嘉應(yīng)學(xué)院激光原理實(shí)驗(yàn)講義

1、嘉應(yīng)學(xué)院激光原理實(shí)驗(yàn)講義編寫人：楊曉冬一. 激光技術(shù)調(diào)節(jié)基本技能訓(xùn)練一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.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(shí)驗(yàn)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(tái)上裝調(diào)激光之前,通常需要建立與光學(xué)平臺(tái)平行、且空間方位固定的準(zhǔn)直光束，以便于對(duì)光學(xué)元件的空間方位進(jìn)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(dòng)，則準(zhǔn)直光束必須重新建立，實(shí)驗(yàn)也必須重新開始。在光學(xué)平臺(tái)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(gè)標(biāo)示高度的標(biāo)高尺，標(biāo)高尺制作如圖1所示：）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).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(tái)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上,打開激光光源,使光束照在反射鏡1的中心

3、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(shí)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(diǎn)(N點(diǎn)遠(yuǎn)離反射鏡2),用筆作標(biāo)記,將標(biāo)高尺標(biāo)示線下端正對(duì)N點(diǎn)放置,調(diào)節(jié)反射鏡2,使光束入射到標(biāo)示線,高度達(dá)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(duì)M點(diǎn),調(diào)節(jié)腔鏡1,使光束達(dá)到所要求的標(biāo)示高度,反復(fù)進(jìn)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(diǎn)舉例如下: 準(zhǔn)直光束離光學(xué)平臺(tái)高度50 mm, 在AB直線的正下方選取M、N兩點(diǎn)(N點(diǎn)遠(yuǎn)離反射鏡2)后，將標(biāo)高尺首先放置于點(diǎn)，調(diào)節(jié)反射鏡的俯仰角，使激光束照射在50 mm刻度處的標(biāo)示線上，

4、再將標(biāo)高尺移到點(diǎn)，調(diào)節(jié)反射鏡，使光束照射在50 mm刻度處的標(biāo)示線上；反復(fù)進(jìn)行此過程，激光束將逐漸逼近直線，最終就可以與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：將點(diǎn)在光束的遠(yuǎn)端，將其稱為遠(yuǎn)點(diǎn)，而點(diǎn)稱為近點(diǎn)；反射鏡被稱為遠(yuǎn)鏡，反射鏡被稱為近鏡，調(diào)節(jié)口訣為：遠(yuǎn)點(diǎn)（點(diǎn)）調(diào)近鏡（反射鏡），近點(diǎn)（點(diǎn)）調(diào)遠(yuǎn)鏡（反射鏡）2利用準(zhǔn)直光束對(duì)腔鏡進(jìn)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(jiǎn)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,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

5、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。 (a) (b)(c)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(duì)于凹面鏡的調(diào)節(jié)要注意以下兩個(gè)問題：1）由于凹面反射光束會(huì)先匯聚，再發(fā)散，因此當(dāng)凹面曲率半徑較小時(shí)，光束發(fā)散較為嚴(yán)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(yuǎn)；2）由于平凹鏡有兩個(gè)反射面，反射光斑有兩個(gè)，必須要注意區(qū)分反射光斑哪一個(gè)是凹面反射，哪一個(gè)是平面反射。請(qǐng)根據(jù)幾何光學(xué)的原理思考怎樣判定反射光斑哪一個(gè)是平面，哪一個(gè)是

6、凹面。另外還必須注意，當(dāng)平凹鏡作為輸出鏡時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)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(duì)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(duì)于凸面鏡的調(diào)節(jié)要注意以下兩個(gè)問題：1）由于凸面反射光束會(huì)發(fā)散，因此當(dāng)凸面曲率半徑較小時(shí)，光束發(fā)散較為嚴(yán)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(yuǎn)；2） 必須要注意區(qū)分反射光斑哪一個(gè)是凸面反射，哪一個(gè)是平面反射。 思考怎樣判定反射光斑哪一個(gè)是平面，哪一個(gè)是凸面。另外還必須注意，當(dāng)平凸面鏡作為輸

