合成后 四個(gè)實(shí)驗(yàn)激光原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、氦氖激光器He-Ne激光器的基本組成是放電管、電極和諧振腔。 He-Ne激光器是目前應(yīng)用最廣泛的氣體激光器,主要產(chǎn)生632.8nm的激光,功率只有幾個(gè)毫瓦到幾十毫瓦,但它有很好的光譜特性。對管長350毫米的管子,電流為5毫安左右,輸出功率2毫瓦左右。He-Ne激光的放電管由毛細(xì)管和貯氣管構(gòu)成。放電的內(nèi)管直徑約23mm,管長幾厘米到十幾厘米,放電管越長功率越大,相應(yīng)的放電電壓就高。毛細(xì)管的尺寸和質(zhì)量是決定激光器輸出性能的關(guān)鍵因素。貯氣管與毛細(xì)管相連,并且毛細(xì)管的一端有隔板,這是為了使放電只限于毛細(xì)管,貯氣管的作用是增加了放電管的工作氣體總量,延長器件壽命。普通的He-Ne激光器的放電管一般用GG

2、17硬質(zhì)玻璃制成,對輸出功率和波長要求穩(wěn)定性高的器件通常用熱脹系數(shù)更小的石英玻璃制作。光學(xué)諧振腔由一對高反射率的多層介質(zhì)膜反射鏡組成,一般采用平凹鏡形式,平面鏡為輸出鏡。毛細(xì)管長度約1520cm的He-Ne激光器的輸出鏡的反射率98.5%99.5%。諧振腔的軸線和放電毛細(xì)管軸偏離不超過0.1mm。凹面鏡為全反鏡,要求反射率接近100%。管內(nèi)主要按5:110:1的比例充入氦氖混合氣體達(dá)到總氣壓約200400Pa。He-Ne激光器結(jié)構(gòu)分為三部分:既放電管、諧振腔和激發(fā)的電源。He-Ne激光器的放電電極多采用冷陰極形式,冷陰極材料多用濺射率小和電子發(fā)射率高的鋁或鋁合金。為了增加電子發(fā)射面積和減低陰極

3、濺射,陰極通常制成圓筒狀,并有盡可能大的尺寸,陽極一般用鎢針制成。連續(xù)工作的He-Ne激光器多采用支流放電激勵(lì)的方式,起輝電壓和工作電壓與激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和放電條件有關(guān),放電長度為1米的激光器,起輝電壓在8千伏左右,He-Ne激光器的工作電流在幾毫安到幾十毫安的范圍。氦氖激光器產(chǎn)生激光躍遷的是氖原子,氦是輔助氣體。氦氖激光器是一種典型的四能級系統(tǒng)。氦氖激光器還存在最佳總氣壓和最佳氣體配比,如毛細(xì)管直徑為3毫米管內(nèi)氣體配比為He3:Ne20=5:1,總氣壓p=1.5乇(1乇=133Pa, 1乇1mm汞柱,1Pa為1N/m2 ,毛細(xì)管直徑2.56mm時(shí)He3:Ne20=7:1,總氣壓p=1.4乇。

4、He-Ne激光器特點(diǎn)是在燃火管子之初給出高于管子著火電壓的高壓,正常放電以后,電源提供的電壓則不宜過份高于激光管的工作電壓。以免電源功率過多消耗在限流電阻上而降低效率。所以一般He-Ne激光器電源,獲得高于激光管著火電壓的瞬時(shí)高壓后,電源電壓馬上降至略高于激光管的工作電壓,但遠(yuǎn)比激光管的著火電壓為低的水平。如下是一個(gè)采用四倍壓觸發(fā),二倍壓工作的450mm長的He-Ne管電源,該管工作電壓為1.8-2.0kV,著火電壓為4.5-5.5 kV,工作電流為8-10mA ;限流電阻選用8個(gè)8 W, 30k的電阻串聯(lián);整流二極管耐壓大于5kV,電流為0.05A;變壓器選用輸出1150V,功率30W;電容

5、選C1,C2為0.47f,耐壓為1.6 kV;對于C3,C4為容量為6800pf,耐壓為5kV的瓷片電容。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握He-Ne激光器原理與特性、了解He-Ne激光電源特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)儀器:He-Ne激光器、He-Ne激光電源、轉(zhuǎn)鏡和f 透鏡組件實(shí)驗(yàn)步驟:1、熟悉He-Ne激光器使用、2、觀察He-Ne 激光光束特點(diǎn)相位式激光測距原理將相位式激光測距儀整置于A 點(diǎn)(稱測站,反射器整置于另一點(diǎn)B (稱鏡站。測距儀發(fā)射出連續(xù)的調(diào)制光波,調(diào)制波通過測線到達(dá)反射器,經(jīng)反射后被儀器接收器接收。調(diào)制波在經(jīng)過往返距離2D 后,相位延遲了。如將B A ,兩點(diǎn)之間調(diào)制光的往程和返程展開在一直線上,用波形示意圖將發(fā)

