嘉應(yīng)學(xué)院激光原理實驗講義教材

1、嘉應(yīng)學(xué)院激光原理實驗講義編寫人：楊曉冬激光技術(shù)調(diào)節(jié)基本技能訓(xùn)練實驗?zāi)康?1. 初步掌握準(zhǔn)直光束調(diào)節(jié)方法 2初步掌握反射面鏡調(diào)節(jié)方法 3.初步掌握凸透鏡的調(diào)節(jié)方法 二.實驗裝置和調(diào)節(jié)方法1. 準(zhǔn)直光源調(diào)節(jié)：在光學(xué)平臺上裝調(diào)激光之前，通常需要建立與光學(xué)平臺平行、且空間方位固定的準(zhǔn)直光 束，以便于對光學(xué)元件的空間方位進行調(diào)整。產(chǎn)生準(zhǔn)直光束的光源通常是氦氖激光器產(chǎn)生的 632.8 nm光束，也可以采用655 nm的半導(dǎo)體激光器，要求必須是可見光束。在調(diào)節(jié)過程中, 準(zhǔn)直光源必須牢穩(wěn)固定，如果在調(diào)解過程中光源移動，則準(zhǔn)直光束必須重新建立，實驗也必 須重新開始。在光學(xué)平臺上建立準(zhǔn)直光束通常需要不少于兩塊空間

2、方位可調(diào)節(jié)的反射鏡、一個標(biāo)示高 度的標(biāo)高尺，標(biāo)高尺制作如圖1所示：a）將一片高度約為15 cm的鋼板尺固定在一塊規(guī)則平整的矩形金屬塊上，鋼板尺本身的刻度就可以作為表明光束高度的標(biāo)示，由于鋼板尺刻度 較多，因此可以標(biāo)注的范圍較大，但精度不一定很高；b）用金屬板表面小孔作為標(biāo)示光束高度的標(biāo)示，該標(biāo)高尺通常用于準(zhǔn)直光束高度固定的情況下準(zhǔn)直光束建立。標(biāo)高尺正面做一條 垂直標(biāo)示線（如圖中紅線所示）.標(biāo)示線帶刻度鋼板尺矩形金屬塊亠準(zhǔn)直光束調(diào)節(jié)方法如圖2所示：要建立一條與光學(xué)平臺水平，沿AB方向準(zhǔn)直光束，首先根 據(jù)要確定光束的方位確定兩塊反射鏡的位置，要求光束最后照到的反射鏡2的中心大致位于所 要建立的直線

3、上，打開激光光源，使光束照在反射鏡1的中心位置，調(diào)節(jié)反射鏡1的位置和俯仰 角使光束大致照在反射鏡1的中心,同時保證反射鏡2大致沿著AB直線方向.在AB直線的正 下方選取M、N兩點（N點遠離反射鏡2）,用筆作標(biāo)記，將標(biāo)高尺標(biāo)示線下端正對N點放置，調(diào)節(jié) 反射鏡2,使光束入射到標(biāo)示線，高度達到所要求的準(zhǔn)直光束高度，然后再將標(biāo)高尺標(biāo)示線下端 正對M點，調(diào)節(jié)腔鏡1,使光束達到所要求的標(biāo)示高度，反復(fù)進行上述步驟，最終就可以使光束沿 著所要求的AB方向.為了更清楚說明這一點舉例如下：準(zhǔn)直光束離光學(xué)平臺高度50 mm,在AB直線的正下方選取M、N兩點（N點遠離反射鏡2）后，將標(biāo)高尺首先放置于N點，調(diào)節(jié)反 射鏡

4、1的俯仰角，使激光束照射在 50 mm刻度處的標(biāo)示線上，再將標(biāo)高尺移到M點，調(diào)節(jié)反 射鏡1,使光束照射在50 mm刻度處的標(biāo)示線上；反復(fù)進行此過程，激光束將逐漸逼近AE 直線，最終就可以與AE直線重合為方便記憶調(diào)節(jié)方法，我們作如下規(guī)定，并記如下口訣： 將N點在光束的遠端，將其稱為遠點，而M點稱為近點；反射鏡1被稱為遠鏡，反射鏡2被 稱為近鏡，調(diào)節(jié)口訣為：遠點（N點）調(diào)近鏡（反射鏡2），近點（M點）調(diào)遠鏡（反射鏡1）.3#2利用準(zhǔn)直光束對腔鏡進行調(diào)節(jié).2.1反射面鏡調(diào)節(jié)-通常作為激光腔鏡1. 平面腔鏡的調(diào)節(jié)：平面腔鏡調(diào)節(jié)較為簡單，可通過調(diào)節(jié)固定平面鏡俯仰角使光束原路返回。具體調(diào)節(jié)如圖3（a）所示

5、，將小孔光闌放置于入射光路中，使入射光束通過小孔。將平面腔鏡放置于所要固定的 位置，調(diào)節(jié)固定反射鏡的鏡架俯仰角旋鈕，使入射到平面鏡光束返回小孔光闌即可。圖3腔鏡的調(diào)節(jié)：（a）平面鏡的調(diào)節(jié)；（b）凹面鏡的調(diào)節(jié)；（c）凸面鏡的調(diào)節(jié)2. 凹面鏡調(diào)節(jié)：凹面鏡（通常為平凹鏡）的調(diào)節(jié)如圖 3 （b）所示，調(diào)節(jié)固定凹面鏡的鏡架，使凹面反射 光束返回。對于凹面鏡的調(diào)節(jié)要注意以下兩個問題：1）由于凹面反射光束會先匯聚，再發(fā)散， 因此當(dāng)凹面曲率半徑較小時，光束發(fā)散較為嚴重，為了能夠清晰分辨反射光斑，光闌距離腔 鏡的距離不能太遠；2）由于平凹鏡有兩個反射面，反射光斑有兩個，必須要注意區(qū)分反射光 斑哪一個是凹面反射，

6、哪一個是平面反射。請根據(jù)幾何光學(xué)的原理思考怎樣判定反射光斑哪 一個是平面，哪一個是凹面。另外還必須注意，當(dāng)平凹鏡作為輸出鏡時，調(diào)節(jié)時應(yīng)盡量使平 面的反射光斑也靠近或返回小孔光闌， 以減小輸出鏡對于輸出光束的影響 （由于存在偏心差， 入射光束并不一定入射到平凹鏡幾何中心）。3. 凸面鏡的調(diào)節(jié)凸面鏡（假設(shè)為平凸鏡）的調(diào)節(jié)如圖 3 （C）所示，同樣調(diào)節(jié)固定凸面鏡的鏡架，使凸面 反射光束返回。對于凸面鏡的調(diào)節(jié)要注意以下兩個問題：1）由于凸面反射光束會發(fā)散，因此當(dāng)凸面曲率半徑較小時，光束發(fā)散較為嚴重，為了能夠清晰分辨反射光斑，光闌距離腔鏡的 距離不能太遠；2）必須要注意區(qū)分反射光斑哪一個是凸面反射，哪一