7、出鏡時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)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(duì)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(jiǎn)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(huì)先匯聚再發(fā)散，當(dāng)光屏較遠(yuǎn)或透鏡焦距較小時(shí)，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(jì)算機(jī)上畫后打?。詼?zhǔn)確確定光斑方位。調(diào)節(jié)時(shí)，可以在不加透鏡時(shí)，放置同心圓靶，調(diào)節(jié)圓靶的上下或左右位置

8、，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(dòng)透鏡，使光束照射圓靶中心，思考此時(shí)可斷定入射光經(jīng)過透鏡哪一點(diǎn)？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(yán)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(shí)，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(dòng)透鏡，使光束照射圓靶中心，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(yán)格返回也要盡量使兩反射光斑重合并靠近小孔光闌。三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 建立高度

9、為50 mm與光學(xué)平臺(tái)平行的準(zhǔn)直光束。（光線位于M,N兩點(diǎn)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(duì)調(diào)節(jié)精度有何影響？2. 思考在圖3（b）中，將光闌由緊貼反射鏡位置逐漸遠(yuǎn)離反射鏡，前后兩面反射光斑會(huì)發(fā)生怎樣的變化？二. He-Ne 激光器裝調(diào)實(shí)驗(yàn)一、He-Ne 激光器的工作原理與結(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(jí)躍遷圖,其工作原理

10、為: 在輝光放電狀態(tài)下，工作物質(zhì)中的自由電子從電場(chǎng)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21S0和23S1能級(jí)上去。由于這兩個(gè)能級(jí)的能量與Ne原子的3S和2S的能量幾乎相同，所以當(dāng)處于21S0和23S1兩個(gè)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(jí)相近的3S和2S能級(jí)上去，這一過程稱為共振轉(zhuǎn)移。Ne原子的3S和2S能級(jí)是兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，所以當(dāng)這兩個(gè)能級(jí)上的受激Ne原子足夠多時(shí)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)3P和2P之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這樣由于上下能級(jí)間的受激輻射產(chǎn)生激光。氖原子的激光譜線可達(dá)100多條，而以3S23P

11、4、3S22P4和2S23P4能級(jí)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(qiáng)。處于下能級(jí)（3P和2P）上的Ne原子通過自發(fā)輻射回到ls能級(jí)，處于ls能級(jí)上的Ne原子通過與放電毛細(xì)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)。圖1 He-Ne 激光器能級(jí)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(jī)構(gòu)，可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。放電管的兩端貼有布儒斯特窗片,是與毛細(xì)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

12、，放電管的熱變形對(duì)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(duì)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.圖2.（1）外腔式（2）半內(nèi)腔式 本實(shí)驗(yàn)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可調(diào),實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過調(diào)節(jié)該鏡俯仰角實(shí)現(xiàn)激光輸出.四、激光器的調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 將曲率半徑為50 cm全反射鏡安裝在鏡架上,松動(dòng)鏡架固定螺絲,將鏡架移動(dòng)到距離放電管,記錄此時(shí)腔長.2. 用十字叉調(diào)光將激光調(diào)出:如圖3所示

13、,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(shí)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(diǎn)，該白點(diǎn)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(diǎn),移動(dòng)叉絲板，使亮白點(diǎn)與出光孔同心，此時(shí)可認(rèn)為小孔叉絲板與毛細(xì)管同軸;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(diǎn)中心重合,此時(shí)激光器應(yīng)發(fā)射激光。(思考回答觀測(cè)到十字叉絲像是怎樣形成? 十字叉絲中心與亮白點(diǎn)中心重合意味什么?)3. 用功率計(jì)觀察輸出功率,同時(shí)調(diào)節(jié)腔鏡俯仰角旋鈕,時(shí)激光器輸出功率達(dá)到最大,記錄輸出

