激光原理实验指导zhangli

1、激光原理实验指南张丽执笔电子信息工程学院光信息科学技术研究室2009年五月目录实验He-Ne激光器安装及参数测试实验2 He-Ne激光模式分析实验3激光偏振特性测量实验4激光束强度分布和发散角测量实验5高斯光束参数测量实验6高斯光束的聚焦和准直实验He-Ne激光器安装及参数测试一、实验目的1.熟悉谐振腔的构成。2.熟悉He-Ne激光曹征方法，体会谐振腔曹征后一些激光参数的变化。二、实验原理氦激光器(He-Ne激光器)是最常用的连续工作气体激光器，它由光学谐振腔(输出经和全反射镜)、工作材料(玻璃管中密封的氦、氦)和激励系统(激光电源)组成。可根据结构形式分为内腔、半内腔和外腔激光器，如图1-1

2、所示。图1-1内腔型He-Ne激光器的腔内封装在激光管的两端，外腔型He-Ne激光器的激光管、输出镜和镜面安装在曹征支架上。曹征支架调节输出镜与整个反射镜之间的平行度，使激光工作时输出镜与整个反射镜平行，垂直于放电管。继激光管的阴极，阳极之后，继续振荡电阻，防止激光管放电时闪烁的现象。氦激光激励系统采用开关电路的直流电源，体积小、重量轻、可靠性高、运行时间长。对于He-Ne激光器，增益介质是在毛细管内按一定的气压充入适当比例的氦、氖气体，当氦、氖混合气体被电流刺激时，氖原子的一对能级之间发生粒子数反转，产生输出刺激辐射，使介质受益。介质增益是与毛细管长度、内径厚度、两种气体的比例、总气压和放电

3、电流相关的因素。对于谐振腔，腔长必须满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径必须满足腔的稳定性条件。由于谐振腔的作用，刺激的辐射光在谐振腔内前后发射，多次激活介质，不断加强。如果单向增益大于单向损失，即满足产生激光的阈值条件，则有稳定的激光输出。三、实验设备He-Ne激光、激光电源、激光功率计。四、实验内容1、半内腔He-Ne激光器谐振腔的设计(确定He-Ne激光器腔的稳定工作区域)2.根据自己的设计，调用激光测量功率，记录空洞长度五、实验方法提示图1-2有关光靶的调节，请参阅图1-2。打开氦激光管，点燃辉光，打开光目标的小灯泡。此时，灯光目标的十字线被照亮。十字叉丝中间有一个小孔，眼睛通过小孔

4、看到激光管的毛细管另一边，被谐振腔A反射到眼睛的“小白点”(即眼睛、孔、毛细管在直线上)。另外，眼睛还可以看到谐振腔B反射的光靶的十字。在牙齿点，十字光标图像可以在图3中的一个位置调整谐振器B机架后面的两个螺钉，以使十字光标完全落在小孔的中间(见图4)。图3图4这表明谐振腔(反射镜)与激光管内的毛细管完全垂直，此时应该有激光发射。谐振腔和毛细管光轴调整的范围较大，如果激光不出来，则必须继续调整谐振腔的两个螺钉，直到谐振腔和毛细管光轴曹征范围较小为止。否则激光不会出来。考试问题：1，He-Ne激光管的布鲁斯特矛有什么作用？实验2 He-Ne激光模式分析激光具有比普通光源单色性好的特点。也就是说，

5、它具有非常窄的频谱宽度。这样窄的光谱不是在受到辐射后自然形成的，而是经过谐振腔等各种机制的作用和相互干涉而形成的。一个或多个离散、稳定、精细的光谱是激光的模具。每个模块对应于具有一定光频率的稳定电磁场分布。两个相邻模块的光频率差很小，因此可以用分辨率高的光谱仪观察每个模式。光输出方向平行(垂直)和垂直(水平)的两个茄子从不同角度观察和分析每个强度时，纵向观察的强度称为纵向模式，具有多个茄子特征。它表示腔内可以存在的每个驻波场，使用模块顺序Q描述沿腔轴的激光场的节点数。横向观察的强度称为横向，它指腔内可能存在的每个横向场的分布，用模数序数M和N表示。在激光的生产和应用中，我们经常首先需要知道激光

6、的模式状态(如精密测量、全息技术等)，激光稳频、激光测距等需要不仅基本横向模式，还需要单个钟型工作的激光。因此，模式分析是激光器的基本和重要性能测试。一、实验目的1.理解激光的模式结构，加深对模式概念的理解。通过测试分析掌握模式分析的基本方法。3.学习本实验中使用的光谱仪共焦球面扫描干涉仪的原理、性能和正确使用方法。二、实验原理1.激光模式形成图2-1粒子数反向分布我们知道激光的三个茄子基本成分是增益介质、谐振腔和激励能量。使用某些激励，介质的一对能量水平之间形成了粒子数反转分布，自发辐射和刺激辐射的作用产生了恒定频率的光波，在腔内传播，并由增益介质逐渐增强和扩大，如图2-1所示。实际上，由于

