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激光原理与器件实验指导书 实验一氦氖激光器搭建与调腔实验（设计性实验）【实验目的】1了解激光器的组成及各组成部件的工作原理。 2掌握激光器平台的搭建及调试出光的具体步骤。 3掌握激光各种模式光斑的分布特点。 【实验原理】 一、激光器的组成及工作原理一个装置要能给产生净的受激辐射（激光）必须具备三个基本条件1工作物质（激活物质）。 激光器的物理基础是光频电磁场与物质的相互作用（特别是共振相互作用）。 爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子论观点出发提出光与物质的相互作用包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。 （1）自发辐射跃迁是指处于高能态E2的一个原子自发地向低能态E1跃迁，并发射一个能量为hv的光子。 由于这种跃迁是自发的，其产生的光子具有随机的处相位，放出的光子是非相关光。 （2）受激吸收跃迁是指处于低能级E1的一个原子，在频率为v的辐射场的作用下，吸收一个能量为hv的光子并向E2能态跃迁。 这个过程只能减少场中的光子数，不会产生新的光子。 光能量转换为工作物质原子的原子能。 （3）受激辐射跃迁是指处于高能态E2的原子在频率为v的辐射场的作用下，跃迁至低能态E1并辐射一个能量为hv的光子。 由于受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而其产生的受激辐射具有和外界辐射场相同的相位，是相干光。 E2hv E2hv E2hv hvhv E1E1E1（a）自发辐射跃迁（b）受激吸收跃迁（c）受激辐射跃迁图1.1光与物质相互作用示意图在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（集居数）服从玻耳兹曼统计分布n2n1?(E2?E1)k bT?e其中，n1,n2分别为低能极和高能级上的原子数。 因为E2?E1，所以n2?n1，即在热平衡状态下，高能级集居数恒小于低能级集居数，受激吸收光子数n1W12恒大于受激辐射光子数n2W21。 因此，处于热平衡状态下的物质只能吸收光子，不能产生净的光子。 因此为了产生净的受激辐射必须要实现集居数反转条件n2?n1。 要实现这一条件在热平衡状态下是不可能的，只有当外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态时，集居数反转条件才可能实现。 在激光的产生过程中，光的减少因素除了受激吸收外，还必须要考虑到谐振腔的几何偏折损耗和衍射损耗以及工作物质的散射损耗等因素的影响。 因此工作物质的增益系数必须足够大，所以往往要求n2?n。 在自然界存在的所有物质中，目前能够实现n2?n1条件的激光器工作物质并不太多，如红宝石、钕、氖气、氩气、二氧化碳等。 2谐振腔由于光频电磁场与物质的作用，当外界向工作物质提供能量以后，某些物质能够对光进行能量放大。 如果该工作物质的长度足够长，那么一个光子通过此物质后理论上可以获得任意强度的相干光。 但是鉴于激光器体积不能过大的限制，因此所有激光器的工作物质长度都不会太长，所以当光通过一次以后所获得的放大是有限的。 为了提高激光工作物质的工作效率，人们在其两端增加两块透射反射镜，使光经过工作物质以后大部分能量被反射回来再次通过它，从而间接的增加了工作物质的长度。 另一方面，由于只有沿垂直端面的腔轴方向传播的光才能在腔内多次反射而不逸出腔外，而所有其他方向的光则很容易逸出。 因此谐振腔也具有模式选择的用途。 由于稳定腔的几何偏折损耗很低，在绝大多数中小功率的器件中都采用稳定腔。 