7、個是平面反射。思考怎樣判定反射光斑哪一個是平面，哪一個是凸面。另外還必須注意，當(dāng)平凸面鏡作為輸出鏡 時，調(diào)節(jié)時應(yīng)盡量使平面的反射光斑也靠近或返回小孔光闌，以減小輸出鏡對于輸出光束的 影響（由于存在偏心差，入射光束并不一定入射到平凸鏡幾何中心）。2.2薄透鏡的調(diào)節(jié)薄透鏡的調(diào)節(jié)較為麻煩，這里簡要介紹凸透鏡和凹透鏡的調(diào)節(jié)。透鏡調(diào)節(jié)必須保證光束透 過光心，且和光軸重合。1. 薄凸透鏡的調(diào)節(jié)薄凸透鏡調(diào)節(jié)裝置如圖所示，包括待調(diào)節(jié)透鏡和光屏，由于光線經(jīng)過透鏡后，光束會先 匯聚再發(fā)散，當(dāng)光屏較遠或透鏡焦距較小時，光束發(fā)散，光屏上光斑較大，為了提高調(diào)節(jié)精 度，可在光屏表面貼如上圖所示同心圓靶（同心圓靶可以在計算

8、機上畫后打印），以準(zhǔn)確確定光斑方位。調(diào)節(jié)時，可以在不加透鏡時，放置同心圓靶，調(diào)節(jié)圓靶的上下或左右位置，使準(zhǔn) 直光束照射在圓靶中心；然后放置透鏡，通過上下或左右移動透鏡，使光束照射圓靶中心， 思考此時可斷定入射光經(jīng)過透鏡哪一點？ 并調(diào)節(jié)透鏡的俯仰角使透鏡兩表面反射光束返回小 孔光闌，如果不能嚴格返回也要盡量使兩反射光斑重合并靠近小孔光闌。2. 薄凹透鏡的調(diào)節(jié) 薄凹透鏡調(diào)節(jié)裝置與薄凸透鏡調(diào)節(jié)裝置相近，只不過待調(diào)節(jié)透鏡變?yōu)楸“纪哥R。調(diào) 節(jié)方法與薄凸透鏡調(diào)節(jié)方法也相近，在不加透鏡時，放置同心圓靶，使準(zhǔn)直光束照射在圓靶 中心；然后放置透鏡，通過上下或左右移動透鏡，使光束照射圓靶中心，并調(diào)節(jié)透鏡的俯仰 角

9、使透鏡兩表面反射光束返回小孔光闌，如果不能嚴格返回也要盡量使兩反射光斑重合并靠 近小孔光闌。三實驗內(nèi)容1. 建立高度為 50 mm 與光學(xué)平臺平行的準(zhǔn)直光束。 （光線位于 M,N 兩點上方）2. 利用準(zhǔn)直光束調(diào)節(jié)平面鏡（利用平凹透鏡的平面作為反射面）3. 利用準(zhǔn)直光束調(diào)節(jié)凹面鏡（利用平凹透鏡的凹面作為反射面）4. 利用準(zhǔn)直光束調(diào)節(jié)凹透鏡鏡5. 利用準(zhǔn)直光束調(diào)節(jié)凸透鏡 預(yù)習(xí)思考題1. 在圖 3 所示裝置中光闌距離反射鏡距離對調(diào)節(jié)精度有何影響？思考在圖3 （b）中，將光闌由緊貼反射鏡位置逐漸遠離反射鏡，前后兩面反射光斑會發(fā) 生怎樣的變化？5二.He-Ne激光器裝調(diào)實驗一、He-Ne激光器的工作原理

10、與結(jié)構(gòu)He-Ne激光器是最常用的連續(xù)工作氣體激光器，采用氣體放電激發(fā)泵浦方式圖1為 He-Ne激光器能級躍遷圖，其工作原理為：在輝光放電狀態(tài)下，工作物質(zhì)中的自由電子從電 場中獲得足夠的能量，并與處于基態(tài)的 He原子發(fā)生非彈性碰撞，將He原子激發(fā)到2So和2Si能13級上去。由于這兩個能級的能量與 Ne原子的3S和2S的能量幾乎相同，所以當(dāng)處于2So和2S兩 個激發(fā)態(tài)上的He原子與Ne原子產(chǎn)生非彈性碰撞，兩者交換能量，結(jié)果，激發(fā)態(tài)的He原子回到基態(tài)，而Ne原子被激發(fā)到能級相近的3S和2S能級上去，這一過程稱為共振轉(zhuǎn)移。Ne原子的3S和2S能級是兩個亞穩(wěn)態(tài)，所以當(dāng)這兩個能級上的受激Ne原子足夠多時

11、即可實現(xiàn)對3P和2P之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這樣由于上下能級間的受激輻射產(chǎn)生激光。氖原子的激光譜線可達100多條，而以3S2 3P4、3S2R和2S2 3R能級間所產(chǎn)生的激光譜線3.39微米，0.6328微米，和1.15 微米為最強。處于下能級(3P和2P)上的Ne原子通過自發(fā)輻射回到Is能級，處于Is能級上的 Ne原子通過與放電毛細管壁或其處于基態(tài)的氣體分子多次碰撞放出能量回到基態(tài)。16illf旌掩滋繪Ne圖1 He-Ne激光器能級結(jié)構(gòu)圖以結(jié)構(gòu)形式不同可分為外腔式激光器、半內(nèi)腔式和內(nèi)腔式.外腔式如圖2 (a)所示，激光器的諧振腔反射鏡與放電管是分離的。反射鏡上有調(diào)整機構(gòu)，可以隨時進行調(diào)整。放電管

12、的兩端貼有布儒斯特窗片，是與毛細管軸線成布儒斯特角放置的平板玻璃，它即可密封放電管，又可減小光的損耗，還可使激光得到線偏振的激光輸出振腔與放電管分離，放電管的熱 變形對諧振腔影響較小，加之諧振腔可以調(diào)整，所以長期使用中能保持穩(wěn)定輸出。但由于反 射鏡與放電管相分離，相對位置易改變，需要經(jīng)常調(diào)整，使用不方便圖2 (b)半外腔結(jié)構(gòu)示意圖,兩塊腔鏡中一塊與放電管粘和固定在一起制 -I諧振腔a 激光管+諧擁腔b諧振腔r 激光管+諧振腔b圖2. (1)外腔式(2)半內(nèi)腔式本實驗激光器為半內(nèi)腔式激光器，輸出鏡為平面鏡，與放電管固定，全反腔鏡為平凹鏡，凹 面都有高反膜 , 放電管長度為 , 全反鏡與放電管間距