14、功率.4. 將焦距為100 mm的凸透鏡放置在光路中,使光束通過透鏡中心,同時(shí)保持透鏡與光束垂直,觀測(cè)照射到墻上光斑光強(qiáng)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.三 激光縱模模式觀測(cè)1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解激光器的模式結(jié)構(gòu)，加深對(duì)模式概念的理解。2通過測(cè)試分析，掌握模式分析的基本方法。3對(duì)本實(shí)驗(yàn)使用的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。2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(duì)能級(jí)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

15、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，不過是光中心波長而已）。因能級(jí)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(duì)它進(jìn)行光學(xué)反饋，使光在多次往返傳播中形

16、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 （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(qiáng)，其它則相互抵消。式中，是折射率，對(duì)氣體1，L是腔長，q是正整數(shù)，每一個(gè)q對(duì)應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場(chǎng)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（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模的頻率為圖1 (2)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

17、間隔 (3)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，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(duì)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。諧振腔對(duì)光多次反饋，在縱向形成不同的場(chǎng)分布，那么對(duì)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(duì)應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場(chǎng)分布，稱為一個(gè)橫模

18、。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(duì)兩個(gè)不同方向的觀測(cè)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是橫模標(biāo)記，m是沿x軸場(chǎng)強(qiáng)為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)，n是沿y軸場(chǎng)強(qiáng)為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)。前面已知，不同的縱模對(duì)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(duì)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橫模間的頻率差，經(jīng)推導(dǎo)得 (4)其中，m，n分別表示x，y方向上橫模模序數(shù)差，R1，

19、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 (5)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)，例如上圖分?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(jiǎn)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12。反射鏡的曲率半徑R1=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

20、線閉合。從多光束干涉的角度來看，當(dāng)波長為的入射光束滿足: （6）時(shí)，光束間滿足相干相長條件，該波長的透射率最大,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(duì)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，為折射率；L為腔長。m為一正整數(shù)，被稱為干涉級(jí)數(shù)。圖3為了改變干涉儀透射率，干涉儀上，R1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(hào)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(dòng)，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(shí)，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(duì)入

21、射光的波長進(jìn)行掃描。但從（6）可以看出當(dāng)腔長由變?yōu)闀r(shí)，(6)式變?yōu)? (7)此時(shí),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(jí)由原來的m變?yōu)閙+1。透射情況如圖 所示。當(dāng)掃描干涉儀腔長時(shí)，若波長為的入射光束滿足: （8）波長為的光束也有最大透射率，其對(duì)應(yīng)的干涉級(jí)數(shù)為m。因此當(dāng)干涉儀腔長在從到掃描過程中，干涉級(jí)為m，波長為到間的透射光不會(huì)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)，用或者表示。假如上例中l(wèi)a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。經(jīng)推導(dǎo)，可得 （9）用頻率表示，即為: （10）在模式分析實(shí)驗(yàn)中，由于我們不希望出現(xiàn)圖4中的重序現(xiàn)象

22、，故選用掃描干涉儀時(shí)，必須首先知道它的和待分析的激光器頻率范圍，并使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(duì)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(duì)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。當(dāng)腔長掃描范圍為，即兩倍自由光譜區(qū)時(shí)，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。圖4只要注入光束的頻譜寬度不大于F，那么在干涉儀掃描過程中便能逐次透過，在干涉儀的后方使用光電轉(zhuǎn)換元件接收透射的光強(qiáng)，再將這種光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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

23、上顯示出的圖4中，橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，但任意兩條譜線頻率間隔與時(shí)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(jì)算激光器縱模間隔，利用示波器光標(biāo)測(cè)量示波器熒光屏上顯示激光器縱模與之間的時(shí)間間隔，以及圖中中與兩條譜線之間的時(shí)間間隔、四量滿足下式： （11）三、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-8所示。實(shí)驗(yàn)裝置的各組成部分說明如下：1 He-Ne激光器,共兩種:1): DH-HN250型 腔長250 mm, TEM00模：)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

