激光原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、激光原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)一：He-Ne激光器諧振腔調(diào)整和激光特性的測量（2學(xué)時(shí)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解He-Ne激光器的構(gòu)造。2. 觀察并測量He-Ne激光器的功率、發(fā)散角等特性參數(shù)。3. 調(diào)整諧振腔一端的反射鏡，觀察諧振腔改變后He-Ne激光器性能參數(shù)的變化。4. 了解外腔He-Ne激光器的偏振態(tài)5. 通過光柵方程來驗(yàn)證He-Ne激光的波長二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. He-Ne激光器發(fā)散角測量關(guān)鍵是如何保證接收器能在垂直光束的傳播方向上掃描，這是測量光斑尺寸和發(fā)散角的必要條件。由于遠(yuǎn)場發(fā)散角實(shí)際是以光斑尺寸為軌跡的兩條雙曲線的漸近線間的夾角，所以我們應(yīng)延長光路以保證其精確度，此

2、時(shí)需要在前方放置反射鏡?？梢宰C明當(dāng)距離大于時(shí)所測的全發(fā)散角與理論上的遠(yuǎn)場發(fā)散角相比誤差僅在1%以內(nèi)。（1）確定和調(diào)整激光束的出射方向，放置一個(gè)反射鏡來延長光路。（2）在光源前方L1處用光功率計(jì)檢測，在與光軸垂直的某方向延正負(fù)軸測量并繪出光功率/位移曲線。（3）由于光功率/位移曲線是高斯分布的，定義Pmax/e2為光斑邊界，測量出L1位置的光斑直徑D1。（4）在后方L2處用光功率計(jì)同樣測繪光強(qiáng)/位移曲線，并算出光斑直徑D2。（5）由于發(fā)散角度較小，可做近似計(jì)算，=D2-D1/L2-L1,便可以算出全發(fā)散角2。2. 外腔He-Ne激光器偏振態(tài)驗(yàn)證在外腔He-Ne激光器的諧振腔內(nèi)由于放置了步儒斯特窗

3、，限制了輸出光片振態(tài)為垂直桌面的線偏振，因此，可在輸出前方放置一個(gè)偏振片，通過旋轉(zhuǎn)偏振片來分析外腔He-Ne激光器激光的偏振方向。3 .利用光柵方程驗(yàn)證波長。我們所用的He-Ne激光器的波長是623.8nm, 通過光柵方程可以驗(yàn)證激光器的波長值。（1） 觀察衍射圖樣，統(tǒng)計(jì)出衍射級數(shù)j。（2） 見圖一，根據(jù)三角公式，計(jì)算出衍射角。（3） 由于光柵常數(shù)d已知，根據(jù)光柵方程可以計(jì)算出激光波長。 三、實(shí)驗(yàn)原理1. 高斯光束的發(fā)散角激光器的光強(qiáng)分布為高斯函數(shù)型分布，故稱為高斯光束。我們用全發(fā)散角2表征它的發(fā)散程度，定義2 (1)現(xiàn)在分析2在整個(gè)光路中的變化情況。顯然，在z0處，20，當(dāng)z增大，2增加。在

4、z0zzr這段范圍內(nèi)，全發(fā)散角變化較慢，我們稱zr為準(zhǔn)直距離， (2)在z>zr,全發(fā)散角變化加快,當(dāng)z, 2變?yōu)槌?shù),我們將此處的全發(fā)散角稱為遠(yuǎn)場發(fā)散角,有 (3)不難看出,遠(yuǎn)場發(fā)散角實(shí)際是以光斑尺寸為軌跡的兩條雙曲線的漸近線間的夾角。實(shí)驗(yàn)中,由于不可能在無窮遠(yuǎn)處測量,故(3)式只是理論上的計(jì)算式,不能作為測量公式,而需用近似測量來代替.可以證明,當(dāng)z7zr=702/時(shí), 2z/2() 99%,即當(dāng)z值大于7倍zr時(shí)所測得的全發(fā)散角,可和理論上的遠(yuǎn)場發(fā)散角相比,誤差僅在1%以內(nèi),那么z值帶來的實(shí)驗(yàn)誤差已不是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素了,這就為我們提供了實(shí)驗(yàn)上測遠(yuǎn)場發(fā)散角所應(yīng)選取的z值范圍。

5、可采用以下兩種近似計(jì)算:一種方法是,選取z>zr的兩個(gè)不同值z1,z2,根據(jù)光斑尺寸定義,從I曲線中分別求出(z1),(z2)根據(jù)公式 （4）另一種方法是,由于z足夠大時(shí),全發(fā)散角為定值,好像是從源點(diǎn)發(fā)出的一條直線,所以實(shí)驗(yàn)上還可用一個(gè)z值(z7zr)及與其對應(yīng)的(z),通過公式2=2(z)/z （5）來計(jì)算,選擇哪一個(gè)近似公式更好,要根據(jù)具體情況和誤差分析而定。2.光柵方程法驗(yàn)證激光波長     光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等。反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽，一