稳定腔的模式理论也是腔模式理论中比较成熟的部分，具有最广泛、最重要的实践意义。 实验中采用的是一种开放式的共轴球面稳定腔，由两块具有公共轴线的球面镜构成。 由已经学习过的腔内光线往返传播的矩阵表示方法（参看激光原理P35内容），可知道，在满足下列条件时，傍轴光线能在腔内往返多次而不至于横向逸出腔外，从而达到提供光波模反馈的目的?1?A?D?2?2?1（11）如果使用的谐振腔是共轴球面稳定腔，则稳定性条件可进一步简化为?L?L?1?1（12）1?0?R1?R2?L，R1，R2分别代表腔长，镜1的曲率半径和镜2的曲率半径。 引入所谓g参数可将上式写成0?g1g2?1L gi?1?,i?1,2R i上式即为共轴球面腔的模式稳定原则。 式中，当凹面镜向着腔内时，R取正值，而当凸面镜向着腔内时，R取负值。 通常来说，g1g2的值决定了谐振腔的结构及腔内激光束的特性，如光束的模体积。 当g1g2的值越接近1表示介质的利用率越高，但越难调出光；反之越接近0表示越容易调整出光，但介质的利用率越低，在设计选择时应注意综合考虑。 3泵浦源氦氖激光器是最早研制成功的气体激光器。 在可见及红外波段可产生多条激光谱线，其中最强的是632.8nm、1.15?m、3.39?m三条谱线（可根据需要选择输出）。 其泵浦源采用气体放电激励的方式对工作物质提供能量。 激光器在阴极与阳极间通过充有氦氖混合气体的毛细管放电使氖原子的某一对或几对能级间形成集居数反转。 混合气体中的氦气含量大于氖气的含量，其中氖气为工作气体，氦气为辅助气体。 在工作中，当两极分别接通电源后，阴极发射的电子向阳极运动并被电场加速，大量的快速电子与基态氦原子发生碰撞，使大量的氦原子激发到高能态。 当激发到高能态的氦原子与基态氖原子相遇后发生非弹性碰撞，能量从氦原子转移至氖原子，使基态的氖原子跃迁至高能级，失去能量的氦原子回到基态。 当许许多多的非弹性碰撞发生后，大量的氖原子被激发到高能级，从而实现集居数反转的条件。 照明灯眼睛十字屏透反镜He-Ne激光管透反镜图1.2He-Ne激光器组成示意图 二、激光调腔当组成激光器的三个条件都满足以后，要使激光器出光工作还必须把两反射镜准确放置于氦氖激光管的毛细管两端，并调整镜面的取向，使镜面互相平行且与毛细管的轴线垂直。 如图1.2所示。 调整镜面的取向可以通过反射镜夹持器上的三个旋钮来实现。 调腔的整个过程需要在一十字屏与一个照明灯的协助下完成。 十字屏与照明的放置如图1.2所示。 十字屏上的十字叉中心有一个小孔。 在激光管加电以后，用照明灯在透反镜与十字屏间照亮屏上的十字叉，当人眼从屏的一端通过小孔向透反镜观察时，可以看见十字叉经镜反射后所成的像以及毛细管的圆形轮廓。 在毛细管圆形轮廓的中心位置有一很亮的小点，这是毛细管的轴线的端面（当人眼在一条直线上去观察这条直线的时候，线就变成了一个点）。 因为光在轴线上非常集中，所以其亮度很高。 调腔时，首先把照明灯固定于光具座上，手持十字屏并把眼镜贴近中心的小孔，观察毛细管一端，在观察的工程中不断调整位置，直到看见毛细管中的亮点（轴线端面）位于毛细管的圆形轮廓中心。 然后立刻调整反射镜夹持器上的旋钮，使十字叉所成像的中心于毛细管中的亮点重合。 此时调整后的反射镜就与毛细管的轴线垂直了。 用同样的方法去调整另外一面反射镜，在调整好的瞬间就可以看到激光出射。 【实验仪器与参数】1氦氖激光管一只长600mm最大功率10mw2反射镜片若干凹面镜曲率半径分别为R0.5m、R1m、R2m、R3m及平面镜（R?）镜片半径?20mm凹面镜反射率99.7，平面镜反射率98.43导轨一根长880mm4激光电源一台最佳电流10mA220v50Hz5激光管及镜片支架若干。 6十字屏及支架。 7功率计及光探头一台。 8校准光源一个。 