24、 注意：嚴(yán)禁將激光電源正負(fù)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(gè)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(gè)鼓輪，其中兩個(gè)鼓輪用于調(diào)節(jié)腔的上下、左右位置，另外兩個(gè)鼓輪用于調(diào)節(jié)腔的方位。5驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器電壓除了加在掃描干涉儀的壓電陶瓷上，還同時(shí)輸出到示波器的X軸作同步掃描。為了便于觀察，我們希望能夠移動(dòng)干涉序的中心波長在頻譜圖中的位置，以使每個(gè)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(dòng)器還增設(shè)了一個(gè)直流偏置電路，用以改變掃描的電壓起點(diǎn)。圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖6光電二極管。將掃描干涉儀輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并輸入到示波器Y

25、軸。7示波器。用于觀測(cè)He-Ne激光器的頻譜圖。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟A: 觀測(cè)DH-HN250型基橫模激光器縱模模式，確定掃描干涉儀自由光譜區(qū)1按實(shí)驗(yàn)裝置圖連接線路。經(jīng)檢查無誤，方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2開啟DH-HN250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-Ne激光管的高低、仰俯，使激光束與導(dǎo)軌平臺(tái)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(tái)螺旋測(cè)微器旋鈕，調(diào)節(jié)光闌左右位置，上下移動(dòng)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(dòng)到遠(yuǎn)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

26、小孔光闌中心。重復(fù)上述步驟，直到在兩位置間移動(dòng)時(shí)，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(xì)調(diào)干涉儀上的四個(gè)鼓輪，使干涉儀腔鏡反射回來的光點(diǎn)回到光闌的小孔附近（注意：不要使光點(diǎn)回到光闌的小孔中），且使反射光斑的中心與光闌的小孔大致重合，這時(shí)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(dòng)器和示波器的電源開關(guān)。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓的大小（即調(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(dòng)器是否能夠觀測(cè)光斑）注意：如果在光屏上形成兩個(gè)光斑，要在保持反射

27、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(gè)光斑重合。7將光電二極管對(duì)準(zhǔn)掃描干涉儀輸出光斑的中心，調(diào)高驅(qū)動(dòng)器的頻率，觀察示波器上展現(xiàn)的頻譜圖。進(jìn)一步細(xì)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(qiáng)。8根據(jù)干涉序個(gè)數(shù)和頻譜的周性期，確定哪些模屬于同一個(gè)干涉序（具有相同m值的不同縱模，可根據(jù)縱模間隔等進(jìn)行確定）。9改變驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的掃描電壓起點(diǎn)（即調(diào)節(jié)“直流偏置”旋鈕），使熒光屏上完整顯示兩個(gè)干涉序的所有模式（如圖4所示）。10. 利用光標(biāo)測(cè)量熒光屏上、的數(shù)值，由于可以根據(jù)激光器腔

28、長已知，可由（3）式計(jì)算獲得，則根據(jù)（11）式，自由光譜區(qū)可由（11）式計(jì)算獲得。B. 測(cè)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(shí)驗(yàn)步驟（3）-(9)調(diào)節(jié)掃描干涉儀，觀測(cè)根據(jù)自由光譜范圍的定義，確定哪兩條譜線之間對(duì)應(yīng)著自由光譜范圍(本實(shí)驗(yàn)使用的掃描干涉儀的自由光譜范圍= 3.75GHz)。測(cè)出示波器熒光屏上與相對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺長度，計(jì)算出二者的比值，既示波器熒光屏上1毫米對(duì)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(cè)出縱模頻率間隔。將測(cè)量值與理論值相比較 (注：待測(cè)激光器的腔長由實(shí)驗(yàn)室給出)。提示：本實(shí)驗(yàn)使用的He-Ne激光器發(fā)出的激光的偏振態(tài)有兩