13、可調(diào) , 實驗時可通過調(diào)節(jié)該鏡俯仰角實 現(xiàn)激光輸出 .四、激光器的調(diào)整實驗內(nèi)容1將曲率半徑為50 cm全反射鏡安裝在鏡架上，松動鏡架固定螺絲，將鏡架移動到距離放電管 記錄此時腔長 .2. 用十字叉調(diào)光將激光調(diào)出 :如圖3所示,用白熾燈照十字叉絲板 （叉絲中心為一小孔 ），打開 放電管電源,使放電管處在工作狀態(tài)， 放電管向四周發(fā)射紅光 （思考此時發(fā)光原因 ）, 用眼睛 在十字叉絲板背后通過小孔觀察放電管， 當(dāng)眼睛適應(yīng)放電管亮度后， 可看到放電管內(nèi)的亮 白點，該白點半腔激光器另外一端的腔鏡 （輸出鏡）通過全反射鏡及小孔所成的像點 ,移動 叉絲板，使亮白點與出光孔同心，此時可認為小孔叉絲板與毛細管同

14、軸 ; 調(diào)節(jié)全反射鏡俯 仰角調(diào)節(jié)螺絲 ,使十字叉絲中心與亮白點中心重合 , 此時激光器應(yīng)發(fā)射激光。 （ 思考回答觀 測到十字叉絲像是怎樣形成 ? 十字叉絲中心與亮白點中心重合意味什么 ?）3. 用功率計觀察輸出功率 , 同時調(diào)節(jié)腔鏡俯仰角旋鈕 , 時激光器輸出功率達到最大 , 記錄輸出 功率.4將焦距為100 mm勺凸透鏡放置在光路中，使光束通過透鏡中心，同時保持透鏡與光束垂直， 觀測照射到墻上光斑光強分布初步判斷 , 激光橫模是否為多模5.改變輸出鏡位置，使腔長增加100 mm調(diào)節(jié)腔鏡俯仰角，使激光器輸出功率最大，記錄輸出 功率.7三. 激光縱模模式觀測1. 實驗?zāi)康?了解激光器的模式結(jié)構(gòu)，

15、加深對模式概念的理解。2 通過測試分析，掌握模式分析的基本方法。3 對本實驗使用的分光儀器一一共焦球面掃描干涉儀，了解其原理、性能，學(xué)會正確使 用。2 激光器模的形成激光器的三個基本組成部分是增益介質(zhì)、諧振腔和激勵能源。如果用某種激勵方式將介質(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、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)運動受多種因素的影響，實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

16、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6328A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，光強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：2 卩 L= q 入 q（1）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，其它則相互抵消。式中，卩是折射率，對氣體 卩 1, L是腔長，q是正整數(shù)，每一個q對應(yīng)

17、縱向一種穩(wěn)定的電磁場分布 入q，叫一個縱模，q稱作縱模序數(shù)。q是一個 很大的數(shù)，通常我們不需要知道它的數(shù)值。而關(guān)心的是有幾個不同的q值，即激光器有幾個不同的縱模。從式（1），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Vq = q24L同樣，一般我們不去求它，而關(guān)心的是相鄰兩個縱模的頻率間隔：vq,i C -2電 2L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， v縱越小，滿振蕩條件的縱模個數(shù)越多；相反腔越短， v縱越大，在同樣的增寬曲線范圍內(nèi)，縱模個數(shù)就越少，因而用縮短腔長的辦法是獲得單縱模運行激光器的方法之

18、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，它們強度的頂點構(gòu)成了多 普勒線型的輪廓線。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產(chǎn)生影響呢？答 案是肯定的。這是因為光每經(jīng)過放電毛細管反饋一次，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或多個穩(wěn)定的干涉光斑。每一個衍射光斑對應(yīng)一種穩(wěn)定的橫 向電磁場分布，稱為一個橫模。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。O«OTEM®TEMolTEMmTEMioTEMn總之，任何一個模，既是縱模，又是橫模。它同時有兩個名稱

19、，不過是對兩個不同方向 的觀測結(jié)果分開稱呼而已。一個模由三個量子數(shù)來表示，通常寫作TEMn，q是縱模標(biāo)記,和n是橫模標(biāo)記，m是沿x軸場強為零的節(jié)點數(shù)，n是沿y軸場強為零的節(jié)點數(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)心的是具有幾個不同的橫模及不同的橫模間的頻率差，經(jīng)推導(dǎo)得皿皆2；l卜CC0叩-帥邊）其中， m n分別表示x，y方向上橫模模序數(shù)差，R1，R2為諧振腔的兩個反射鏡的曲率半徑。相鄰橫模頻率間隔為從上式還可以看出，相鄰的橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個分

20、數(shù)，例如上圖 分數(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，分數(shù)值越大。當(dāng) 腔長等于曲率半徑時(L= R二即共焦腔)，分數(shù)值達到極大，即相鄰兩個橫模的橫模間隔 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。2. 共焦球面掃描干涉儀的基本工作原理共焦球面掃描干涉儀由兩塊鍍有高反射率的凹面鏡構(gòu)成，如圖1 2。反射鏡的曲率半徑Ri=R2=L。由于反射鏡的反射率相當(dāng)高，注入腔內(nèi)的光束將在腔內(nèi)多次反射形成多光束，經(jīng) 過兩次往返程，光線閉合。從多光束干涉的角度來看，當(dāng)波長為a的入射光束滿足：4 La =m a(6)時，光束間滿足相干相長條件，該波長

21、的透射率最大 ，而其鄰近波長的激光透射率非常低，因 此，透射極大的波長值和腔長值有一一對應(yīng)關(guān)系，改變干涉儀腔長，就可以改變干涉儀透射 率。(6)式中，n為折射率；L為腔長。m為一正整數(shù)，被稱為干涉級數(shù)。為了改變干涉儀透射率，干涉儀上，Ri通常固定，而R2裝在一塊管狀壓電陶瓷上。如果 在壓電陶瓷y方向上加一周期性的信號電壓，那么R2將隨壓電陶瓷周期變形并沿軸向在中心 位置附近做微小振動，因而干涉儀的腔長L也做微小的周期變化。從(6)式看出，當(dāng)L變化時，干涉儀允許透射的光波波長也做周期的變化。因此干涉儀便對入射光的波長進行掃描。但從(6)可以看出當(dāng)腔長由La變?yōu)長a4 =4時，(6)式變?yōu)椋? (

22、La ' 4)=4 Lb(m 1)' a此時,波長為的激光也具有最大透射率，但與(6)相比干涉儀的干涉級由原來的m變?yōu)閙+1。透射情況如圖所示。當(dāng)掃描干涉儀腔長La4二Lb時，若波長為b的入射光束滿足：4 (La ' 4)=4 Lb 二m b(8)波長為b的光束也有最大透射率，其對應(yīng)的干涉級數(shù)為 m因此當(dāng)干涉儀腔長在從La到La4二Lb掃描過程中，干涉級為m波長為a到'b間的透射光不會出現(xiàn)重序，這里我們將上述不重序的最大波長差或頻率差稱為自由光譜區(qū)，用F或者” F表示。假如上例中l(wèi) a為9剛剛重序的起點，貝U入d-入a即為此干涉儀的自由光譜范圍值。經(jīng)推導(dǎo)，可得用