【设计举例】例设计一氦-氖激光器的谐振腔，并调整腔镜的角度使其能出光，测输出光的功率。 解1)选择腔的类型。 通过计算（请自行选择计算方法）可选择平凹腔。 2）选择凹面镜曲率半径。 选择R2m为腔镜3）将选好的腔镜和激光管等仪器按下图所示摆放至导轨上，调整水平线位置。 4）调整谐振腔两镜面互相平行并与毛细管光轴垂直，使激光器出射激光。 【实验任务】1设计任务A设计谐振腔镜面的组合类型。 B设计镜面的曲率半径。 要求要求详细写出选择腔镜类型和腔镜半径的计算选择过程并说明选择理由。 2按照设计结果选择谐振腔搭建激光器平台，调整镜面方向使激光器出射激光。 3微调镜面方向，使激光束光斑分别呈现TEMTEM00，图1.3圆形镜共焦腔模的强度花，TEM20三种模式并分别测量三种模式下激光的输出功率。 ，TEM，TEM等一些高阶模，4继续微调镜面方向，使激光束光斑呈现TEM0130对这些模式的光斑形状进行仔细观察。 （各种模式的光斑形状见图1.3）【注意事项】因本实验带有一定的危险性、复杂性，希望同学们仔细阅读以下注意事项并严格遵守，在实验中听从实验指导老师的安排，小心细心耐心的完成实验。 1搭建激光器平台的过程中要小心轻放，激光管在放置过程中要避免碰撞任何刚性硬物，如图2所示放置好各器件后，扭紧各固定旋钮。 2实验过程中勿用手指或其他粗糙纸制品擦拭激光管的布氏窗面、腔镜面，如有有污迹确需去除，请报请实验指导老师处理。 3正确连接激光管的电极连线，管子有金属片端为负极，负极用黑线连接；另一端为正极，用红线连接。 正负极接反在加电后将导致激光管迅速损坏。 连线完成后经实验老实检查后方可打开电源开关。 4电源未与管子连线前，禁止打开电源开关，电源空载加电将立刻烧毁电源。 5打开电源开关后，禁止身体的任何部位接触正负电极，以免触电；实验过程中如出现异常须立刻关闭电源开关或插座开关。 6开始调腔前把电源电流慢慢调大并观察激光管，当管子里的红光不再出现雾状闪烁即可，出关电流不宜过大，以免出光时灼伤眼镜。 出射激光后把电源电流调到10mA，不再用眼镜直视激光，改用白屏截光观察。 【思考题】1试分别求出平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件。 2综合整个实验过程中遇到的问题，试考虑什么样的腔最适合实际使用。 实验二基模高斯光束束腰及其远场发散角的测量（设计性实验）【实验目的】1了解基模高斯光束的分布特性2掌握一般稳定腔与其等价共焦腔间的对应关系。 3掌握基模光束束腰及远场发散角的测量。 【实验原理】 一、一般稳定腔与共焦腔间的等价关系共焦腔理论是谐振腔理论中最简单、最基本、最重要的理论。 它不仅能定量地说明共焦腔振荡模本身的特征，更重要的是，它能够被推广到一般稳定球面腔系统，这一推广是谐振腔理论中的一个重大进展。 根据在共焦场的任意两个等相位面上放置两块具有相应曲率半径的球面反射镜，共焦场不会受到扰动这一理论。 共焦腔与一般稳定腔间的对应关系可概括为两点1任意一个共焦球面腔与无穷多个稳定球面腔等价。 根据共焦腔光束等相位面的曲率半径公式为R(z)?z?fz2（21）注意到关于球面腔曲率半径R的符号规定，对放置在c1,c2处的反射镜，有?R1?R(z1)?(z1?R2?R(z2)?(z2?L?z2?z1?ff2等价一般稳定球面腔)z12z2)（22）z1R10R2f z2z共焦腔与稳定球面腔的等价关系如图2.1所示。 不难证明等价的稳定球面腔也满足稳定性条件。 c1c2共焦腔图2.1共焦腔与稳定球面腔的等价性2任一满足稳定性条件的球面腔唯一地等价于某一共焦腔。 这个论断的意思是，如果某一个球面腔满足稳定性条件，则我们必定可以找到一个而且也只能找到一个共焦腔，其行波场的某两个等相位面与给定球面腔的两个反射镜相重合。 他们的对应关系为?L(R2?L)z?1?