6、系列平行刻槽的間隔與波長相當(dāng)，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對某波長，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射級次。上式表示衍射光柵所產(chǎn)生譜線的位置，這個(gè)重要的公式稱為光柵方程。稱為光柵常數(shù)，是衍射角，j是衍射級數(shù)，是光波長。光柵常數(shù)已知，可以通過統(tǒng)計(jì)衍射級數(shù)j和測量衍射角來計(jì)算He-Ne激光器的波長。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：如圖所示：He-Ne外腔激光器模型、功率計(jì)、導(dǎo)軌、調(diào)節(jié)固定器件、反射鏡五、實(shí)驗(yàn)方法：1. 觀察He-Ne外腔激光器模型，了解各部分構(gòu)造及工作原理。He-Ne激光器的組成包括有：共振腔（由放電毛細(xì)管和反射鏡組成）、工

7、作物質(zhì)（有氦氖氣體按一定比例組成）、放電電源（通常多采用直流高壓電源）。當(dāng)氦氖激光器的電極上加上幾千伏的直流高壓后，管內(nèi)就產(chǎn)生輝光發(fā)電，對工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)從而引起受激輻射，經(jīng)共振腔進(jìn)行光放大以后，即產(chǎn)生激光輸出。2、應(yīng)先接好激光管的電極引線，再接通He-Ne電源的開關(guān)。激光管通電后帶有高壓，不要用手摸電極，以免觸電。3、   將激光器上的全反射鏡擰下，在導(dǎo)軌上安裝外腔全反射鏡，用十字叉調(diào)節(jié)全反射鏡和輸出鏡平行，直到有激光出射確定兩個(gè)鏡子平行。4、等激光器穩(wěn)定輸出后，在光路中加一個(gè)反射鏡來延長光路，改變功率計(jì)的位置進(jìn)行不同測量，記錄數(shù)據(jù)后分析發(fā)散角的大小。5、在激光器輸出前方

8、放置一個(gè)偏振片，旋轉(zhuǎn)偏振片觀察光強(qiáng)的明暗變化，旋轉(zhuǎn)到完全消光的位置來判斷外腔激光器的偏振狀態(tài)。換上內(nèi)腔單模激光器重新觀察一遍，并比較兩激光器的偏振狀態(tài)6、 在激光器輸出前方加光柵，觀察衍射條紋，測量光柵到條紋間距，并測量條紋間距，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)光柵方程反推激光器波長。注意：1、 調(diào)節(jié)激光器功率輸出時(shí),用功率計(jì)監(jiān)視輸出功率，調(diào)節(jié)范圍不宜過大，以免輸出鏡失調(diào)而不出光。2、 激光器及激光電源內(nèi)有高壓電，激光器點(diǎn)亮?xí)r切勿打開。3、 通常激光器的工作電流不需調(diào)節(jié)。如激光器開啟時(shí)不能啟輝，或啟輝后閃爍，可用螺絲刀通過激光電源后面板電流調(diào)節(jié)孔適當(dāng)調(diào)高激光器工作電流。激光器的工作電流是在設(shè)定范圍

9、內(nèi)盡量往小方向調(diào)，只要激光器開啟時(shí)能啟輝，啟輝后不閃爍即可。六、思考題1、為什么要待激光器穩(wěn)定輸出后才能進(jìn)行光強(qiáng)分布的測量和發(fā)散角的測量？2、為什么要選擇激光器在最佳電流下工作？3、前述一、二種測量高斯光束遠(yuǎn)場發(fā)散角的方法，在物理意義上有什么不同？七 實(shí)驗(yàn)報(bào)告：1.包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）繪出光功率/位移曲線；（2）測量在不同的L1、L2處的光斑大小D1、D2，計(jì)算出光束遠(yuǎn)場發(fā)散角；（3）兩種激光器偏振態(tài)的測量結(jié)果；（4）激光波長實(shí)驗(yàn)二：He-Ne激光的縱、橫膜間距測量（2學(xué)時(shí)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過測試分析，掌握模式分析的基本方法。2、對實(shí)驗(yàn)中使用的重要

10、分光儀器共焦球面掃描干涉儀，了解其原理、性能，學(xué)會(huì)正確使用。3、熟悉諧振腔的構(gòu)成，學(xué)會(huì)調(diào)整的方法，體會(huì)諧振腔調(diào)整之后一些激光參數(shù)的變化二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、He-Ne激光器模式分析要測量和分析出激光器所具有的縱模個(gè)數(shù)，縱模頻率間隔值，橫模個(gè)數(shù)，橫模頻率間隔值，每個(gè)橫模的m和n的階數(shù)及對應(yīng)的光斑圖形（1）通過共焦球面干涉儀接示波器觀察縱模頻率間隔，再根據(jù)自由光譜范圍的定義，確定它所對應(yīng)的頻率間隔（即哪兩條譜線間距為vS.R. ）為減少測量誤差，需要對x軸增幅，測出與vS.R.相對應(yīng)的標(biāo)尺長度，計(jì)算出兩者比值，即每厘米代表的頻率間隔值。（2）通過減小光闌大小，觀察模式變化。（3）根據(jù)橫模的頻譜特征，在