23、頻率表示，即為：c F（ 10）41在模式分析實驗中，由于我們不希望出現(xiàn)圖4中的重序現(xiàn)象，故選用掃描干涉儀時，必須首先知道它的".F和待分析的激光器頻率范圍，并使- F "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，即腔長變化量為入/4時所對應(yīng)的掃描范圍。因為光在共焦腔內(nèi)呈x型，四倍路程的光程差正好等于 入，干涉序數(shù)改變1。當(dāng)腔長掃描范 圍為2/4，即兩倍自由光譜區(qū)時，激光器的被增益曲線調(diào)制的縱模包絡(luò)線將出現(xiàn)兩次，如圖4所示。只要注入光束的頻譜寬度不大于 Au f,那么在干涉儀掃描過程中便能逐次透過，在干涉儀的

24、后方使用光電轉(zhuǎn)換元件接收透射的光強，再將這種光轉(zhuǎn)換為電信號輸入到示波器中，于是在 示波器的熒光屏上便顯示出如圖 4那樣的激光頻譜，不過在示波器的熒光屏上顯示出的圖4中，橫坐標(biāo)為時間軸，但任意兩條譜線頻率間隔與時間間隔成正比關(guān)系。如果已知激光諧振 腔長度，根據(jù)上述頻譜圖像，可以確定掃描干涉儀的自由光譜區(qū)，具體方法為：根據(jù)激光諧 振腔長度，利用（3）式可以計算激光器縱模間隔A,，利用示波器光標(biāo)測量示波器熒光屏上 顯示激光器縱模二,與"qi之間的時間間隔，以及圖中中a與b兩條譜線之間的時間間隔，tq、"q、厶tF > VF四量滿足下式：三、實驗儀器實驗裝置如圖2-8所示。實

25、驗裝置的各組成部分說明如下:1. He-Ne激光器,共兩種：1）: DH-HN25C型 腔長250 mm, TEM。模：2 ）由學(xué)生自行組裝 半腔激光器 輸出特性由選擇腔鏡曲率半徑和腔鏡位置，以及腔鏡清潔程度決定。2. 激光電源注意：嚴禁將激光電源正負極（由紅黑兩種線區(qū)分）接反。3. 小孔光闌。4. 共焦球面掃描干涉儀。使激光器的各個模按波長（或頻率）展開，其透射光中心波長 為632.8nm。儀器上有四個鼓輪，其中兩個鼓輪用于調(diào)節(jié)腔的上下、左右位置，另外兩個鼓 輪用于調(diào)節(jié)腔的方位。5. 驅(qū)動器。驅(qū)動器電壓除了加在掃描干涉儀的壓電陶瓷上，還同時輸出到示波器的X軸 作同步掃描。為了便于觀察，我們希

26、望能夠移動干涉序的中心波長在頻譜圖中的位置，以使 每個序中所有的模式能完整地展現(xiàn)在示波器的熒光屏上。為此，驅(qū)動器還增設(shè)了一個直流偏 置電路，用以改變掃描的電壓起點。小乳光闌I滋些器|掃描干涉儀|1光電二極管|圖5實驗裝置圖6. 光電二極管。將掃描干涉儀輸出的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，并輸入到示波器丫軸7. 示波器。用于觀測He-Ne激光器的頻譜圖。四、實驗內(nèi)容及步驟A:觀測DH-HN25C型基橫模激光器縱模模式，確定掃描干涉儀自由光譜區(qū)vF1. 按實驗裝置圖連接線路。經(jīng)檢查無誤，方可進行實驗。2. 開啟DH-HN25C型激光器電源。3. 調(diào)節(jié)激光器高度，使其與掃描干涉儀大致同高，利用小孔光闌調(diào)節(jié)He

27、-Ne激光管的高 低、仰俯，使激光束與導(dǎo)軌平臺平行，具體方法為：將小孔光闌放置在靠近選取激光器位置， 通過調(diào)節(jié)小孔光闌下端平移臺螺旋測微器旋鈕，調(diào)節(jié)光闌左右位置，上下移動固定光闌金屬 桿調(diào)節(jié)小孔光闌高低，以便使激光束通過小孔光闌中心；再將小孔光闌沿導(dǎo)軌移動到遠離激 光器的位置，調(diào)節(jié)激光器的俯仰角控制螺絲，使激光束通過小孔光闌中心。重復(fù)上述步驟， 直到在兩位置間移動時，光束都能通過小孔光闌中心。4. 利用小孔光闌使使激光束通過小孔光闌。調(diào)節(jié)掃描干涉儀的上下、左右位置，使激光束正 入射到掃描干涉儀中，再細調(diào)干涉儀上的四個鼓輪，使干涉儀腔鏡反射回來的光點回到光闌 的小孔附近（注意：不要使光點回到光闌

28、的小孔中），且使反射光斑的中心與光闌的小孔大致 重合，這時入射光束與掃描干涉儀的光軸基本平行。5開啟掃描干涉儀驅(qū)動器和示波器的電源開關(guān)。 調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出電壓的大?。凑{(diào)節(jié)“幅 度”旋鈕）和頻率，在光屏上可以看到激光經(jīng)過掃描干涉儀后形成的光斑。 （考慮不開掃描干 涉儀驅(qū)動器是否能夠觀測光斑）注意：如果在光屏上形成兩個光斑，要在保持反射光斑的中心與光闌的小孔大致重合的 條件下，調(diào)節(jié)掃描干涉儀的鼓輪，使經(jīng)過掃描干涉儀后形成的兩個光斑重合。7將光電二極管對準(zhǔn)掃描干涉儀輸出光斑的中心，調(diào)高驅(qū)動器的頻率，觀察示波器上展 現(xiàn)的頻譜圖。進一步細調(diào)掃描干涉儀的鼓輪及光電二極管的位置，使譜線盡量強。8 根據(jù)干涉序

29、個數(shù)和頻譜的周性期，確定哪些模屬于同一個干涉序（具有相同m值的不同縱模，可根據(jù)縱模間隔等進行確定）。9 改變驅(qū)動器的輸出電壓（即調(diào)節(jié)“幅度”旋鈕），觀察示波器上干涉序數(shù)目的變化。 改變驅(qū)動器的掃描電壓起點（即調(diào)節(jié)“直流偏置”旋鈕），使熒光屏上完整顯示兩個干涉序的 所有模式（如圖4所示）。10.利用光標(biāo)測量熒光屏上.'F、厶tq的數(shù)值，由于可以根據(jù)激光器腔長已知，-q可由（3）式計算獲得，則根據(jù)（11）式，自由光譜區(qū)厶' F可由（11）式計算獲得B.測量半腔激光器腔長及輸出橫模模式11 開啟并調(diào)節(jié)半腔式激光器輸出功率最大，按照以上介紹實驗步驟（3） -（9）調(diào)節(jié)掃描干涉儀，觀測根