(L?R1)?(L?R2)?L(R1?L)?z?2（23）(L?R1)?(L?R2)?L(R1?L)(R2?L)(R1?R2?L)?2f?2?(L?R)?(L?R)12?其中，L为稳定腔的腔长，R1,R2分别为稳定腔镜1与镜2的曲率半径，z1,z2分别为稳定腔镜1与镜2在坐标轴上的位置，f为与其等价共焦腔的镜面焦距。 由于一般球面腔与其等价共焦腔产生的光束具有相同的性质，所以他们的基模高斯光束在位置z的光斑尺寸为w(z)?远场发散角为?0?2因为束腰可以表示为w0?f?1?(zf)?w01?2zf22?（24）?f?（25）?f?（26）因此基模光束的远场发散角与其束腰具有一一对应关系?0?2?w0（27）通过上述分析，一般球面稳定腔模式特征可以借助于其等价共焦腔行波场的特征而解析地表示出来。 一般稳定腔与其等价共焦腔所产生的光束具有完全相同的性质。 另一方面通过对基模高斯光束的束腰与远场发散角的分析可以看出当稳定腔一旦确定以后，其等价的共焦腔也就唯一确定了，其产生的高斯光束也唯一确定。 二、光斑强度分布曲线的测量基模光斑的强度分布是高斯分布，在两维情况下，表示为2?2x?I(x,z)?I0(x,z)exp?2?（28）?z?式中，I(x,z)为光轴上z处光斑在x方向上的光强；I0(x,z)为z位置光斑中心的强度；因为光斑半径的定义为光斑上振幅减小到中心振幅的1e时的位置距离中心的大小为光斑半径。 而实验中只图2.2基模高斯光束的光斑强度分布曲线能对光强进行测量，光强与振幅间的关系为振幅平方光强。 所以在（28）式中，当x?w(z)时，有I(z)?I0(z)e2。 说明光斑的半径为w(z)。 在测量中，可以通过在探测器上固定一小孔光阑，用该探测器对测量光斑进行扫描，获得其上各位置的强度与位置信息，然后在坐标纸上把这些点标出，用一光滑曲线连接各点即可获得如图2.2所示的轴上z位置的光斑强度分布曲线。 在该曲线上距离纵轴圆点高1e2I0?0.135I0的位置作一条平行与横轴的直线，与光强分布曲线交与两点，这两点间距离的一半即为该光斑的半径。 【实验仪器与参数】1氦氖激光管一只长600mm最大功率10mw2反射镜片若干凹面镜曲率半径分别为R0.5m、R1m、R2m、R3m及平面镜（R?）3导轨一根长880mm4激光电源一台最佳电流10mA220v50Hz5激光管与镜片支架若干。 6功率计及光探头一台。 7卷尺一把，光具座一个。 【设计举例】例测量基模高斯光束的束腰与其远场发散角。 1在满足稳定性条件的前提下选择合适腔镜搭建激光器并调出基模光束。 2测量两腔镜间的距离L3根据选择腔镜的曲率半径R1,R2及测量腔长L，用式（23）计算出与其等价的共焦腔的镜面的焦距f。 4根据计算出的f，由（25）及（26）式即可计算出基模高斯光束的束腰及远场发散角。 【实验任务】1选择合适设备搭建激光器，调出基模高斯光束。 2按照设计举例的步骤测量出基模光束的束腰与远场发散角。 3确定束腰位置，测量z?2m位置的光斑强度分布曲线。 4自行设计不同于举例的方法重新测量同一光束的束腰与远场发散角。 要求写出测量方案与步骤。 5把两种方法的测量结果进行比较，进行误差分析。 6两种测量方法都要求多次测量取平均结果。 （原始数据要求至少测量3遍）【注意事项】1搭建激光器及调腔过程的注意事项参看实验一的注意事项。 2测量的基模光斑，要求其总功率大于0.5毫瓦。 3在测量光强分布曲线时，扫描光阑选择光阑板上最小的狭缝，扫描点数至少20个。 【思考题】1测量光斑强度分布曲线时候，为什么选择狭缝而不选择小孔,优点在那里？2如果改变稳定腔的结构参数L,R1,R2,其出射的基模光束会不会发生变化？3比较两种测量方案，试确定那种方案的测量更准确，说明理由。 