29、個(gè)，它們互相垂直，相互獨(dú)立。只有偏振態(tài)相同的縱模的間隔才符合（2-3）式。因此測(cè)量縱模間隔需要判斷哪些模對(duì)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，以便確定在同一縱模序數(shù)內(nèi)哪個(gè)模是基橫模，哪些模是高階橫模。提示：激光器剛開啟時(shí)，放電管溫度逐漸升高，腔長逐漸增大，根據(jù)（2-2）式，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(dòng)，所以，其反方向就是示波器熒光屏上頻率增加的方向。13測(cè)出不同橫模的頻率間隔，并與理論值相比較，檢查辨認(rèn)是否正確，確定的數(shù)值。（注：諧振腔兩個(gè)反射鏡的曲率半徑、由實(shí)驗(yàn)室給出）。14觀察激光束在遠(yuǎn)處光屏上的光斑形狀。這時(shí)看到的應(yīng)是所有橫模的疊加圖，需結(jié)

30、合圖2-4中單一橫模的形狀加以辨認(rèn)，確定出每個(gè)橫模的模序,既每個(gè)橫模的、值。五、思考題1觀測(cè)時(shí)，為何要先確定出示波器熒光屏上被掃出的干涉序的數(shù)目？六、注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)過程中要注意眼睛的防護(hù)，絕對(duì)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(dòng)器時(shí)，必須先將“幅度”旋鈕置于最小值（反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到底），以免將其損壞。2. 實(shí)驗(yàn)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(fù)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(cè)”有鋸齒波輸出；4調(diào)節(jié)

31、“掃描幅度”旋鈕，改變“鋸齒波輸出”和“鋸齒波監(jiān)測(cè)”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)”，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(jī)。注意事項(xiàng):1該電源負(fù)載為壓電陶瓷類的高阻元件。不適用低阻負(fù)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(hào)輸出切勿短路，否則損壞電路。4 該儀器出現(xiàn)問題，及時(shí)與廠家聯(lián)系，不得自行拆卸；六、注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)過程中要注意眼睛的防護(hù)，絕對(duì)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(dòng)器時(shí)，必須先將“幅度”旋鈕置于最小值（反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到底），以免將其損壞。四.

32、氦氖激光器橫模模式及輸出特性觀測(cè)與測(cè)量1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 利用CCD觀測(cè)單橫模與多橫模氦氖激光器橫模模式光斑 2. 利用CCD測(cè)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(jì)算光束輸出特性方法2. 實(shí)驗(yàn)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(chǎng)分布。將垂直于電磁場(chǎng)傳播方向平面內(nèi)的電磁場(chǎng)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(duì)于諧振腔內(nèi)通常所存在的厄米高斯光束，激光的模式用來表示，其中，、為橫模的標(biāo)記，為縱模的標(biāo)記。是沿X 軸場(chǎng)強(qiáng)為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)，是沿Y 軸場(chǎng)強(qiáng)為零的節(jié)

33、點(diǎn)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(shí)不同橫模間存在模式簡(jiǎn)并(不同橫模具有相同的振蕩頻率).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(cè)激光橫模光強(qiáng)分布相結(jié)合的方法確定。本實(shí)驗(yàn)將利用CCD相機(jī)對(duì)激光橫模光強(qiáng)分布加以判斷，同時(shí)還將對(duì)單模氦氖激光輸出特性進(jìn)行測(cè)量。對(duì)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z處的光斑半徑可以表示為: 1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(dá)式為: 2從一式可以看出，光斑半徑隨z按

34、雙曲線規(guī)律變化，雙曲線的兩條漸近線間夾角被稱為基膜高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，可表示為： 3可以證明，當(dāng)取測(cè)量點(diǎn)時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角可以近似表示為：上式中，為z處光斑半徑，可以證明用該值表示遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角誤差小于1%.遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角還可以表示為: 上式中, 和為z1和z2處的光斑半徑，z1、z2>7f。實(shí)驗(yàn)中，利用CCD相機(jī)可以測(cè)得基模高斯光束光斑半徑，根據(jù)以上兩式就可以測(cè)得光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。3. 實(shí)驗(yàn)儀器4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:一. 測(cè)量單模激光輸出特性1. 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(tái)平行，具體方法為(與縱模模式觀測(cè)相同)：調(diào)節(jié)激光器高度，使其與掃描干涉儀