30、據(jù)自由光譜范圍的定義，確定哪兩條譜線之間對應(yīng)著自由光譜范圍Avs.r.（本實驗使用的掃描干涉儀的自由光譜范圍 也vs.r= 3.75GHz）。測出示波器熒光屏上與也vS.R.相對 應(yīng)的標(biāo)尺長度，計算出二者的比值，既示波器熒光屏上1毫米對應(yīng)的頻率間隔值。11 .在同一干涉序內(nèi)，根據(jù)縱模定義，測出縱模頻率間隔。將測量值與理論值相 比較（注：待測激光器的腔長L由實驗室給出）。提示：本實驗使用的He-Ne激光器發(fā)出的激光的偏振態(tài)有兩個，它們互相垂直，相互獨 立。只有偏振態(tài)相同的縱模的間隔才符合（2-3 ）式。因此測量縱模間隔需要判斷哪些模對應(yīng) 同一偏振態(tài)。12.確定示波器熒光屏上頻率增加的方向，以便確

31、定在同一縱模序數(shù)內(nèi)哪個模是基橫模，哪些模是高階橫模。提示：激光器剛開啟時，放電管溫度逐漸升高，腔長L逐漸增大，根據(jù)（2-2 ）式，j逐 漸變小。在示波器熒光屏上可以觀察到譜線向頻率減小的方向移動，所以，其反方向就是示 波器熒光屏上頻率增加的方向。13 測出不同橫模的頻率間隔，并與理論值相比較，檢查辨認是否正確，確定的數(shù)值。（注：諧振腔兩個反射鏡的曲率半徑 Ri、R2由實驗室給出）。14.觀察激光束在遠處光屏上的光斑形狀。這時看到的應(yīng)是所有橫模的疊加圖，需結(jié)合 圖2-4中單一橫模的形狀加以辨認，確定出每個橫模的模序 ，既每個橫模的m、n值。五、思考題1. 觀測時，為何要先確定出示波器熒光屏上被掃

32、出的干涉序的數(shù)目？六、注意事項1實驗過程中要注意眼睛的防護，絕對禁止用眼睛直視激光束。2. 開啟或關(guān)閉掃描干涉儀的驅(qū)動器時，必須先將“幅度”旋鈕置于最小值（反時針方 向旋轉(zhuǎn)到底），以免將其損壞。2. 實驗內(nèi)容：4.3共焦球面掃描干涉儀（電部分）使用說明1接好工作負載電路 （見儀器饋線連接指導(dǎo)），用饋線接通220V電源；2將掃描幅度、頻率、偏置旋鈕放置中間位置。3按“開關(guān)電源”按鈕，調(diào)節(jié)“掃描頻率”旋鈕，可改變鋸齒波輸出頻率；鋸齒波輸出”和“鋸齒波監(jiān)測” 有鋸齒波輸出；4調(diào)節(jié)“掃描幅度”旋鈕，改變“鋸齒波輸出”和“鋸齒波監(jiān)測”的鋸齒波電壓幅度5調(diào)節(jié)“偏置調(diào)節(jié)”旋鈕，可以改變偏壓值；6按“偏壓開關(guān)

33、”，則有電壓加到鋸齒波輸出 1和2上?！捌珘猴@示”表頭顯示偏壓值；7使用完后，按“開關(guān)電源”按鈕，關(guān)機。注意事項：1該電源負載為壓電陶瓷類的高阻元件。不適用低阻負載。2偏壓調(diào)節(jié)操作應(yīng)緩慢，使電壓緩慢加載到壓電陶瓷上；3信號輸出切勿短路，否則損壞電路。4該儀器出現(xiàn)問題，及時與廠家聯(lián)系，不得自行拆卸；六、注意事項1實驗過程中要注意眼睛的防護，絕對禁止用眼睛直視激光束。2.開啟或關(guān)閉掃描干涉儀的驅(qū)動器時，必須先將“幅度”旋鈕置于最小值（反時針方 向旋轉(zhuǎn)到底），以免將其損壞。15四. 氦氖激光器橫模模式及輸出特性觀測與測量1. 實驗?zāi)康?. 利用CCD觀測單橫模與多橫模氦氖激光器橫模模式光斑2. 利用

34、CCD測量單橫模氦氖激光器輸出高斯光束特性3. 初步掌握利用orgin軟件計算光束輸出特性方法2. 實驗內(nèi)容和原理光束在激光諧振腔內(nèi)多次反復(fù)傳播過程中，由于衍射作用在諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定電磁場分布。將垂直于電磁場傳播方向平面內(nèi)的電磁場分布稱為橫模。圖1中，給出了幾種常見的基本橫模光斑圖樣。我們所看到的復(fù)雜的光斑則是這些基本光斑的疊加。對于諧振腔內(nèi)通常所 存在的厄米高斯光束，激光的模式用 TEMmnq來表示，其中，m、n為橫模的標(biāo)記，q為縱模 的標(biāo)記。m是沿X軸場強為零的節(jié)點數(shù)，n是沿Y軸場強為零的節(jié)點數(shù)。在多模激光器諧振 腔內(nèi)通常有多種不同的橫模激光振蕩，同時不同橫模間存在模式簡并(不同橫模具有相

35、同的振 蕩頻率).因此激光諧振腔內(nèi)振蕩橫模模式判斷通常采用激光干涉掃描儀與CCD觀測激光橫模光強分布相結(jié)合的方法確定。本實驗將利用CCD相機對激光橫模光強分布加以判斷，同時還將對單模氦氖激光輸出特性進行測量。TEM®TEMoiTEMmTEMioTEMn對于多種橫模模式中，基模高斯光束性質(zhì)最為重要，其在任意位置 表示為：z處的光斑半徑可以22Z 22Z 2，=0 (1 (；) ) = 0 (1 ( )f叫上式中，為基模高斯光束束腰半徑，為基模高斯光束光斑半徑最小值.f為描述基模高斯光束性質(zhì)的物理量，被稱為公焦參數(shù)，該數(shù)值也被稱為基模高斯光束的瑞利長度，用zR表示，其表 達式為：f =

36、zr#從一式可以看出，光斑半徑-(z)隨z按雙曲線規(guī)律變化，雙曲線的兩條漸近線間夾角2,被稱 為基膜高斯光束的遠場發(fā)散角，可表示為:2 (z)22八問可以證明，當(dāng)取測量點z 7f =7zR時，遠場發(fā)散角可以近似表示為:2_亠z上式中，(z)為z處光斑半徑，可以證明用該值表示 遠場發(fā)散角誤差小于1%.遠場發(fā)散角還可以 表示為：2®(Zi) co(Z2)|Z1Z2上式中，(zi)和.()為zi和Z2處的光斑半徑，Zi、Z2>7f。實驗中，利用CCD相機可以測得基模高斯 光束光斑半徑，根據(jù)以上兩式就可以測得光束遠場發(fā)散角。3. 實驗儀器4. 實驗內(nèi)容：一. 測量單模激光輸出特性1.