11、同一q縱模序內(nèi)有幾個(gè)不同的橫模？測出不同的橫模頻率間隔vmn，與理論值比較，檢查辨認(rèn)是否正確。2、He-Ne外腔激光器諧振腔調(diào)整分別調(diào)整腔內(nèi)的光闌開口大?。ü軓剑?，反射膜片距離（腔長），膜片俯仰傾斜程度，體會(huì)出光功率、光斑圖案（橫模式花樣）等激光參數(shù)的變化。并且練習(xí)從無光到有光的調(diào)腔過程（十字叉絲法）。三、實(shí)驗(yàn)原理：1.激光器模的形成激光器的三個(gè)基本組成部分是增益介質(zhì)、諧振腔和激勵(lì)能源。如果用某種激勵(lì)方式,將介質(zhì)的某一對能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,由于自發(fā)輻射和受激輻射的作用,將有一定頻率的光波產(chǎn)生,在腔內(nèi)傳播,并被增益介質(zhì)逐漸增強(qiáng)、放大。被傳播的光波決不是單一頻率的（通常所謂某一波長的光，不過

12、是光中心波長而已）。因能級有一定寬度，所以粒子在諧振腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)受多種因素的影響，實(shí)際激光器輸出的光譜寬度是自然增寬、碰撞增寬和多普勒增寬迭加而成。不同類型的激光器，工作條件不同，以上諸影響有主次之分。例如低氣壓、小功率的He-Ne激光器6328譜線，則以多普勒增寬為主，增寬線型基本呈高斯函數(shù)分布，寬度約為1500MHz，只有頻率落在展寬范圍內(nèi)的光在介質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)將獲得不同程度的放大。但只有單程放大，還不足以產(chǎn)生激光，還需要有諧振腔對它進(jìn)行光學(xué)反饋，使光在多次往返傳播中形成穩(wěn)定持續(xù)的振蕩，才有激光輸出的可能。而形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔中往返一周的光程差應(yīng)是波長的整數(shù)倍，即2Lqq （6

13、）這正是光波相干極大條件，滿足此條件的光將獲得極大增強(qiáng)，其它則相互抵消。式中，是折射率，對氣體1，L是腔長，q是正整數(shù)，每一個(gè)q對應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場分布q，叫一個(gè)縱模，q稱作縱模序數(shù)。q是一個(gè)很大的數(shù)，通常我們不需要知道它的數(shù)值。而關(guān)心的是有幾個(gè)不同的q值，即激光器有幾個(gè)不同的縱模。從式（6）中，我們還可以看出，這也是駐波形成的條件，腔內(nèi)的縱模是以駐波形式存在的，q值反映的恰是駐波波腹的數(shù)目?？v模的頻率為 (7)同樣，一般我們不去求它，而關(guān)心的是相鄰兩個(gè)縱模的頻率間隔 (8)從式中看出，相鄰縱模頻率間隔和激光器的腔長成反比。即腔越長，縱越小，滿足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)越多；相反腔越短，縱越大，

14、在同樣的增寬曲線范圍內(nèi)，縱模個(gè)數(shù)就越少，因而用縮短腔長的辦法是獲得單縱模運(yùn)行激光器的方法之一。以上我們得出縱模具有的特征是：相鄰縱模頻率間隔相等；對應(yīng)同一橫模的一組縱模，它們強(qiáng)度的頂點(diǎn)構(gòu)成了多普勒線型的輪廓線。圖1任何事物都具有兩重性，光波在腔內(nèi)往返振蕩時(shí)，一方面有增益，使光不斷增強(qiáng)，另一方面也存在著不可避免的多種損耗，使光能減弱。如介質(zhì)的吸收損耗、散射損耗、鏡面透射損耗和放電毛細(xì)管的衍射損耗等。所以不僅要滿足諧振條件，還需要增益大于各種損耗的總和，才能形成持續(xù)振蕩，有激光輸出。如圖1所示，圖中，增益線寬內(nèi)雖有五個(gè)縱模滿足諧振條件，但只有三個(gè)縱模的增益大于損耗，能有激光輸出。對于縱模的觀測，由

15、于q值很大，相鄰縱模頻率差異很小，眼睛不能分辨，必須借用一定的檢測儀器才能觀測到。諧振腔對光多次反饋，在縱向形成不同的場分布，那么對橫向是否也會(huì)產(chǎn)生影響呢？答案是肯定的。這是因?yàn)楣饷拷?jīng)過放電毛細(xì)管反饋一次，就相當(dāng)于一次衍射。多次反復(fù)衍射，就在橫向的同一波腹處形成一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定的干涉光斑。每一個(gè)衍射光斑對應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場分布，稱為一個(gè)橫模。我們所看到的復(fù)雜的光斑則是這些基本光斑的迭加，下圖是幾種常見的基本橫模光斑圖樣。圖2總之，任何一個(gè)模，既是縱模，又是橫模。它同時(shí)有兩個(gè)名稱，不過是對兩個(gè)不同方向的觀測結(jié)果分開稱呼而已。一個(gè)模由三個(gè)量子數(shù)來表示，通常寫作TEMmnq，q是縱模標(biāo)記，m和n是

16、橫模標(biāo)記，m是沿x軸場強(qiáng)為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)，n是沿y軸場強(qiáng)為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)。前面已知，不同的縱模對應(yīng)不同的頻率。那么同一縱模序數(shù)內(nèi)的不同橫模又如何呢？同樣，不同橫模也對應(yīng)不同的頻率，橫模序數(shù)越大，頻率越高。通常我們也不需要求出橫模頻率，關(guān)心的是具有幾個(gè)不同的橫模及不同的縱模間的頻率差，經(jīng)推導(dǎo)得 (9)其中，m，n分別表示x，y方向上橫模模序數(shù)差，R1，R2為諧振腔的兩個(gè)反射鏡的曲率半徑。相鄰橫模頻率間隔為 (10)從上式還可以看出，相鄰的橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個(gè)分?jǐn)?shù)，例如圖三分?jǐn)?shù)的大小由激光器的腔長和曲率半徑?jīng)Q定。腔長與曲率半徑的比值越大，分?jǐn)?shù)值越大。當(dāng)腔長等于曲率半徑時(shí)（LR1R2，即共