6、射波與接收波的相位差表示出來。設(shè)調(diào)制波的調(diào)制頻率為f ,它的周期f T /1=,相應(yīng)的調(diào)制波長f c cT /=。調(diào)制波往返于測線傳播過程所產(chǎn)生的總相位變化中,包括N 個(gè)整周變化2N 和不足一周的相位尾數(shù),即+=2N根據(jù)相位和時(shí)間D t 2的關(guān)系式D wt 2=,其中w 為角頻率,則2(21/2+=N fw t D激光測距原理發(fā)射波與接收波的相位展開發(fā)射波與接收波的相位(2/(2N N L N fc D +=+= 式中 : 2/2/=f c L 測尺長度;N 整周數(shù);2/=N 不足一周的尾數(shù)。由此可以看出,這種測距方法同鋼尺量距相類似,用一把長度為2/的“尺子”來丈量距離,式中N 為整尺段數(shù),

7、而2N 等于L 為不足一尺段的余長。 則L NL D +=式中,L f c ,為已知值,N ,或L 為測定值?，F(xiàn)今的激光測距儀采用兩個(gè)以上的固定頻率為測尺的頻率,不同的測尺頻率的L 或N 由儀器的測相器分別測定出來,然后按一定計(jì)算方法求得待測距離D 。相位式激光測距儀的工作原理由光源所發(fā)出的激光進(jìn)入調(diào)制器后,被來自主控振蕩器(簡稱主振的高頻測距信號1f 所調(diào)制,成為調(diào)幅波。這種調(diào)幅波經(jīng)外光路進(jìn)入接收器,會聚在光電器件上,光信號立即轉(zhuǎn)化為電信號。這個(gè)電信號就是調(diào)幅波往返于測線后經(jīng)過解調(diào)的高頗測距信號,它的相位已延遲了。+=N 2這個(gè)高頻測距信號與來自本機(jī)振蕩器(簡稱本振的高頻信號1f '

8、經(jīng)測距信號混頻器進(jìn)行光電混頻,經(jīng)過選頻放大后得到一個(gè)低頻(11f f f '-=測距信號,用D e 表示。D e 仍保留了高頻測距信號原有的相位延遲+=N 2。相位式激光測距儀的工作原理圖為了進(jìn)行比相,主振高頻測距信號1f 的一部分稱為參考信號與本振高頻信號1f '同時(shí)送入?yún)⒖夹盘柣祛l器,經(jīng)過選頻放大后,得到可作為比相基準(zhǔn)的低頻(11f f f '-=參考信號,0e 表示,由于0e 沒有經(jīng)過往返測線的路程,所以0e 不存在象D e 中產(chǎn)生的那一相位延遲。因此,D e 和0e 同時(shí)送人相位器采用數(shù)字測相技術(shù)進(jìn)行相位比較,在顯示器上將顯示出測距信號往返于測線的相位延遲結(jié)果。

9、當(dāng)采用一個(gè)測尺頻率1f 時(shí),顯示器上就只有不足一周的相位差所相應(yīng)的測距尾數(shù),超過一周的整周數(shù)N 所相應(yīng)的測距整尺數(shù)就無法知道,為此,相位式測距儀中還包含一組粗測尺的振蕩頻率,若用粗測尺頻率進(jìn)行同樣的測量,把精測尺與一組粗測尺的結(jié)果組合起來,就能得到整個(gè)待測距離的數(shù)值了。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)激光測距原理、與使用。實(shí)驗(yàn)原理:(略實(shí)驗(yàn)步驟:調(diào)好光路、用示波器和頻譜分析找到兩個(gè)頻率并紀(jì)錄,呼出測距波形。本實(shí)驗(yàn)有關(guān)人身和設(shè)備的安全事項(xiàng)1、本實(shí)驗(yàn)有高壓和強(qiáng)輻射,注意人身安全。2、激光器打開時(shí),絕不允許移動(dòng)功率探頭,因功率探頭外殼是鋁制,鋁對紅外線反射較強(qiáng),防止的反射紅外激光意外傷人。3、開機(jī)時(shí)先通冷卻水、關(guān)機(jī)時(shí)