37、利用小孔光闌調(diào)節(jié) He-Ne激光管(DH-HN250型)的高低、仰俯，使激光束與導(dǎo)軌平臺平行，具體方法為(與縱模模式觀測相同)：調(diào)節(jié)激光器高度，使其與掃描干涉儀大致同高,將小孔光闌放置在靠近選取激光器位置，通過調(diào)節(jié)小孔光闌下端平移臺螺旋測微器旋鈕，調(diào)節(jié)光闌左右位置，上下移動固定光闌金屬桿調(diào)節(jié)小孔光闌高低，以便使激光束通過小孔光闌 中心；再將小孔光闌沿導(dǎo)軌移動到遠離激光器的位置，調(diào)節(jié)激光器的俯仰角控制螺絲，使激 光束通過小孔光闌中心。重復(fù)上述步驟，直到在兩位置間移動時，光束都能通過小孔光闌中 心。2. 將3塊濾光片和一塊窄帶濾波片放置在 CCD前端的支架內(nèi)，再將CCD放置于導(dǎo)軌上， 使其與光束等

38、高，連接CCD電源，并將CCD輸出信號線連接到計算機上，將 CCD移動到緊貼 氦氖激光器輸出口位置，調(diào)節(jié) CCD方位，使激光垂直照射到 CCD入孔中心，在計算機屏幕上 找到激光光斑,測量光斑的直徑,記錄CCD在導(dǎo)軌上的位置.3. 改變CCD勺位置,每隔5cm測量不同位置光斑的大小，測量 8個數(shù)據(jù)點4. 選擇某一位置，在計算機內(nèi)記錄存儲光斑形狀，打印后粘貼在實驗報告上。5. 利用origin軟件擬合氦氖激光器光斑半徑隨位置的變化曲線，并確定束腰半徑的大 小。(origin軟件用法單獨講解)二. 觀測多模激光橫模光斑1. 將反射鏡R1放置于半腔鏡靠近放電管位置，調(diào)節(jié)激光器出光最強.2. 利用光闌調(diào)

39、節(jié)半腔激光器，使之與導(dǎo)軌水平(方法與上一節(jié)相同)3. 將將2塊濾光片和一塊窄帶濾波片放置在CCD前端的支架內(nèi)，按照上節(jié)所述方法調(diào)節(jié)CCD和激光器,使激光光斑顯示在計算機屏幕上.在CCD和激光器間放置偏振片，旋轉(zhuǎn)偏振片使屏幕上光斑不出現(xiàn)飽和，根據(jù)光斑上光 強分布初步判定激光輸出是否是單模.175. 存儲記錄光斑圖像 , 答應(yīng)后貼在實驗報告.（ 與單模貼在一起 ）#五. 半導(dǎo)體激光泵浦固體被動調(diào)Q激光器.實驗?zāi)康模篿訓(xùn)練半導(dǎo)體激光泵浦固體激光的裝調(diào)2.測量半導(dǎo)體激光泵浦固體調(diào)Q激光器輸出特性二.理論：半導(dǎo)體泵浦固體激光器（Diode-Pumped solid-state Laser,簡稱DPL），

40、是以激光二極管（LD ）代替閃 光燈泵浦固體激光介質(zhì)的固體激光器，具有效率高、體積小、壽命長等一系列優(yōu)點，在光通信、激光雷達、激光醫(yī)學(xué)、激光加工等方面有巨大應(yīng)用前景，是未來固體激光器的發(fā)展方向。本實驗的目的是熟悉半導(dǎo)體 泵浦固體激光器的基本原理和調(diào)試技術(shù)，以及其調(diào)Q和倍頻的原理和技術(shù)。圖1為泵浦源LD發(fā)射光束空間分布光束，由于泵浦源LD的光束發(fā)散角較大，為使其聚焦在增益介質(zhì)上，必須對泵浦光束進行光束變換（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。側(cè)面泵浦方式主 要應(yīng)用于大功率激光器。端面泵浦耦合通常有

41、直接耦合和間接耦合兩種方式。本實驗采用端面泵浦方式。圖2為利用透鏡組對于 LD發(fā)射光束進行整形的間接耦合裝置示意圖，半導(dǎo)體激光器（LD ）發(fā)射光束經(jīng)光纖柱透鏡對快軸方向發(fā)散光束進行準(zhǔn)直，壓縮發(fā)散角，然后采用組合透鏡對泵浦光束進行整形變換，各透 鏡表面均鍍對泵浦光 808 nm的增透膜，耦合效率較高。4.實驗內(nèi)容194.實驗內(nèi)容#快軸準(zhǔn)血 光纖微透鏡圖.1 LD發(fā)射光束空間分布示意圖N止YAG=UL） 耦合系統(tǒng)TEC和散熱片圖.2 LD泵浦耦合裝置目前常用的調(diào) Q方法有電光調(diào) Q、聲光調(diào)Q和被動式可飽和吸收調(diào) Q,其中被動調(diào)Q技術(shù)具有本實驗 采用的Cr4+：YAG是可飽和吸收調(diào) Q的一種，它結(jié)構(gòu)

42、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被動調(diào)Q的工作原理為：圖3為Cr4+:YAG能級結(jié)構(gòu)圖，激發(fā)態(tài)能級 Ei與基態(tài)E。間能級差 恰好等于諧振腔內(nèi)振蕩激光光子能量，Cr4+：YAG晶體放置在腔內(nèi)，當(dāng)腔內(nèi)激光振蕩時,處于基態(tài)Eo能級的原子吸收振蕩光子能量向Ei能級躍遷，Cr4+：YAG晶體對于激光有吸收作用，且吸收率與腔內(nèi)光強的大小有關(guān)（透過率會隨著腔內(nèi)的光強而改變）。在激光振蕩的初始階段，增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度較小，腔內(nèi)光強較弱，Cr4+:YAG內(nèi)大部分原子處于基態(tài)Eo能級，Cr4+：YAG的透過率較低（初始透過率），Cr4+:YAG在腔內(nèi)產(chǎn)生較大的

