光功率计上的数值大小，找到最大值和最小值从而测量半导体激光器的偏振性 3 调节半导体激光器的电流大小，观察功率仪的数值。画出输入输出特性曲线，找到半导体激光器的阈值 4 使用调节台、耦合镜，将激光耦合进入多通道分析仪。将多通道分析仪的档位调节至观察档，使用光谱分析软件，测 量半导体激光器的激发光谱，将多通道分析仪的档位调节至 CCD档，逐渐减小半导体激光器的输入，结合输入输出特性测量半导体激光器的荧光光谱。 三实验结果与分析 测量发散角时长轴方向角度 -能量对应关系 短轴方向角度 -能量对应关系： 取光强下降为最大值的 1/e对应的光束空间分布角度为半导体激光器在长轴与短轴方向的发散角。可见，长轴方向发散角大约为 7，短轴方向发散角大约为 4 . 在偏振性测量中，能量最大处是 550 时为 最小是在 145o 时为 。可见，半导体激光器产生的光是有偏振性的，而能量最大的角度和最小的角度基本是垂直的。 在测量电流 -功率输入输出曲线是得到以下数据： 大约在 14mA 处为激光器的阈值。 9 / 16 实验一 测定空气折射率 一、实验目的 1、 熟练掌握迈克尔逊干涉光路的调节方法； 2、 学会调出非定域干涉条纹， 并测量常温下空气的折射率。 二、实验原理 本实验室建立在迈克尔逊干涉光路的基础上来做的。激光束经短焦距凸透镜会聚后可得到点光源 S，它发出球面波照射干 涉仪，经 G1 分束，及 M1、 M2 反射后射向屏 H的光可以看成由虚光源 S1、 S2 发出的。其中 S1 为点光源 S经 G1及 M1反射后成的像， S2为点光源 S 经 M2及 G1反射后成的像。这两个虚光源 S1、 S2 发出的球面波，在它们能相遇的空间里处处相干，即各处都能产生干涉条纹。我们称这种干涉为非定域干涉。随着 S1、 S2与屏 H的相对位置不同，干涉条纹的形状也不同 。当屏 H与 S1、 S2连线垂直时，得到园条纹，圆心在 S1、 S2 连线与屏 H 的交点 O 处。当屏 H与 S1、 S2连线垂直平分线垂直时，将得到直线条纹。 图 1 实验装置 三、实验方法和步骤 1、测空气的折射率 调出非定域条纹干涉后，改变气室 AR的气压变化错误！未找到引用源。，从而使气体折射率改变错误！未找到引用源。，引起干涉条纹“吞”或“吐” N条。则有错误！未10 / 16 找到引用源。，于是得 错误！未找到引用源。 其中 D 为气室烦人厚度。 理论上，温度一定，气压不太大时，气体折射率的变化量错误！未找到引用源。与气压变化量错误！未找到引用源。成正比： 错误！未找到引用源。 故错误！未找到引用源。 p，将式代入可得 错误 ！未找到引用源。 2、 实验步骤 1）将各器件夹好，靠拢，调等高。 2）调激光光束平行于台面，按图所示，组成迈克耳孙干涉光路。 3）调节反射镜 M1 和 M2 的倾角，直到屏上两组最强的光点重合。 4）加入扩束器，经过微调，使屏上出现一系列干涉圆环。 5）紧握橡胶球反复向气室充气，至血压表满量程为止，记为 p。 6）缓慢松开气阀放气，同时默数干涉环变化数 N，至表针回零。 7）计算实验环境的空气折射率 四、实验数据与处理 五、思考题 1、实验中怎 样才能观察到非定域的直条纹和双曲线条纹？ 答：直接用激光加扩束镜干涉前不加毛玻璃，干涉后在毛玻璃屏上观察。 11 / 16 2、 在迈克尔干涉光路中分束板 G1应使反射光和透射光的光强比接近 1:1，这是为什么？ 答：这样才能使干涉条纹的衬比度最大。两束相干光只有在光强相等时，才能出现暗条纹强度为零，否则最暗处强度不等于零，使衬比度下降，效果不好。 3、 同一气室，在不同温度下，折射率有何变化？ 答：由于温度不一样的原因，导致空气密度改变，直接影响了折射率，其实主要影响的是空气的 水蒸气。 