实验三基模光束模体积的测量（验证性实验）【实验目的】1掌握基模高斯光束模体积的测量方法。 2掌握模体积与光束束腰及远场发散角间的关系。 3掌握激光模体积与输出功率的关系。 【实验原理】 一、共焦腔的模体积模体积的概念在激光振荡及腔体设计中都具有重要意义。 一般来说，某一模式的模体积描述该模式在腔内所扩展的空间范围。 模体积大，对该模式的振荡有贡献的激发态粒子就多，因而，也就能获得大的输出功率；模体积小，则对振荡有贡献的激发态粒子数就少。 一种模式能否振荡？能否获得大的输出功率？它与其他模式的竞争能力如何？所有这些不仅取决于该模式损耗的高低，也于模体积的大小有密切的关系。 对于共焦腔来说，其模式的振幅分布为E mn(x,y,z)?A mnE0w0w(z)Hm(2w(z)x)Hn(2w(z)?x?y222y)ew(z)（31）其中Hm,H n为厄米特多项式。 由（31）式可以看出，基模与其他低阶模往往集中于腔的轴线附近，模的阶次越高，展布的范围就越宽。 由于基模的光斑的面积随z的变化在谐振腔内比较缓慢，因此通常定义共焦腔的基模体积为V000?12L?w?20s?L?2L?2（32）其中L表示共焦腔腔长，w0s?表示共焦腔镜面上的光斑半径，?为激光波长。 可见共焦腔基模体积往往比整个介质的激活体积小很多，因此稳定腔的激光器输出功率一般不是很高。 二、一般稳定腔的模体积对于一般稳定腔而言，由于其腔镜位置往往与等价共焦腔的位置不重合，且相对于共焦腔原点也一般不是对称分布，因此其模体积就不能以等价共焦腔的模体积来进行衡量。 考虑到一般稳定腔与等价共焦腔的对应关系（23）式，可分别得出镜1与镜二上的光斑半径w s1,w s2为122?z R(R?L)?L12?w?w1?1?4s102?L(R1?L)(R1?R2?L)f?122z R(R?L)?L?21w s2?w01?22?4?f?L)(R?R?L)L(R212?（33）类似于共焦腔模体积的定义，一般稳定腔的基模体积可以定义为V00?12L?(w s1?w s22)（34）2其中L为一般稳定腔腔长。 （注意与等价共焦腔腔长L?进行区别）对于高阶模，圆形腔基模与高阶模的光斑半径具有关系w mn(z)?因此其模体积的对应关系应该为V mnV000m?2n?1w(z)（35）?m?2n?1（36）式（36）只是一个近似结果，只对光束仅分布与轴线附近的低阶模成立，对于发散性较大的高阶光束不再适用。 【实验仪器与参数】1.氦氖激光管一只长600mm最大功率10mw2.反射镜片若干凹面镜曲率半径分别为R0.5m、R1m、R2m、R3m及平面镜（R?）3.导轨一根长880mm4.激光电源一台最佳电流10mA220v50Hz5.激光管与镜片支架若干。 6功率计及光探头一台。 7卷尺一把，光具座一个。 【实验任务】1.选择合适的腔镜搭建腔长为65cm的激光器，调出激光。 2.调整光束为基模（TEM00模）、TEM 10、TEM20，分别测量其总的输出功率。 3.改变腔长，分别测量腔长为70cm、80cm时候基模的总输出功率。 4.根据式（25）、（26）分别计算65cm、70cm、80cm腔长下基模光束的束腰及远场发散角，绘制P?w0曲线与P?0曲线，与理论结果进行比较，分析其误差原因。 5.假设模体积与输出总功率成正比，分析TEM 00、TEM 10、TEM20三种模式的输出是否满足（36）式；如有误差，分析原因。 【思考题】1一般稳定腔的模体积为什么不能用其等价共焦腔的模体积来表示？2（32）与（34）式计算的结果并不一定代表腔内光束实际占据的空间，为什么可以用来表示模体积？实验四高斯光束经薄透镜的变换（验证性实验）【实验目的】1掌握高斯光束q参数的变换规律。 2掌握高斯光束经透镜变换后的基本关系。 3掌握高斯光束的聚焦与准直应用。 【实验原理】 一、高斯光束经薄透镜的传输。 