43、吸收損耗，增益小于損耗，諧振腔無法振蕩，而增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在泵浦作用下不 斷增加；當(dāng)增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增大到閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)時，諧振腔增益等于諧振腔損耗時，激光開始振 蕩，此時由于在 Cr4+:YAG內(nèi)，大部分原子仍處于基態(tài) Eo能級，激光通過可飽和吸收體的透過率仍為初始 值（初始透過率），隨著泵浦的進一步作用，腔內(nèi)光子數(shù)不斷增加，基態(tài)Eo能級原子在受激吸收作用下躍遷到激發(fā)態(tài)能級 Ei,基態(tài)原子數(shù)目減少，可飽和吸收體的透過率也逐漸變大，基態(tài)Eo能級原子被抽空時，可飽和吸收體的透過率最大，達到飽和。此時，Cr4+:YAG的透過率突然增大，光子數(shù)密度迅速增加，激光振蕩形成。腔內(nèi)光子數(shù)密度達到最

44、大值時，激光為最大輸出，此后，由于增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子的減少，光子 數(shù)密度也開始減低，則可飽和吸收體Cr4+:YAG的透過率也開始減低。當(dāng)光子數(shù)密度降到初始值時，Cr4+:YAG 的透過率也恢復(fù)到初始值，調(diào)Q脈沖結(jié)束。以上為被動調(diào)Q基本原理，Cr4+:YAG實際能級結(jié)構(gòu)要比圖 3復(fù)雜。E1-O-CX""O E1h vhvr-OO-CH-Oo_o- EoEo(a)(b)圖3可飽和吸收體能級：（a）振蕩初始階段；（b）能級達到飽和3.實驗儀器圖4被動調(diào)Q激光裝置示意圖圖4為LD泵浦Cr4+:YAG被動調(diào)Q激光器結(jié)構(gòu)示意圖，半導(dǎo)體激光器（LD）被固定在半導(dǎo)體制冷器（TEC） 上,LD

45、發(fā)射808 nm泵浦光整形后耦合到Nd:YAG晶體內(nèi)；Nd:YAG晶體左端面作為激光全發(fā)鏡，鍍808 nm增透膜與1064 nm高反膜（考慮為什么鍍這樣兩種膜 ），右端鍍1064 nm增透膜（T>99.5%）（考慮為什么鍍這 種膜？ ）o Cr4+:YAG晶體被放置在激光諧振腔內(nèi)，其兩端鍍有1064 nm增透膜（T>99.5%）。輸出鏡為凹面鏡，曲率半徑為，透射率為。1. 摘除裝置中的 Nd：YAG 激光晶體與 Cr4+:YAG 晶體， 連接準(zhǔn)直光源的電源， 打開準(zhǔn)直光源 （650 nm 半導(dǎo)體激光器） ，調(diào)整準(zhǔn)直光源的高低位置與方位， 使準(zhǔn)直光束照射到 LD 封裝窗口的表面， 并

46、使窗口表面 反射光束回到準(zhǔn)直光源出光口。2. 將 Nd:Y AG 激光晶體裝入固定架， 調(diào)節(jié)晶體在導(dǎo)軌上的前后位置及左右方位， 使從 LD 發(fā)射的整形 后的匯聚光束位于左側(cè)端面的中央， 同時使匯聚光束的束腰位于激光晶體內(nèi)部， 且非?？拷w的左端面。 考慮為什么？（以上兩步由教師完成 ）3. 調(diào)整激光晶體的俯仰角，使準(zhǔn)直光源出光口位于 Nd:YAG 激光晶體兩個反射光斑中心位置。 （為了 抑制激光晶體的兩端面形成激光諧振腔，形成所謂的寄生振蕩，激光晶體兩端面有一定夾角）4. 將腔鏡（平凹鏡）固定在導(dǎo)軌上，使腔鏡與激光晶體右端面間距離為10 cm，以確保能夠在腔內(nèi)放置被動 Q 晶體。調(diào)節(jié)腔鏡使腔

47、鏡兩表面內(nèi)表面凹反射光束回到準(zhǔn)直光源出光口， 同時也使腔鏡另一面 （平面） 反射光束也盡量靠近出光口。5. 打開 LD 的驅(qū)動電源， 緩慢增加電流至 0.8 安，調(diào)節(jié)輸出鏡， 同時用紅外探片觀測激光器是否出光，出光后調(diào)節(jié)腔鏡使出光變強，然后將激光功率計放在輸出鏡后，調(diào)節(jié)腔鏡使激光輸出功率最大。（ 注意：紅外探片僅用來觀測功率較低輸出光斑，當(dāng)輸出功率較高時，禁止將探片對準(zhǔn)激光，以防止探片被燒毀）6. 降低 LD 驅(qū)動電流， 測量閾值， 然后緩慢曾將電流每個 0.2 A 記錄輸出功率， 直至驅(qū)動電流至 1.8 A。 將測量數(shù)據(jù)列表格，并畫出輸出曲線。 （用 origin 軟件畫曲線）7. 將 LD

48、 激勵電流調(diào)節(jié)到零，關(guān)閉電源，將Cr4+:YAG 晶體放入激光諧振腔內(nèi)，調(diào)節(jié)晶體俯仰角使晶體表面反射光束回到準(zhǔn)直光源出光口。此時可將準(zhǔn)直光源去除。 （1064nm 激光長期打在準(zhǔn)直光源內(nèi)對光源 有損害）8. 將激光功率計和光電探測器放置在輸出鏡后，開啟LD 泵浦電源，緩慢增大電流，用紅外光探測器觀測及光輸出，當(dāng)有激光輸出時，移動功率計使激光射入功率計，繼續(xù)增大電流至1 A ，調(diào)節(jié) Cr4+:YAG 晶體使輸出功率最大；9. 降低驅(qū)動電流，測量閾值，比較加入Cr4+:YAG 晶體前后閾值變化；移去功率計，調(diào)節(jié)光電探測器使激光束入射到探測器中心， 根據(jù)示波器輸出激光脈沖的幅值， 微調(diào)探測器， 使激

49、光脈沖最大； 增大電流， 每隔 0.2 A 測量輸出功率、激光脈沖的頻率和脈沖寬度，同時計算峰值功率，設(shè)計表格將上述測量和計算 數(shù)據(jù)記錄在表格內(nèi)。4.實驗內(nèi)容21六. 綠光倍頻激光實驗.實驗?zāi)康?. 掌握半導(dǎo)體泵浦綠光固體激光器的裝調(diào)2. 測量綠光倍頻激光器輸出特性二.原理當(dāng)一束波長為1.06卩m的激光通過倍頻晶體后發(fā)現(xiàn)有 0.53卩m的綠光出現(xiàn)，這種現(xiàn)象我 們稱為倍頻效應(yīng)，其基本理論如下：我們知道，在通常情況下，光學(xué)媒質(zhì)多半是通光性很好的電介質(zhì)，當(dāng)不加外電場時，它 們不呈現(xiàn)電性，雖然組成原子、分子的電子和原子核均是帶電的粒子，但是當(dāng)光通過介質(zhì)的 時候，光波電磁場（主要是電場）要和帶電粒子發(fā)生