10、后斷冷卻水。防止激光管炸裂冷卻系統(tǒng)帶高壓。-CO2激光器2CO激光器由工作氣體、放電管、諧振腔和電源所組成。放電管大多采用硬質(zhì)玻璃(如17GG制成,只有少數(shù)因特殊要求(如要求輸出功率穩(wěn)定性好或頻率穩(wěn)定性好的器件,才采用石英玻璃。放電管的內(nèi)徑和長度變化范圍很大,小型2CO激光器放電管的內(nèi)徑一般為48mm左右,長度在1m以下。大功率激光器的內(nèi)徑一般大于10mm,長度達(dá)幾十米。為了防止內(nèi)部氣壓和氣壓比的變化而影響器件壽命,放電管外加有貯氣管。為了防止發(fā)熱而降低輸出功率,加有水冷裝置。水冷套的間隙一般為510mm,間隙太小,雖流速大,但水流阻力大;間隙太大則水的流速低冷卻效果不好。放電管一般采用多層套

11、管結(jié)構(gòu),氣體放電管、水冷套管和貯氣管三者制成共軸套筒,稱為三重套激光管。也可將貯氣套旁袖放置,水冷套和放電管同軸放置,稱此為二重套旁軸激光管。2CO激光器的放電電流很小,放電管的陰極也多采用冷陰極,一般是用金屬材料做成,形狀為圓筒形,電極由與圓筒焊在一起的鎢棒引到管外。筒的材料一般是用相片或鎳片,圓筒的面積隨工作電流的增加而增加。如長1m、內(nèi)徑20mm的管子,工作電流為3040mA時(shí),圓筒面積約5×l02cm。圓筒可以與放電管同軸放置,也可旁軸放置,前者結(jié)構(gòu)緊湊,但電極發(fā)熱會影響激光輸出的穩(wěn)定性;后者制造方便,但電極濺射不會污染諧振腔反射鏡,激光輸出較穩(wěn)定。2CO激光器的放電毛細(xì)管較

12、粗,為了增加輸出功率,一般采用大曲率半徑的平凹諧振腔(R>2L,甚至采用非穩(wěn)腔以達(dá)到增大體積的目的。這樣雖然調(diào)整2CO激光器的典型結(jié)構(gòu)精度要求高些,但由于2CO 激光的增益高,容易出激光,比起He-Ne 激光器來,調(diào)整精度已不是主要矛盾。2CO 激光器的輸出功率大,輸出波長較長(10.6m,它的腔反射鏡與He-Ne 激光器反射鏡的結(jié)構(gòu)形式有一定差別。中小型2CO 激光器的全反射鏡一般用玻璃磨制而成,表面鍍金膜。金對10.6m 波長的反射率可達(dá)98%以上,其化學(xué)性質(zhì)也比較穩(wěn)定。高功率2CO 激光器的全反端常采用金屬反射鏡,基板用不銹鋼或黃銅,拋光后再鍍上金膜。金屬反射鏡導(dǎo)熱性好,也便于通水

13、冷卻。玻璃的導(dǎo)熱性差,在高功率條件下使用時(shí),反射鏡溫度上升很快,容易破裂。輸出端反射鏡有好幾種形式,較簡單的形式是在一塊鍍金反射鏡的中心開一個(gè)合適的小孔,外面再密封一塊能透過l0.6m 波長的紅外材料,激光通過這個(gè)小孔輸出到腔外,稱為小孔耦合輸出。也可以直接用紅外材料磨成反射鏡,表面鍍金膜,而中心留一個(gè)小孔不鍍金。這種小孔耦合法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,缺點(diǎn)是輸出容易出現(xiàn)01TEM 或10TEM 模輸出激光的光束強(qiáng)度分布不均勻。另外一種形式是用半導(dǎo)體材料直接耦合。由于半導(dǎo)體材料N 型鍺對10.6m 波長吸收小,同時(shí)它的折射率高(對10.6m ,它的折射率M =4.02,拋光后反射率可達(dá)50%60%,所

14、以鍺可作輸出反射鏡。還有一種形式是用介質(zhì)膜反射鏡,它是用能透射10.6m 的紅外材料作基底,再在上面鍍多層介質(zhì)膜而制成的。這種形式需要大塊均勻的紅外材料且鍍膜困難,故不常用。目前能做2CO 激光器輸出鏡的紅外材料主要有:氯化納(NaCl氯化鉀(KCl、N 型鍺(Ge、砷化鎵(GaAs、硫化鎘(TeS、硒化鋅(ZnSe等。NaCl 和KCl 這兩種材料的吸收系數(shù)很小,用它做輸出鏡時(shí),吸收損耗可忽略。但它們很容易潮解,機(jī)械性能差,容易破裂,當(dāng)晶體溫度稍高于室溫時(shí)就容易產(chǎn)生塑性滑動(dòng)或破裂,因此難以加工成表面質(zhì)量高的光學(xué)元件,使用也不方便。Ge 不潮解,機(jī)械性能比NaCl 和KCl 還好,加工容易,但