17、焦腔），分?jǐn)?shù)值達(dá)到極大，即相鄰兩個(gè)橫模的橫模間隔是縱模間隔的1/2，橫模序數(shù)相差為2的譜線頻率正好與縱模序數(shù)相差為1的譜線頻率簡并。圖3激光器中能產(chǎn)生的橫模個(gè)數(shù)，除前述增益因素外，還與放電毛細(xì)管的粗細(xì)，內(nèi)部損耗等因素有關(guān)。一般說來，放電管直徑越大，可能出現(xiàn)的橫模個(gè)數(shù)越多。橫模序數(shù)越高的，衍射損耗越大，形成振蕩越困難。但激光器輸出光中橫模的強(qiáng)弱決不能僅從衍射損耗一個(gè)因素考慮，而是由多種因素共同決定的，這是在模式分析實(shí)驗(yàn)中，辨認(rèn)哪一個(gè)是高階橫模時(shí)易出錯(cuò)的地方。因僅從光的強(qiáng)弱來判斷橫模階數(shù)的高低，即認(rèn)為光最強(qiáng)的譜線一定是基橫模，這是不對的，而應(yīng)根據(jù)高階橫模具有高頻率來確定。橫模頻率間隔的測量同縱模間

18、隔一樣，需借助展現(xiàn)的頻譜圖進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。但階數(shù)m和n的數(shù)值僅從頻譜圖上是不能確定的，因?yàn)轭l譜圖上只能看到有幾個(gè)不同的（mn）值，及可以測出它們間的差值（mn），然而不同的m或n可對應(yīng)相同的（mn）值，相同的（mn）在頻譜圖上又處在相同的位置，因此要確定m和n各是多少，還需要結(jié)合激光輸出的光斑圖形加以分析才行。當(dāng)我們對光斑進(jìn)行觀察時(shí)，看到的應(yīng)是它全部橫模的迭加圖（即上圖中一個(gè)或幾個(gè)單一態(tài)圖形的組合）。當(dāng)只有一個(gè)橫模時(shí)，很易辨認(rèn)；如果橫模個(gè)數(shù)比較多，或基橫模很強(qiáng)，掩蓋了其它的橫模，或某高階模太弱，都會(huì)給分辨帶來一定的難度。但由于我們有頻譜圖，知道了橫模的個(gè)數(shù)及彼此強(qiáng)度上的大致關(guān)系，就可縮小考慮的范

19、圍，從而能準(zhǔn)確地定位每個(gè)橫模的m和n值。綜上所述，模式分析的內(nèi)容，就是要測量和分析出激光器所具有的縱模個(gè)數(shù)，縱模頻率間隔值，橫模個(gè)數(shù)，橫模頻率間隔值，每個(gè)橫模的m和n的階數(shù)及對應(yīng)的光斑圖形。2. 共焦球面掃描干涉儀圖4共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成為激光技術(shù)中一種重要的測量設(shè)備。實(shí)驗(yàn)中使用它，將彼此頻率差異甚小（幾十至幾百M(fèi)Hz），用眼睛和一般光譜儀器不能分辨的，所有縱模、橫模展現(xiàn)成頻譜圖來進(jìn)行觀測的。它在本實(shí)驗(yàn)中起著不可替代的重要作用。共焦球面掃描干涉儀是一個(gè)無源諧振腔。由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊鏡的曲率半徑和腔長相等，R1R2l。反射鏡鍍有高反射膜。兩塊鏡中

20、的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的壓電陶瓷上。如圖4所示，圖中，為由低膨脹系數(shù)制成的間隔圈，用以保持兩球形凹面反射鏡R1和R2總是處在共焦?fàn)顟B(tài)。為壓電陶瓷環(huán)，其特性是若在環(huán)的內(nèi)外壁上加一定數(shù)值的電壓，環(huán)的長度將隨之發(fā)生變化，而且長度的變化量與外加電壓的幅度成線性關(guān)系，這正是掃描干涉儀被用來掃描的基本條件。由于長度的變化量很小，僅為波長數(shù)量級，它不足以改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)。但是當(dāng)線性關(guān)系不好時(shí)，會(huì)給測量帶來一定的誤差。掃描干涉儀有兩個(gè)重要的性能參數(shù)，即自由光譜范圍和精細(xì)常數(shù)常要用到，以下分別對它們進(jìn)行討論。（1）自由光譜范圍圖5當(dāng)一束激光以近光軸方向射入干涉儀后，在共焦腔中徑四次反