50、相互作用，即電場引起介質(zhì)極化。在光 波電場作用下，分子或原子的正負電荷重心分離，從而呈現(xiàn)電性。因為光波電磁場的頻率非 常高，電場方向周期性地迅速改變，因此分子、原子的極化也迅速改變。只有質(zhì)量很輕的電 子才能作如此迅速的響應(yīng)，核幾乎不動，這樣，在物質(zhì)內(nèi)部就形成一個個迅速振動著的偶極 子。不斷振動的偶極子向外輻射新的電磁波，各振子產(chǎn)生的次極電磁波在某些方向彼此干涉 加強，而在另一些方向彼此干涉相消。為了表征介質(zhì)極化的大小，引入一物理量電極化強度P，它表示單位體積內(nèi)由外電場引起的偶極矩之和，實驗發(fā)現(xiàn)，在電場不太強時，電極化強度與電場成正比，即P=x E （z，t）x 希臘字母，音（kei）為電極化系

51、數(shù)。E可以是直流電場，在此實驗情況中，它是光 波電場：E （z，t） = £ cos （ 3 t-kz）（2）式中&為光波電場振幅，3為光波角頻率（3 =2 n u，u為光頻）。k為光波矢量（k=2-n，n為介質(zhì)折射率，入為波長）。光在Z方向傳播。將（2）式代入（1）式得P= x £ cos （ 3 t kz）（3）可見，介質(zhì)的極化也象光波一樣在介質(zhì)中傳播，我們稱之為極化波，還可以看到，此極 化波的頻率與原入射波的頻率相同；這就是所謂的線性極化，可以想象得到，線性極化所輻 射出的電磁波的頻率也會與入射波的頻率相同。但是，當(dāng)光很強時，在（1）式中還應(yīng)考慮到非線性極化，

52、于是P= x E +xE2 +xE3 + 。式中x （1） x （2）、x （3）分別叫作一次、二次、三次極化系數(shù)；x （1）即為（1）式中的x， 所以也稱為線性極化系數(shù)。（4）式中第二、三等項稱為非線性項。一般地說，每后面一項比 前一項小得多，當(dāng)E足夠大時，非線性項就變得可觀了，比如（4）式中第二項，既二次極化 就會產(chǎn)生可觀察到的效應(yīng)。令將（2）式代入（5）式有(2)q(2) 2 1；cos(2 t-2kz)+ 2(2) 2注意，式中出現(xiàn)頻率為23的極化波，同樣，它可以產(chǎn)生頻率為(6)23的次極電磁波。這就解答了我們剛才提出的問題。雖然，有了強的激光束就有可能產(chǎn)生非線性極化，從而得到倍頻光，

53、但是要有效地將基 波能量轉(zhuǎn)換到諧波上去，須滿足所謂位相匹配條件k2=2ki(7)式中ki和k2分別為基波和二次諧波的波矢，由(7)式可以得到：n2=ni(8)這里n2和ni分別為基波和諧波在倍頻中的折射率，(8)式表明，必須要求諧波和基波的 折射率相等。從物理上看，由基波所引起的非線性振子輻射的倍頻電磁波彼此同步，才能干 涉加強從而得到強的倍頻光。在各項同性介質(zhì)中，(8)式是無法滿足的，因為色散，使不同頻率的光波具有不同的折 射率，在各相異性的介質(zhì)中，情況卻大不相同，圖 51所示為負單軸晶體對基波和諧波的折 射率曲面。由圖可見，波矢在與光軸成 B的角度時，二次諧波e光的折射率等于基波光的折射率

54、，此角滿足下式:.2 sin/ 0 0、2(n2/ni ) -1e =0e 2(n /n ) -1 ' 2 1丿(9)圖1單軸晶體折射率曲面常用的倍頻晶體有 KTP、KDP、LBO、BBO和LN等。其中，KTP為雙軸晶體，在1064nm 光附近有高的有效非線性系數(shù)，導(dǎo)熱性良好，非常適合用于 YAG激光的倍頻。KTP晶體屬 于負雙軸晶體，對它的相位匹配及有效非線性系數(shù)的計算，已有大量的理論研究，通過KTP的色散方程，人們計算出其最佳相位匹配角為： 力90°, .： °，對應(yīng)的有效非線性系數(shù)-12deff=7.36 X0 V/m。倍頻過程中，1064nm基頻光向532n

55、m綠光轉(zhuǎn)換效率與1064nm基頻光在倍頻晶體中的功率密度成正比關(guān)系，為了提高倍頻的轉(zhuǎn)換效率，人們通常將倍頻晶體放置在激光諧振腔之內(nèi)（腔內(nèi)倍頻），由于腔內(nèi)具有較高的功率密度，因此可以獲得較高的倍頻效率。還可采用脈沖運轉(zhuǎn)方式提高激光的峰值功率，以提高倍頻效率。圖2倍頻實驗裝置圖LD耦合裝置與實驗五被動調(diào) Q中完全相同，輸出鏡為平面鏡，腔內(nèi)反射面鍍1064 nm高反、532nm增透膜（考慮為什么這樣鍍膜），KTP晶體位于Nd: YAG晶體與輸出鏡之間， kTP晶體兩端面鍍1064 nm、532nm增透膜（考慮為什么這樣鍍膜）?？紤]腔內(nèi)高斯光束束腰 位于什么位置？四實驗內(nèi)容及步驟1. 按實驗四中的步驟

56、1-4調(diào)整實驗裝置（不放入倍頻晶體），注意在調(diào)整輸出鏡時，由于在 該實驗中使用腔鏡為平面鏡，因此只需使其反射光束返回準(zhǔn)直光源出光口就可。2. 打開LD驅(qū)動電源，緩慢增加驅(qū)動電流，當(dāng)紅外探片觀測到激光輸出時，調(diào)整腔鏡使 探片光斑較亮，然后降低電流，當(dāng)觀察到光斑時有時無閃爍時，再優(yōu)化腔鏡，反復(fù)進行此過 程使，激光器工作閾值最低。記錄此時閾值。3. 放入kTP倍頻晶體在靠近腔鏡一端，使晶體端面反射光束返回準(zhǔn)直光源出光口，在輸出鏡后，放置激光功率計，緩慢增加電流，當(dāng)觀測到綠光時，調(diào)節(jié)倍頻晶體和腔鏡的俯仰角， 使光斑最亮，降低電流到剛能觀察到綠光狀態(tài)，再調(diào)節(jié)倍頻晶體和腔鏡的俯仰角，使光斑最亮，反復(fù)上述過程，使激光器閾值電流最小，記錄閾值電流；緩慢增大電流，每隔0.2 A記錄輸出功率（將數(shù)據(jù)記錄在設(shè)計好的表格內(nèi)），同時用origin畫出輸出功率隨電流變化曲線。25高斯光束特性參數(shù)測量（直接測量）.實驗?zāi)康模?. 掌握測量高