在分析高斯光束的传输问题的时候，人们常常用其q参数来分析其传输特性。 它是表征高斯光束的一个非常重要的参数。 q参数将描述高斯光束基本特征的两个参数w(z)和R(z)统一到一个表达式中，使得对高斯光束的表示更简洁、紧凑，在讨论其传输的时候也更简单。 q参数定义为1q(z)?1R(z)?i?w(z)2（41）因此，一旦知道了高斯光束在某位置的q参数值，则可由下式求出该位置处w(z)和R(z)的数值?1?1?Re?q(z)?R(z)?（42）?1?Im?1?w(z)?q(z)?如果以q0?q (0)表示z?0处的q参数值，并注意到R (0)?，w (0)?w0，有q0?i?w0?2?if（43）式（43）将q0,w0，f练习起来。 q (0)l Lw0?w0w CA Bl?l cC qA qB qC图4.1高斯光束的薄透镜变换下面，我们用q参数来研究图4.1所示的高斯传输过程。 已知入射高斯束腰半径为w0，束腰与透镜L的距离为l，透镜的焦距为F。 则该高斯光束通过薄透镜后的变化将会怎样呢？设光束从左往右传输在z=0处q (0)?q0?i?w0?2在紧靠透镜左边A处q(A)?q0?l在紧靠透镜右边B处1q(B)?1q(A)?1F在透镜右边的任意点C处q(C)?q(B)?l cl(F?l)?(综合以上四式有q c?l c?F?w0?2)2F(?i22?w0?2)2(F?l)?(?w0?/22?w0?22(F?l)?(?w0?)2当l c?l时，有q?q c?i/01比较以上两式，有R e()?0q(c)l(F?l)?(?l c?F(F?l)?(?l c?F?2?w0?2)2?w0?22?02(l?F)F(l?F)?(22?w0?)20)2（44）又q?q c?i/0?w0?/2F(?i22?w0?2(F?l)?(?w?w)2/20?F w0(F?l)?(222?w?20（45）)2式（44）与（45）就是高斯光束束腰的变换关系。 他们完全确定了像方高斯光束的特征。 ?,l?表示为w0,l,F的函数，可以很方便地用来解决各种实际问题。 它们将w0 二、高斯光束的聚焦与准直实际光路中经常要对光束进行聚焦与准直处理。 由于激光具有优良的高亮度、方向性与相干性，是目前在光学与光电领域使用最多的光源。 如何使用单透镜对高斯光束进行聚焦与准直是我们接下来要处理的问题。 为了有效地将高斯光束聚焦应合理地选择参数。 下面为了实验方便，我们只考虑l?F的情况。 ?随l的增大而单调地减小，当l?时，按（44）及（45）得出1当l?F时，w0?0,l?F w0一般地，当l?F时，有1?w02?1w02(lF)?21F2(?w0?)?21F2(?w0?)1?(2?l?w02)?2?222F?w(l)2所以可以得出?F?w0?w(l)（46）?l?F?w0?2w(l)为入射在透镜表面上的高斯光束光斑半径。 若同时还满足条件l?Fl?f，则有?w0w0（47）可见，在物高斯光束的腰斑离透镜甚远l?F的情况下，l越大，F越小，聚焦效果越好。 ?达到极大值2.当l?F时，w0?w0?w0F（48）l?F此时，我们来看看光束远场发散角的变化关系。 入射前高斯光束的远场发散角为?0?2?w0（49）通过焦距为F的透镜后，像高斯光束的发散角为?2?0?w0（410）利用式（45）得出?02?1w20?(1?lF)?21F2(?w0?)（411）2?，从而?也不会趋于0。 因可见，当w0一定时，无论F,l取什么数值，都不能使w0此时使用单透镜不可能获得理论上的平行光。 但是这并不影响我们代表可以把发散角尽量压缩。 由条件?发散角最小?2?01?w02?取极大值w0?/?l?0，可以得到w0?w0F，即（48）式，此时远场?w02?2w0F（412）?0?0?w0F?fF（413）从（413）可以看出在l?F的条件下，像高斯光束的方向性不但与F的大小有关，而且也与w0的大小有关。 