21、射呈x形路徑，光程近似為4l，見圖5所示，光在腔內(nèi)每走一個(gè)周期都會(huì)有部分光從鏡面透射出去。如在A,B兩點(diǎn)，形成一束束透射光1，2，3.和1,2,3.，這時(shí)我們在壓電陶瓷上加一線性電壓，當(dāng)外加電壓使腔長變化到某一長度la，正好使相鄰兩次透射光束的光程差是入射光中模的波長為a的這條譜線的整數(shù)倍時(shí)，即4laka （11）此時(shí)模a將產(chǎn)生相干極大透射，而其它波長的模則相互抵消（k為掃描干涉儀的干涉序數(shù)，是一個(gè)整數(shù)）。同理，外加電壓又可使腔長變化到lb，使模b符合諧振條件，極大透射，而a等其它模又相互抵消。因此，透射極大的波長值和腔長值有一一對應(yīng)關(guān)系。只要有一定幅度的電壓來改變腔長，就可以使激光器全部不同

22、波長（或頻率）的模依次產(chǎn)生相干極大透過，形成掃描。但值得注意的是，若入射光波長范圍超過某一限定時(shí)，外加電壓雖可使腔長線性變化，但一個(gè)確定的腔長有可能使幾個(gè)不同波長的模同時(shí)產(chǎn)生相干極大，造成重序。例如，當(dāng)腔長變化到可使b極大時(shí)，a會(huì)再次出現(xiàn)極大，有4ldkd（k1）a （12）即k序中的d和k1序中的a同時(shí)滿足極大條件，兩種不同的模被同時(shí)掃出，迭加在一起，因此掃描干涉儀本身存在一個(gè)不重序的波長范圍限制。所謂自由光譜范圍（S.R.）就是指掃描干涉儀所能掃出的不重序的最大波長差或頻率差，用S.R.或者vS.R.表示。假如上例中l(wèi)d為剛剛重序的起點(diǎn)，則d-a即為此干涉儀的自由光譜范圍值。徑推導(dǎo)，可得d

23、a （13）由于d與a間相差很小，可共用近似表示S.R. （14）用頻率表示，即為vS.R. （15）在模式分析實(shí)驗(yàn)中，由于我們不希望出現(xiàn)（12）中的重序現(xiàn)象，故選用掃描干涉儀時(shí)，必須首先知道它的vS.R.和待分析的激光器頻率范圍v，并使vS.R.> v,才能保證在頻譜面上不重序，即腔長和模的波長或頻率間是一一對應(yīng)關(guān)系。自由光譜范圍還可用腔長的變化量來描述，即腔長變化量為/4時(shí)所對應(yīng)的掃描范圍。因?yàn)楣庠诠步骨粌?nèi)呈x型，四倍路程的光程差正好等于，干涉序數(shù)改變1。另外，還可看出，當(dāng)滿足vS.R.> v條件后，如果外加電壓足夠大，可使腔長的變化量是/4的i倍時(shí)，那么將會(huì)掃描出i個(gè)干涉序，

24、激光器的所以模將周期性地重復(fù)出現(xiàn)在干涉序k，k1，.，ki中，如圖6所示。圖6（2）精細(xì)常數(shù)精細(xì)常數(shù)F是用來表征掃描干涉儀分辨本領(lǐng)的參數(shù)。它的定義是：自由光譜范圍與最小分辨率極限寬度之比，即在自由光譜范圍內(nèi)能分辨的最多的譜線數(shù)目。精細(xì)常數(shù)的理論公式為 (16)R為凹面鏡的反射率，從（16）式看，F(xiàn)只與鏡片的反射率有關(guān)，實(shí)際上還與共焦腔的調(diào)整精度、鏡片加工精度、干涉儀的入射和出射光孔的大小及使用時(shí)的準(zhǔn)直精度等因素有關(guān)。因此精細(xì)常數(shù)的實(shí)際值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)來確定，根據(jù)精細(xì)常數(shù)的定義顯然，就是干涉儀所能分辨出的最小波長差，我們用儀器的半寬度代替，實(shí)驗(yàn)中就是一個(gè)模的半值寬度。從展開的頻譜圖中我們可以測定出F值

25、的大小。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備He-Ne激光器、激光電源、小孔光闌、共焦球面掃描干涉儀、鋸齒波發(fā)生器、放大器、示波器等       實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如下：五、實(shí)驗(yàn)方法：1、He-Ne激光器模式分析（1）點(diǎn)燃外腔激光器。（2）調(diào)整光路，首先使激光束從光闌小孔通過，調(diào)整掃描干涉儀上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再細(xì)調(diào)干涉儀板架上的兩個(gè)方位螺絲，使從干涉儀腔鏡反射的最亮的光點(diǎn)回到光闌小孔的中心附近，這時(shí)表明入射光束和掃描干涉儀的光軸基本重合。（3）將放大器的接收部位對準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端。接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的開關(guān)，觀察示波器上的展現(xiàn)的

26、頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干涉儀的兩個(gè)方位螺絲，使譜線盡量強(qiáng)，噪聲最小。（4）改變鋸齒波輸出電壓的峰值，看示波器上干涉序的數(shù)目有何變化，確定示波器上應(yīng)展示的干涉序個(gè)數(shù)。根據(jù)干涉序個(gè)數(shù)和頻譜的周期性，確定哪些模屬于同一k序。（5）根據(jù)自由光譜范圍的定義，確定它所對應(yīng)的頻率間隔（即哪兩條譜線間距為vS.R. ）為減少測量誤差，需要對x軸增幅，測出與vS.R.相對應(yīng)的標(biāo)尺長度，計(jì)算出兩者比值，即每厘米代表的頻率間隔值。（6）在同一干涉序k內(nèi)觀測，根據(jù)縱模定義對照頻譜特征，確定縱模的個(gè)數(shù)，并測出縱模頻率間隔vq1。與理論值比較，檢查辨認(rèn)和測量的值是否正確。（7）根據(jù)橫模的頻譜特征，在同一q縱模序內(nèi)有幾個(gè)不同的