7、能量水平总是受特定宽度和其他因素的影响，增益介质的增益具有表示光增益系数的频率分布，如图2-2所示。只有当频率在牙齿范围内的光在介质中传播时，才能得到不同强度的放大。但是，单程放大不足以产生激光，要产生激光，必须有谐振腔才能产生光学反馈，从而在多个往复传播中形成稳定持续的振动。形成持续振动的条件是在谐振腔内光往返一周的图2-2光增益曲线光路差异必须是波长的整数倍数。(2-1)表达式中的折射率，气体型腔长度；正整数。这就是光波徐璐相关的大条件，满足牙齿条件的光线将大大提高。与每个纵向方向相对应的稳定电磁场分布称为纵向模式(纵向模式序数)。是个大数字。通常我们不需要知道那个数字。但是激光有几个茄子

8、不同的值。也就是说，激光有几个茄子不同的钟型。(2-1)从表达式中可以看出，这也是驻波形成的条件，河中的纵模以驻波形式存在，值反映了周波复的数量，纵模的频率是(2-2)同样，一般来说，我们不求它，而是对两个相邻钟形的频率间隔感兴趣(2-3)(2-3)如表达式所示，相邻纵向模式频率间隔与激光器腔成反比。也就是说，腔越长，相邻纵向模式频率间隔越小，满足振动条件的纵向模式数就越多。相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在相同增益曲线范围内纵模数越少。因此，减小腔长的方法是获得单纵模式操作激光器的方法之一。图2-3纵向模式和纵向模式间隔光波在空腔中前后振动时，一方面有增益，光线继续增强。另一方面，介质的

9、吸收损失、散射损失、镜子的透射损失、放电毛细管的衍射损失等减弱亮度的各种损失。因此，不仅要满足共振条件，还要比各种损失的总和更需要增益，才能与激光输出一起形成持续振动。如图2-3所示，5种纵向模式满足谐振杆。图2-3纵向模式和纵向模式间隔牙齿中两个钟形的增益小于损失，因此三个钟形形成持续振动。对于钟形观测，值很大，相邻钟形频率的差异很小，所以一般光谱仪不能辨别，要使用高精度的探测器才能观察。谐振腔对光多次反馈，垂直形成不同的场分布，那么水平也有影响吗？答案是肯定的。因为每次通过放电毛细管，光就相当于一次衍射。因为如果多次重复衍射，水平形成一个或多个稳定的衍射光斑。(David aser，Nor

10、thern Exposure，美国电视电视剧，健康)每个衍射光斑都对应一个稳定的横向电磁场分布，称为水平模式。图2-4显示了几种茄子常见的默认水平光斑图案。我们看到的复杂光斑是这些基本光斑的叠加。激光模式用于表示横向模式显示，纵向模式显示。沿x轴的现场强度为零的节点数，沿Y轴的现场强度为零的节点数。图2-4典型水平模式光斑图如上所述，如果徐璐不同的钟型与徐璐不同的频率相对应，那么同一钟型序数内的徐璐不同的横向型怎么样？同样，徐璐其他横式也徐璐对应其他频率。横向序数越大，频率越高。一般来说，我们不需要要求水平模式频率。我们对徐璐不同水平模式之间的频率差异感兴趣。推论而得(2-4)其中，X、Y方向

11、的水平模式顺序差异，谐振腔两个反射镜的曲率半径，相邻的水平模式频率间隔为：(2-5)另外，如图2-5所示，相邻水平模式频率间隔与相邻垂直模式频率间隔的比率为分数。分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定，腔长和曲率半径的比率越大，分数的值就越大。如果型腔长度等于曲率半径()，则分数值很大。也就是说，水平模式间隔是垂直模式间隔的一半，水平模式序数差为2的频谱频率与垂直模式序数差为1的频谱频率几乎相同。图2-5纵向模式，横向模式分布激光能产生的横向数目除了上述增益因素外，还与放电毛细管的厚度、内部损耗等有关。一般来说，放电毛细管直径越大，可能发生的横向数目就越多。序数高的横向比随着衍射损耗的增大，形