实验二 全息照相 一、 实验目的 1、 学习掌握全息照相的基本原理和实验技术； 2、 初步掌握拍摄全息照片和再现信息的方法； 3、 了解全息照相技术的主要特点，并与普通照相进行比较； 4、 了解照相显影、定影、冲洗等暗室技术。 二、 实验原理 1、 全息照相与普通照相的主要区别 普通照相是根据几何光学成像原理，记录下光波的强度信息，将空间物体成像在一个平面上。全息照相是利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波以干 涉条纹的形式记录下来，并在一定的条件下使其再现，形成逼真的原物立体像。由于记录了物体的全部信息，因此称为全息照相。12 / 16 全息照相包含两个过程：记录和再现。 2、 光的干涉 全息记录的获得 全息照相是一种干涉技术。激光器射出的激光束通过分束镜分成两束，透射光经反射镜反射及扩束镜扩束后射到被摄物体上，再经物体漫反射到感光底片上，这束光称为物光。另一束反射光经反射镜和扩束镜扩束后直接投射到感光底片上，这束光称为参考光。由于激光是相干光，物光和参考光又都由同一激光器发出，所以在感光底片上迭加的结果会形成干涉 条纹，条纹的疏密和形状反映了物光束的相位，条纹的强度反映了物光束的振幅。感光底片经显影、定影和漂白后，最后得到的是一块结构复杂的光栅，它记录下物光束的全部信息，称为全息照片或全息图。 3、 光的衍射 全息照相的再现 一张全息图片相当于一块复杂的“衍射光栅”，而物象再现过程就是光的衍射过程。一般用相当于拍摄时的激光照射全息图片，就能在全息图片 衍射光栅的衍射光波中得到一列零级衍射光波和两列一级衍射光波。 4、 全息照相的主要特点立体感强。具有分割性。 同一张 全息底片可重叠多个全息图。 三、实验步骤 全息记录 A、调节光路 1）按装置图的相对位置放好各器件，拿下 L1和 L2，13 / 16 调等高 2）使物光束与参考光束的光程近似相等，夹角在30 -40之间 3）调 M1 的倾角，使光束射在物的中间部位，调 M2的倾角，使参考光束射在全息干 板的中部 4）加入 L1，调其支架并前后移动，使扩束镜恰好照全物体，加入 L2，调其支架并前后移动，使参考光束对准白屏，与物光束的光强比在 5:1-10:1之间 B、曝光 照相 关闭激光器，打开暗绿灯，取下观察屏，安装全息干板后，进行曝光。 C、冲洗处理：显影，停影，定影，清水冲洗、晾干。 全息图像的观察 A、观察再现虚像：将全息照片放回原记录光路中的原位置，遮住物光，用参考光束照亮全息照片，可在全息照片上观察到立体的再现物体的虚像。 B、全息照相特点的研究 四、实验结果 一元硬币的全息照片： 五、思考题 1、在拍摄全息相片时，为什么要求 O光和 R 光的光程尽量相等？ 答：在拍摄全息相片时，要求 O 光和 R 光满足光的14 / 16 干涉条件。当 O 光和 R 光的光程差比较大时， O 光和 R 光不在满足光的干涉条件，因而不能拍摄出全息相片。 2、在全息底片重迭处， O 光和 R 光的光强之比为 1:1 时，其拍摄效果是不是最好？为什么？ 答：不是最好。因为在全息底片的乳胶特性曲线中，当光强为零时，其黑度与光强不成线性关系，此时拍摄出来的全息底片在再现时，会存在一定的畸变。 实验三 电子散斑测量 一、 实验目的 1、 了解电子散斑干涉原理 2、 掌握干涉光路及图像处理软件 二、 实验原理和方法 电子散斑干涉法是用激光光束直接照射到测试表面，再用电子摄像机采集其变形前后表面散斑颗粒干涉形成的条纹，以测定其离面位移的一种新型、先进的测试技术。 下图为测量离面位移的光路，有激光器 1 发出的激光束，经扩束镜 2 及准直镜 3形成光斑放大了的准