27、橫模？測出不同的橫模頻率間隔vmn，與理論值比較，檢查辨認(rèn)是否正確。代入公式（9），解出mn的值。（8）確定橫模頻率增加的方向，請同學(xué)們思考一下，根據(jù)什么辨別？以便確定在同一q縱模序內(nèi)哪個(gè)模是高階橫模，哪個(gè)模是低階橫模，及它們間的強(qiáng)度關(guān)系。（9）從激光器輸出的反方向觀察光斑形狀，注意這時(shí)看到的應(yīng)是它所有橫模的迭加圖，還需結(jié)合圖中單一橫模的形狀加以分解，以便確定每個(gè)橫模的模序m，n值。（10）根據(jù)定義，測量掃描干涉序的精細(xì)常數(shù)F。為提高測量的準(zhǔn)確度，需將示波器的x軸再增幅，此時(shí)可利用經(jīng)過計(jì)算后已知的最靠近的模間隔數(shù)值找標(biāo)尺，重新確定比值，即每厘米代表的頻率間隔值。2、He-Ne外腔激光器諧振腔調(diào)

28、整分別調(diào)整腔內(nèi)的光闌開口大?。ü軓剑?，反射膜片距離（腔長），膜片俯仰傾斜程度，體會(huì)出光功率、光斑圖案（橫模式花樣）等激光參數(shù)的變化。并且練習(xí)從無光到有光的調(diào)腔過程（十字叉絲法）。六、思考題1、什么是干涉儀的自由光譜？當(dāng)小于激光工作物質(zhì)的熒光現(xiàn)寬時(shí)，示波器的熒光屏上會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？2、怎么判斷那幾個(gè)模是縱模，那幾個(gè)模是高階橫模？3、怎樣確定自由光譜區(qū)所對應(yīng)的熒光屏上的距離 ？4、實(shí)驗(yàn)中如未觀察到頻率漂移和跳?，F(xiàn)象，有什么簡單的辦法讓他出現(xiàn)？5、適用本次實(shí)驗(yàn)中的一起，能否測出He-Ne激光中某一縱模的線寬？為什么？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）示波器

29、顯示的模式波形，根據(jù)波形計(jì)算縱摸間隔（2）根據(jù)自由光譜范圍計(jì)算出的縱摸間隔，并比較實(shí)驗(yàn)誤差（3）高階橫模的圖樣，并說明單縱模對橫模的影響（4）調(diào)整諧振腔對激光參數(shù)：光功率和光斑圖案的影響。實(shí)驗(yàn)三：半導(dǎo)體激光器特性及調(diào)制特性實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握半導(dǎo)體泵浦固體激光器的工作原理，測量泵浦LD經(jīng)快軸壓縮后的閾值電流和輸出特性曲線。2.用輔助激光器法，構(gòu)造固體激光器諧振腔，并使其發(fā)光。3.選用不同透過率腔鏡，測試不同LD電流下的激光輸出功率，結(jié)合LD的功率-電流關(guān)系，計(jì)算兩種耦合輸出下的激光斜效率和光光轉(zhuǎn)換效率。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、LD安裝及系統(tǒng)準(zhǔn)直將LD電源接通。通過上轉(zhuǎn)換片觀察LD出射

30、光近場和遠(yuǎn)場的光斑。測量LD經(jīng)快軸壓縮后的閾值電流和輸出特性曲線。2、半導(dǎo)體泵浦固體激光器實(shí)驗(yàn) 用大功率的808nmLD泵浦Nd：YAG晶體，通過不同輸出鏡并調(diào)節(jié)腔鏡產(chǎn)生1064nm的紅外光。測試不同LD電流下的激光輸出功率；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，計(jì)算兩種耦合輸出下的激光斜效率和光光轉(zhuǎn)換效率，并作簡要分析。四、實(shí)驗(yàn)原理1半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器工作原理：上世紀(jì)80年代起，生長半導(dǎo)體激光器（LD）技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，使得LD的功率和效率有了極大的提高，也極大地促進(jìn)了DPSL技術(shù)的發(fā)展。與閃光燈泵浦的固體激光器相比，DPSL的效率大大提高，體積大大減小。在使用中，由于泵浦源LD的光束發(fā)散角較大，為使

31、其聚焦在增益介質(zhì)上，必須對泵浦光束進(jìn)行光束變換（耦合）。泵浦耦合方式主要有端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種，其中端面泵浦方式適用于中小功率固體激光器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、空間模式匹配好等優(yōu)點(diǎn)。側(cè)面泵浦方式主要應(yīng)用于大功率激光器。本實(shí)驗(yàn)采用端面泵浦方式。端面泵浦耦合通常有直接耦合和間接耦合兩種方式。直接耦合：將半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面緊貼增益介質(zhì)，使泵浦光束在尚未發(fā)散開之前便被增益介質(zhì)吸收，泵浦源和增益介質(zhì)之間無光學(xué)系統(tǒng)，這種耦合方式稱為直接耦合方式。直接耦合方式結(jié)構(gòu)緊湊，但是在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)，并且容易對LD造成損傷。間接耦合：指先將LD輸出的光束進(jìn)行準(zhǔn)直、整形，再進(jìn)行端面泵浦。常見的方法有：組合透鏡系