12、成稳定振动更困难，但是激光输出光中横向比横向比的强弱渡边杏，只能在衍射损耗的一个茄子因素中考虑，多种因素共同决定。这是模式分析实验中，找出哪个是高维型的时候容易出错的地方。因为仅凭光的强弱判断横向顺序的高低。也就是说，认为光最强的光谱必须是基本的横向型，这是不对的，但是要根据高横向型模具以高频率确定。横向模式频率间隔的测量与纵向模式频率间隔的测量一样，必须使用显示的频谱图进行计算。但是，不能仅在步骤数和频谱地图中确认。因为频谱地图上只能看到几个茄子不同，可以测量的差异。但是，徐璐可以不同，也可以相同，在频谱地图上也是相同的，所以必须结合激光输出的光斑图形来判断每个是多少。观察光斑时，可以看到图

13、2-4中多个单光斑图的组合，即所有横向的叠加。只有一个横式的时候很容易辨认。横向型数多，基本横向型强，隐藏其他横向型，或某些高层型太弱，分辨起来会有一定的困难。但是我们有频谱图，所以如果知道横纲数和彼此强度上的近似关系，就可以缩小考虑范围，准确地确定各个横纲的值和值。共焦球面扫描干涉仪共焦球形扫描干涉仪是在激光技术中用作重要测量设备的高分辨率光谱仪器。本实验是通过将彼此的频率差异(数十数百MHz)变得很小，用普通频谱仪器无法分辨的不同钟型、横向型显示为频谱图来观察的。在牙齿实验中，它起着重要的作用。共焦球面扫描干涉仪是由两个球面凹反射镜组成的共焦腔，即两个反射镜的曲率半径和共长相同的手动谐振腔

14、()。反射镜镀了高反射率膜。两个反射镜中有一个是固定的，另一个固定在压电陶瓷环上，可以根据电压变化，如图2-6所示。图中用低膨胀系数材料制作的间隔环图2-6共焦球面扫描干涉仪内部结构示意图图2-7共焦球面扫描干涉仪内光路图表保持两个球形凹面反射镜，并且始终处于共聚焦状态。由于压电陶瓷环的特性，在环的内外壁上添加一定数量的电压，环的长度发生变化，长度的变化量与外部电压的振幅呈线性关系，是扫描干涉仪用于扫描的基本条件。长度的变化量小，波长大小，因此额外的电压不会改变共同的焦点状态。但是，线性关系不好的时候，测量可能会出现一些误差。一束激光在近光轴方向进入干涉仪后，在共聚焦中以四次反射形成X形路径，

15、光学定向如图2-7所示。光在空腔中每周期都有一部分光从镜子里透射出来。(亚里斯多德)在A，B两个点形成透射光1，2，3，依此类推。图2-7共焦球面扫描干涉仪内部光路图表和、我们将线性电压加到压力陶瓷上，加压将钢长度改变为一定长度，当两个相邻透射光线的光程差是入射光中模式波长是牙齿牙齿频谱波长的整数倍时，我们就满足了。、(2-6)强度产生非常一致的传输(扫描干涉仪的干涉序数，正整数)，但其他波长的强度不能通过。同样，电压加起来，腔长会大幅度透射，其他模块不会通过。因此，透射较大的波长值和腔长值之间存在一对一的对应关系。只要一定宽度的电压改变口袋的长度，激光拥有的所有不同波长(或频率)的模具就可以

16、依次徐璐啮合，形成扫描。如果入射光的波长范围超过一定限度，加上电压，腔的长度可以线性变化，但是要注意，确定腔的长度可以同时发生多个不同波长的强度，从而改变顺序。(David aser，Northern Exposure，美国电视电视剧，成功)例如，如果腔的长度发生了巨大的变化，就会再次发生大的现象(2-7)也就是说，在顺序和顺序中同时满足大条件，徐璐同时扫除其他两个波长的强度。(David aser，Northern Exposure(美国电视电视剧)，顺序)因此，扫描干涉仪本身有一个波长范围限制，即自由频谱范围，其中顺序并不重要。也就是说，表示扫描干涉仪可以扫的最大波长差或频率差，没有顺序。

17、在上例中，如果是刚刚重新排序的起点，则是-牙齿干涉仪的自由频谱范围值。可以通过推断得到(2-8)和之间的差距很小，共同长度的变化只是波长的级数，常识大致可以表达为：(2-9)表达式的平均波长。用频率表示(2-10)在模式分析实验中，我们不想在(2-7)式的中旬出现现象，所以在选择扫描干涉仪时，首先要知道它的自由频谱范围和要分析的激光的频率范围。这确保了腔长度和模块的波长(或频率)之间的一对一对应关系，而无需频谱图重新排序。自由频谱范围也可以描述为腔长的变化量，即腔长变化量为/4时对应的扫描范围。因为光在共同聚焦河内沿X型路径行进，所以4倍距离的光程差完全相同，干涉序数变为1。另外，如果条件满足，则附加电压足够大，腔