w0越小，则像高斯光束的方向性越好。 因此，如果预先用一个短焦距的透镜将高斯光束聚焦，以获得极小的腰斑，然后再用一个长焦距的透镜来改善其方向性，就可得到很好的准直效果。 【实验仪器与参数】1氦氖激光管一只长600mm最大功率10mw2反射镜片若干凹面镜曲率半径分别为R0.5m、R1m、R2m、R3m及平面镜（R?）3导轨一根长880mm4激光电源一台最佳电流10mA220v50Hz5.激光管与镜片支架若干。 6功率计及光探头一台。 7卷尺一把，光具座一个。 8短焦距透镜若干。 【实验任务】1选择合适的腔镜搭建激光器，调出基模高斯光束。 2测量此基模的束腰尺寸。 3把透镜放置于l?1.5m的位置，利用扫描法测量像方束腰的位置与尺寸。 可以先估计像方束腰的大概位置，然后在其附近进行扫描测量。 要求至少扫描10个位置，以光斑半径最小值作为像方束腰数值，该位置到透镜距离为l?。 ?与由（44）4把测量得到的l c,w0（45）计算的理论值进行比较，分析误差原因。 5测量l?F时的像方束腰的位置与尺寸，把测量结果与（48）式的理论结果进行比较。 分析误差原因。 【思考题】1为什么当l?F与l?两种情况时，像方焦距都位于F的位置？2用薄透镜来压缩光束时应该如何操作？实验五单程增益系数与损耗系数的测量（验证性实验）【实验目的】1了解谐振腔内光放大（增益）与光损耗的概念。 2掌握光放大物质的增益与增益曲线。 3掌握引起光损耗的因素。 4用光放大法测He-Ne激光管的单程增益系数与损耗系数。 【实验原理】一光放大物质的增益系数与增益曲线处于集居数反转状态的物质称为激活物质（或激光介质）。 一段激活物质就是一个光放大器。 放大作用的大小通常用放大（或增益）系数g来描述。 如图5.1所示，设在光传播方向上z处的光强为I?z?（光强I正比于光的单色能量密度?），则增益系数定义为g?z?dI?z?dz1I(z)（51）所以，它的物理意义是光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。 图5.1增益物质的光放大显然，dI?z?正比于单位体积激活物质的净受激发射光子数dI?z?W21n2?z?W12n1?z?h?dz（52）假设f1?f2由上式可写为dI?z?B21h?z?n2?z?n1?z?dz?B21h?I?z?n2?z?n1?z?dz（53）所以g?z?B21h?n2?z?n1?z?（54）如果?n2?n1?不随z而变化，则增益系数g?z?为一常数g0，式（51）为线性微分方程，对其积分可得I?z?I0eg z（55）式中I0为z?0处的初始光强，g0?g(I?0)即为小信号增益系数。 这就是如图5.1所示的线性增益或小信号增益情况。 二光放大法测增益系数增益和增益系数是激光器的一个很重要的参数，它是分析激光的放大、振荡条件和输出功率的基础。 测量增益系数的方法有很多，这里我们主要介绍光放大法（也称直接测量法）。 振荡器0l放大器探测器图5.2光放大法测量增益系数原理如图5.2所示，要测量长度为l的工作物质在某一跃迁线上的单程增益，将该工作物质作为放大器，另外选择一台激光振荡器作为信号源，当把其振荡谱线调到待测物质的跃迁中心频率?0时，通过测定泵浦源加电前后光通过放大器后进入到探测器的输出光强I与I?的比值，由（55）式可得小信号增益系数g?0?01llnII?（56）光放大法结构原理简单，并可广泛应用于小信号增益系数的非饱和测量、大信号增益系数及饱和参量测量、小信号增益系数的时间特性和空间分布等等方面，因此放大法是深入研究激光介质振荡和放大机理的有效手段。 在我们的实验里，振荡器和放大器选择同样参数的两根激光管，使用同样的激光电源作为泵浦，这样可以使振荡器的频率谱线与待测放大器的跃迁中心频率相同，从而更方便测量。 