32、統(tǒng)聚光：用球面透鏡組合或者柱面透鏡組合進(jìn)行耦合。自聚焦透鏡耦合：由自聚焦透鏡取代組合透鏡進(jìn)行耦合，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，準(zhǔn)直光斑的大小取決于自聚焦透鏡的數(shù)值孔徑。光纖耦合：指用帶尾纖輸出的LD進(jìn)行泵浦耦合。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活。本實(shí)驗(yàn)先用光纖柱透鏡對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行快軸準(zhǔn)直，壓縮發(fā)散角，然后采用組合透鏡對泵浦光束進(jìn)行整形變換，各透鏡表面均鍍對泵浦光的增透膜，耦合效率高。本實(shí)驗(yàn)的壓縮和耦合如圖1所示。圖1半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的常用耦合方式1.直接耦合2.組合透鏡耦合3.自聚焦透鏡耦合4.光纖耦合圖2 本實(shí)驗(yàn)LD光束快軸壓縮耦合泵浦簡圖激光晶體圖 3 Nd:YAG晶體中Nd3+吸收光譜圖激光晶體是影響DP

33、L激光器性能的重要器件。為了獲得高效率的激光輸出，在一定運(yùn)轉(zhuǎn)方式下選擇合適的激光晶體是非常重要的。目前已經(jīng)有上百種晶體作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波和脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)，以釹離子（Nd3+）作為激活粒子的釹激光器是使用最廣泛的激光器。其中，以Nd3+離子部分取代Y3Al5O12晶體中Y3+離子的摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG），由于具有量子效率高、受激輻射截面大、光學(xué)質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高、容易生長等的優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的LD泵浦的理想激光晶體之一。Nd:YAG晶體的吸收光譜如圖 所示。從Nd:YAG的吸收光譜圖我們可以看出，Nd:YAG在807.5nm處有一強(qiáng)吸收峰。我們?nèi)绻x擇波長與之匹配的LD作為泵浦

34、源，就可獲得高的輸出功率和泵浦效率，這時(shí)我們稱實(shí)現(xiàn)了光譜匹配。但是，LD的輸出激光波長受溫度的影響，溫度變化時(shí)，輸出激光波長會(huì)產(chǎn)生漂移，輸出功率也會(huì)發(fā)生變化。因此，為了獲得穩(wěn)定的波長，需采用具備精確控溫的LD電源，并把LD的溫度設(shè)置好，使LD工作時(shí)的波長與Nd:YAG的吸收峰匹配。另外，在實(shí)際的激光器設(shè)計(jì)中，除了吸收波長和出射波長外，選擇激光晶體時(shí)還需要考慮摻雜濃度、上能級壽命、熱導(dǎo)率、發(fā)射截面、吸收截面、吸收帶寬等多種因素。2、端面泵浦固體激光器的模式匹配技術(shù)圖 4是典型的平凹腔型結(jié)構(gòu)圖。激光晶體的一面鍍泵浦光增透和輸出激光全反膜，并作為輸入鏡，鍍輸出激光一定透過率的凹面鏡作為輸出鏡。這種平

35、凹腔容易形成穩(wěn)定的輸出模，同時(shí)具有高的光光轉(zhuǎn)換效率，但在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到模式匹配問題。圖 4端面泵浦的激光諧振腔形式如圖 所示，則平凹腔中的g參數(shù)表示為： 根據(jù)腔的穩(wěn)定性條件，時(shí)腔為穩(wěn)定腔。故當(dāng)時(shí)腔穩(wěn)定。同時(shí)容易算出其束腰位置在晶體的輸入平面上，該處的光斑尺寸為：本實(shí)驗(yàn)中，R1為平面，R2=200mm，L=80mm。由此可以算出大小。所以，泵浦光在激光晶體輸入面上的光斑半徑應(yīng)該，這樣可使泵浦光與基模振蕩模式匹配，在容易獲得基模輸出。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1、半導(dǎo)體激光器  2、耦合系統(tǒng)  3、Nd:YAG晶體 4、輸出鏡5、功率計(jì) 6、探測器 五、實(shí)驗(yàn)方法：1.LD安裝及系統(tǒng)準(zhǔn)直（

36、1）將LD電源接通。通過上轉(zhuǎn)換片觀察LD出射光近場和遠(yuǎn)場的光斑。測量LD經(jīng)快軸壓縮后的閾值電流和輸出特性曲線。（2）將耦合系統(tǒng)、激光晶體、輸出鏡、Q開關(guān)、準(zhǔn)直器等各元器件安裝在調(diào)整架和滑塊上；將準(zhǔn)直器安裝在導(dǎo)軌上，利用直尺將其調(diào)整成光束水平出射，中心高度50mm，水平并且水平入射在激光晶體中心位置； （3）通過調(diào)整架旋鈕微調(diào)Nd:YAG晶體的傾斜和俯仰，使晶體反射光位于準(zhǔn)直器中心，并且準(zhǔn)直光通過晶體后仍垂直進(jìn)入LD；（4）在準(zhǔn)直器前安裝T1輸出鏡，調(diào)整旋鈕使輸出鏡的反射光點(diǎn)位于準(zhǔn)直器中心。2半導(dǎo)體泵浦固體激光器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖圖 3 半導(dǎo)體泵浦固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖（1）在準(zhǔn)直器前安裝T1輸出鏡，

