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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2006年1月目 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）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。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）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=+ （1-2）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= （1-3）式中，为小信号增益系数，为饱和光强。把（1-1）式、（1-2）式代入（1-3）式得 （1-4）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=。腔内激光光强与腔内激光功率的关系为，为光束截面积。因此（1-4）式可写成 （1-5）式中，为腔内饱和功率。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 (1-6)也是激光器的重要参数，随小信号增益系数的增加而增大，当腔内损耗不太大时，最佳透射率也随腔内损耗增加而增大。图 1-1 激光输出功率与透射率的关系2数据处理（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（，）分别代入（1-5）式，并消去得 (1-7)在曲线上取若干个值及对应的、值，作-直线，从直线斜率可得腔内损耗 (1-8)取=0，从直线与（+）轴相交的截距可得 （1-9）（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也趋于零，根据（1-5）式则有 （1-10）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）式和（1-6）式联立得 （1-11） （1-12）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。图 1-2 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的反射率为图1-3 M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 （1-13）其中值由菲涅耳公式求得 （1-14）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=553230。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 1开启激光功率计，进行预热。表1-1 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镜在转动过程中入射点基本不变。入射角/()反射率等效透射率入射角/()反射率等效透射率56.59.42810-53.7710-464.50.012470.0486557.00.000220.0009065.00.014290.0555457.50.000410.0016565.50.016280.0629758.00.000670.0026766.00.019040.0711558.50.000990.0039666.50.020840.0799659.00.001390.0055567.00.023430.0894259.50.001870.0074567.50.026260.0996560.00.002430.0096868.00.029320.1106160.50.003090.0122868.50.032640.1223361.00.003840.0152469.00.036240.1348361.50.004700.0186269.50.040140.1481762.00.005670.0224370.00.044340.1623262.50.006760.0266170.50.048880.1773363.00.007970.0314771.00.053780.1931963.50.009320.0366071.50.059060.2099264.00.010820.0423672.00.064740.227524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。注：氦氖气体放电管的长度=1.000m 。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 2-1 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 （2-1）式中，为折射率，对气体1；为腔长；为正整数。这正是光波相干的极大条件，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，叫作一个纵模，称作纵模序数。是一个很大的数，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，值反映的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为图 2-2 光的增益曲线 （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 （2-3）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 2-3 纵模和纵模间隔 生影响呢？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。是沿X 轴场强为零的节点数，是沿Y 轴场强为零的节点数。图 2-4 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 （2-4）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镜的曲率半径，相邻的横模频率间隔为 （2-5）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 2-5 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的，可以测出的差值，然而不同的或可对应相同的，在频谱图上则是相同的，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，就可缩小考虑的范围，从而能准确地确定出每个横横的和值。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总是处在共焦状态。为压电陶瓷环，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 2-6 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射出去。如在A、B两点，形成一束束透射光1、2、3和、我们在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，使相邻图 2-7 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 （2-6）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，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 （2-7）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，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-即为此干涉仪的自由光谱范围值。经推导，可得 (2-8)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 （2-9）式中为平均波长。用频率表示，则为 （2-10）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，并使。这样，才能保证频谱图上不重序，腔长与模的波长（或频率）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性地重复出现在干涉序、中。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 2-8 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。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。将测量值与理论值相比较 (注：待测激光器的腔长由实验室给出)。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（2-2）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，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。五、思考题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)式中为工作物质的体积，、为能级的简并度，、分别是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，为谐振腔的往返损耗（不包括输出损耗）。调Q巨脉冲能量为 (3-2)式中为终止粒子反转数密度。调Q巨脉冲宽度为 (3-3)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 (3-4)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 3-1 产生布拉格衍射的声光器件振腔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，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)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 (3-6)布拉格衍射效率 （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度与长度，为声光介质的品质因数，为超声功率。图 3-2 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。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 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：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 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？实验四 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 Ef Efp 分布反转区图 4-1 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 。图 4-2 半导体激光器输出功率P与注入电流I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50100MHz，这是在采用稳流和温控等措施之后达到的。这些通用的激光器能够满足一般需要，但对于要求窄线宽光源的场合，这种激光器就不能满足要求了。特别是在现代光通讯中，谱线宽度越窄，则意味着传输的信道数目越多。为充分发挥半导体激光器的作用，就必须设法压窄线宽。半导体激光器压窄线宽的方法大体分为两种：一种是从半导体激光器自身去考虑，既不断改进半导体激光器的性能，如目前可以批量生产的用镀镍层作为内腔镜的激光二极管；用光注入代替电注入，以及分布布拉格反射（DBR）和分布反馈（DFR）半导体激光器等。这些半导体激光二极管的工艺都是很复杂的。另一种方法是利用激光外腔光反馈法压窄激光线宽和选择单纵模，如图4-3所示。、为内腔镜，为外腔镜；为内腔长，为外腔长；、为内腔两解理面的反射率，为外腔镜的反射率。外腔光反馈，分为强反馈和弱反馈。强反馈是在图4-3的镜上镀增透膜以增加反馈光强。弱反馈则不改变内腔参数。典型的弱耦合光栅外腔半导体激光器由激光二极管和闪耀光栅构成，如图4-4所示。 图 4-3 外腔半导体激光器的结构示意图 LD 光栅 图 4-4 弱耦合光栅外腔半导体激光器结构示意图该系统利用闪耀光栅的选频特性压窄激光线宽和选取单纵模，同时，改变光栅角度，还可选取不同波长，从而实现激光输出的波长调谐。从原理上讲外腔反馈可以从两个方面使线宽变窄：（1）加入外腔等于增大腔长。（2）引入反馈可以增加受激辐射抑制自发辐射。外反射器与半导体激光二极管的两解理面构成复合腔系统，由内腔决定的纵模分布如图4-5(a)所示，由外腔决定的纵模分布如图4-5(b)所示。由于外腔镜有一定的反射带宽，使外腔反馈光波场与原激光二极管的本征波场迭加相干，从而改变原本征场的驻波分布，造成不同纵模间的损耗差别；同时外腔反馈改变了模间耦合竞争情况，可使某个纵模占优势而抑制其它模式，如图4-5（c）所示。 n (a) n (b) n (c)图 4-5 外腔选模示意图三、实验仪器半导体激光器，激光功率计，光栅光谱仪及计算机，闪耀光栅。四、实验内容及步骤1测量PI关系曲线，并求出阈值电流（1）开启激光功率计，将量程置于20mW档（量程选择开关置于弹出状态），预热。（2）开启激光电源的开关，然后开启激光电源上的电流开关（即“LD短路”开关,此开关位于激光电源的后面）,通过电流调节旋钮来控制输出电流的大小，使半导体激光器输出激光。注意：半导体