15、吸收系數(shù)比NaCl 和KCl 大,而且吸收系數(shù)隨溫度升高而變大。當(dāng)溫度超過50時(shí),Ge 的吸收系數(shù)急劇上升,容易炸裂,故用于高功率的輸出器件時(shí),應(yīng)注意冷卻。實(shí)驗(yàn)證明,在沒有采取冷卻措施時(shí),鍺片允許的功率密度為26W/2cm ,采用壓縮空氣致冷時(shí),允許功率密度提高到約30W/2cm ,當(dāng)冷卻到-40時(shí),功率密度允許到88W/2cm 。選用半導(dǎo)體鍺時(shí),一般都用N 型鍺,因?yàn)镹 型鍺的吸收系數(shù)比P 型鍺低約1020倍。GaAs 的吸收系數(shù)也非常小,它的機(jī)械性能、化學(xué)性能和熱性能部比較好,吸收系數(shù)隨溫度的變化沒有鍺那樣劇烈,因此,大功率器件一般都用GaAs 面不是鍺片。但它比鍺貴得多。TeS 的吸收系

16、數(shù)也很小,它的化學(xué)穩(wěn)定性機(jī)械性能和導(dǎo)熱性都較好,但目前還比較難獲得大塊晶品材料。連續(xù)2CO 激光器的電源大多采用直流輝光放電電源,電源能提供幾千伏到上萬伏的直流電壓。由于輝光放電的負(fù)阻特性,必須串接限流電阻才能使放電穩(wěn)定。限流電阻的值約為放電管等效內(nèi)阻的幾分之一。限流電阻越大,放電越穩(wěn)定,但功率損耗增大。當(dāng)放電管比較長時(shí),需要分段進(jìn)行激發(fā),這時(shí)容易出現(xiàn)各段不能同時(shí)均勻放電的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題,設(shè)計(jì)電路時(shí)要有電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。2CO 激光器的輸出功率隨著放電管長度加長而增大。輸出功率相放電管長度L 間有經(jīng)驗(yàn)關(guān)系P =KL2CO 激光器在充2CO +2N +He 氣且總氣壓和放電電流都為最佳條

17、件下,對于長度為數(shù)米以下的管子,多橫模輸出時(shí)k=4050W/m 單模輸出時(shí)A =2030W/m 對于l0米以上的則為100W/m,50米以上的為180W/m 。2CO 激光器的輸出功率與放電管的內(nèi)徑關(guān)系不大,這是因?yàn)樵诳倸鈮簭?qiáng)一定時(shí),內(nèi)徑增大,則總粒子數(shù)增加,這有利于提高輸出功率;但內(nèi)徑大將造成管中心區(qū)域散熱慢,以致使激光下能級抽空速率變慢及譜線寬度增加導(dǎo)致輸出功率下降,總的結(jié)果使得頻率基本不變。但內(nèi)徑的選取不是任意的,應(yīng)從其他方面的要求去選擇合適的管徑。例如;為了選10TEM 模,可采用小口徑的管子;為了實(shí)現(xiàn)單縱模輸出,常用長度短和口徑小的管子;對于大功率激光器,為了減小衍射損耗、防止在大功

18、率輸出時(shí)產(chǎn)生功率密度飽和及防止過高的功率密度造成諧振腔元件的發(fā)熱損壞,這時(shí)要選較粗的放電管等等。對2CO 激光器的輸出功率來說,放電電流也有最佳值,這是因?yàn)殡娏魃?放電管內(nèi)的電子數(shù)目增多,可以激發(fā)更多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù),但電子過多又會因碰撞激發(fā)而使反轉(zhuǎn)板子數(shù)減少。2CO 激光器的最佳放電電流與放電管的直徑、管內(nèi)的總氣壓以及氣體混合比有關(guān)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著管徑的增大,最佳放電電流增加,例如管徑為3030mm 時(shí),最佳放電電流約為3050mA ,管徑為5090mm 的最佳放電電流為120250mA 。放電管兩端的直流管壓降V 受E /P 值(或E /N和穩(wěn)定放電兩方面限制。當(dāng)E /P 值低時(shí),放電管內(nèi)的電子轉(zhuǎn)換效率高,但因E /P =V/LP(V 為放電管端電壓,L 為放電管長度,E /P 低意味著V 低或P 高,V 太低和P 過高都將影響放電管正常穩(wěn)定放電。為了兼顧以上兩方面,一般取E /P =0.0750.15V .1-cm .1-Pa 由此可確定最佳放電電壓。例如對1米長的放電管充氣壓為1333Pa 時(shí),最佳放電電壓為V =(0.0750.015LP=1020kV CO 2激光器原理CO 2線性對稱排列的三原子分子,三個(gè)原子排成一直線,中央是碳原子