37、調(diào)整旋鈕使輸出鏡的反射光點(diǎn)位于準(zhǔn)直器中心。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖設(shè)置其與晶體之間的距離。打開LD電源，緩慢調(diào)節(jié)工作電流到1.3A。微調(diào)輸出鏡傾斜和俯仰使系統(tǒng)出光，然后微調(diào)激光晶體、耦合系統(tǒng)，使激光輸出得到最大值；（2）將LD電流調(diào)到最小，然后從小到大漸漸增大LD電流，從激光閾值電流開始，每格0.2A測量一組LD輸出功率。結(jié)合LD的功率-電流關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上繪出激光輸出功率-泵浦功率曲線；（3）更換為T2輸出耦合鏡，重復(fù)步驟，測試不同LD電流下的激光輸出功率；（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，計(jì)算兩種耦合輸出下的激光斜效率和光光轉(zhuǎn)換效率，并作簡要分析。六、思考題：什么是半導(dǎo)體泵浦固體激光器中的光譜匹配和模式匹

38、配？注意： 1.半導(dǎo)體激光器（LD）對環(huán)境有較高要求，因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需放置于潔凈實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。實(shí)驗(yàn)完成后，應(yīng)及時(shí)蓋上儀器罩，以免LD沾染灰塵。1. LD對靜電非常敏感。所以嚴(yán)禁隨意拆裝LD和用手直接觸摸LD外殼。如果確實(shí)需要拆裝，請帶上靜電環(huán)操作，并將拆下的LD兩個(gè)電極立即短接。2. 不要自行拆裝LD電源。電源如果出現(xiàn)問題，請與產(chǎn)家聯(lián)系。同時(shí)，LD電源的控制溫度已經(jīng)設(shè)定，對應(yīng)于LD的最佳泵浦波長，請不要自行更改。3. LD、耦合系統(tǒng)、激光晶體，兩兩滑塊之間距離大約為32mm、8mm，經(jīng)調(diào)整好以后最好不要隨意變動(dòng)，以免影響實(shí)驗(yàn)使用。4. 準(zhǔn)直好光路后需用遮擋物（如功率計(jì)或硬紙片）擋住準(zhǔn)直器，避免準(zhǔn)直

39、器被輸出的紅外激光打壞。5. 實(shí)驗(yàn)過程避免雙眼直視激光光路。人眼不要與光路處與同一高度，最好能帶上激光防護(hù)鏡操作。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：1.包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄（1）對T1輸出鏡繪出激光輸出功率-泵浦功率曲線；（2）更換為T2輸出耦合鏡，繪出激光輸出功率-泵浦功率曲線（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，計(jì)算兩種耦合輸出下的激光斜效率和光光轉(zhuǎn)換效率例如：記錄LD電流(A)LD功率(W)快軸壓縮后功率(W)T1輸出(W)T2輸出(W)12345實(shí)驗(yàn)四 ：半導(dǎo)體泵浦Q開關(guān)倍頻激光器（2學(xué)時(shí)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 本實(shí)驗(yàn)以808nm半導(dǎo)體泵浦Nd：YVO4激光器為研究對象，讓學(xué)生自

40、己動(dòng)手，調(diào)整激光器光路，產(chǎn)生1064nm激光。2、 在腔中插入KTP晶體產(chǎn)生532nm倍頻光，觀察倍頻現(xiàn)象，測量倍頻效率、相位匹配角等基本參數(shù)。3、 要求掌握測量倍頻效率的方法二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.半導(dǎo)體泵浦固體激光器調(diào)Q實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)采用的Cr4+:YAG是可飽和吸收調(diào)Q的一種，它結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，無電磁干擾，可獲得峰值功率大、脈寬小的巨脈沖。在不同的LD工作電流（1.7A、2.0A、2.3A），分別測量輸出脈沖的脈寬、重頻；并計(jì)算不同功率下的峰值功率，對不同功率下的輸出脈沖進(jìn)行對比2.半導(dǎo)體泵浦固體激光器倍頻實(shí)驗(yàn)在Nd：YVO4晶體和輸出鏡之間插入KTP倍頻晶體，產(chǎn)生532nm倍頻綠光。調(diào)節(jié)輸出鏡

41、，LD調(diào)整架，使532nm綠光功率最大。三、實(shí)驗(yàn)原理1.半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)目前常用的調(diào)Q方法有電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q和被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q。本實(shí)驗(yàn)采用的Cr4+:YAG是可飽和吸收調(diào)Q的一種，它結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，無電磁干擾，可獲得峰值功率大、脈寬小的巨脈沖。Cr4+:YAG被動(dòng)調(diào)Q的工作原理是：當(dāng)Cr4+:YAG被放置在激光諧振腔內(nèi)時(shí)，它的透過率會(huì)隨著腔內(nèi)的光強(qiáng)而改變。在激光振蕩的初始階段，Cr4+:YAG的透過率較低（初始透過率），隨著泵浦作用增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷增加，當(dāng)諧振腔增益等于諧振腔損耗時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)可飽和吸收體的透過率仍為初始值。隨著泵浦的進(jìn)一步作用，腔內(nèi)光子數(shù)不斷增加，可飽和吸收體的透過