三谐振腔的损耗及损耗系数的测量在光放大的同时，通常还存在着光的损耗，我们引入损耗系数来描述。 定义为光通过单位距离后光强衰减的百分数，它表示为?dI(z)dz1I(z)（57）损耗的大小是评价谐振腔的一个重要指标，也是抢模理论的重要研究课题。 光学开腔的损耗大致包含如下几个方面。 （1）几何偏折损耗。 表示光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出去，我们称这种损耗为几何偏折损耗。 其大小取决于腔的类型和几何尺寸。 （2）衍射损耗。 由于腔的反射镜片通常具有有限大小的孔径，因而当光在镜面上发生衍射时，必然造成一部分能量损失。 （3）腔镜反射不完全引起的损耗。 这部分损耗包括镜中的吸收、散射以及镜的透射损耗。 （4）材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物（如布如斯特窗、调Q元件、调制器等）所引起的损耗等。 上述 （1） （2）两种损耗又常称为选择损耗，对于不同模式他们的大小不同。 （3） （4）两种损耗又称为非选择损耗，通常对各个模式大小相等。 对（57）式进行积分可以得到I(z)?I0e?z（58）为了测量单程损耗系数可以使用图5.2的实验光路，通过测量放大器在不加电情况下进入与通过放大器后的光强来计算单程损耗系数?0?lnl1II0（59）其中，I0为入射到放大器的入射光强。 如果同时考虑增益与损耗，则有dI(z)?g(I)?I(z)dz(5-10)由于增益饱和效应，当激光器稳定工作后，有通过放大器后的光强不随时间变化。 此时有g(I)?（511）式（511）是连续激光放大器稳定工作时，增益与损耗的一个基本关系式。 【实验仪器与装置】1He-Ne激光管两根（长600mm，输出波长633nm）2反射腔镜两片3激光电源两台最佳电流10mA220v50Hz4导轨两根长880mm5激光管及镜片支架若干。 6照明灯一个。 7功率计及光探头一台。 【实验步骤】1将作为振荡器的He-Ne激光器按实验二中的方法调整出光。 2在距离振荡器适当远处放置作为放大器的另一台He-Ne激光器（此时放大器不加电源），放置时应注意两台激光器的耦合（即第一台台激光器的出射布儒斯特窗与第二台激光器的入射布儒斯特窗咬合，如下图所示）实验装置图图33调整入射光方向与放大器位置，使激光束均匀地从放大器中心的细管通过，要求通过放大器前后光斑的形状基本不变。 4用功率计测量放大器泵浦源加电前后，光通过放大器后进入到探测器的输出光强I与I?的比值。 使用（56）计算输入激光波长的单程增益系数。 5用功率计测量放大器泵浦源在不加电时，光进入前与输出后的光强比值I与I0。 使用式（59）计算单程损耗系数。 6比较测量得到的单程增益系数与单程损耗系数的结果，与（511）的理论结果进行对照，分析误差原因。 实验报告要求根据实验结果填写下表参数值【思考题】1试考虑为什么在实验过程中要使振荡器的频率谱线与待测放大器的跃迁中心频率相同。 2试考虑在测量P0(I0)时是在待测放大器的输出端测量而不是在振荡器的输出端测量。 3（5.6）与(5.9)式里需要的是光强I，为什么我们用功率计测出的功率P也可以直接代入两式中进行计算？?0l P0(I0)g?0?P(I)P?(I?)?(v0误差实验六半导体激光器的电光特性及调制实验（验证性实验）【实验目的】1熟悉半导体激光器的结构。 2掌握半导体激光器的伏安特性、阈值特性和输出特性。 3掌握半导体激光器的调制特性。 【实验原理】1半导体激光器的结构和基本工作原理GaAlAs半导体激光器的结构如图6.1所示。 它的工作物质是GaAsGaAlAs异质Pn结。 (b)(