35、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(tái)螺旋測(cè)微器旋鈕，調(diào)節(jié)光闌左右位置，上下移動(dòng)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(dòng)到遠(yuǎn)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(dòng)時(shí)，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，使其與光束等高，連接CCD電源，并將CCD輸出信號(hào)線連接到計(jì)算機(jī)上，將CCD移動(dòng)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(jì)算機(jī)屏幕上找到激光光斑,

36、測(cè)量光斑的直徑,記錄CCD在導(dǎo)軌上的位置.3.改變CCD的位置,每隔5cm測(cè)量不同位置光斑的大小，測(cè)量8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)4. 選擇某一位置，在計(jì)算機(jī)內(nèi)記錄存儲(chǔ)光斑形狀，打印后粘貼在實(shí)驗(yàn)報(bào)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(dú)講解）二. 觀測(cè)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(qiáng).2. 利用光闌調(diào)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(jì)算機(jī)屏幕上.4. 在C

37、CD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(qiáng)分布初步判定激光輸出是否是單模.5. 存儲(chǔ)記錄光斑圖像,答應(yīng)后貼在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上.(與單模貼在一起)五. 半導(dǎo)體激光泵浦固體被動(dòng)調(diào)Q激光器一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 訓(xùn)練半導(dǎo)體激光泵浦固體激光的裝調(diào)2. 測(cè)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(jiǎn)稱DPL），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(diǎn)，在光通信、激光雷達(dá)、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

38、發(fā)展方向。本實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jiǎn)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。端面泵浦耦合通常有直接耦合和間接耦合兩種方式。本實(shí)驗(yàn)采用端面泵浦方式。圖2為利用透鏡組對(duì)于LD發(fā)射光束進(jìn)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(duì)快軸方向發(fā)散光束進(jìn)行準(zhǔn)直，壓縮發(fā)

39、散角，然后采用組合透鏡對(duì)泵浦光束進(jìn)行整形變換，各透鏡表面均鍍對(duì)泵浦光808 nm的增透膜，耦合效率較高。圖.1 LD發(fā)射光束空間分布示意圖 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(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q,其中被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)具有本實(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(jiǎn)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的工作原理為：圖3為Cr4+:YAG能級(jí)結(jié)構(gòu)圖，激發(fā)態(tài)能級(jí)E1與基態(tài)E0間能級(jí)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(shí),處于基態(tài)E0能級(jí)的原子吸收振蕩光子能量向E1能

40、級(jí)躍遷，Cr4+:YAG晶體對(duì)于激光有吸收作用，且吸收率與腔內(nèi)光強(qiáng)的大小有關(guān)（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，增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度較小，腔內(nèi)光強(qiáng)較弱，Cr4+:YAG內(nèi)大部分原子處于基態(tài)E0能級(jí)，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(shí)，諧振腔增益等于諧振腔損耗時(shí)，激光開始振蕩，此時(shí)由于在Cr4+:YAG內(nèi)，大部分原子仍處于基態(tài)E0能級(jí)，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(jìn)一步

41、作用，腔內(nèi)光子數(shù)不斷增加，基態(tài)E0能級(jí)原子在受激吸收作用下躍遷到激發(fā)態(tài)能級(jí)E1，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)E0能級(jí)原子被抽空時(shí)，可飽和吸收體的透過率最大，達(dá)到飽和。此時(shí)，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(dá)到最大值時(shí)，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(shí)，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(dòng)調(diào)Q基本原理，Cr4+:YAG實(shí)際能級(jí)結(jié)構(gòu)要比圖3復(fù)雜。 (a) (b)圖3可飽和吸收體能級(jí):

42、 (a) 振蕩初始階段; (b) 能級(jí)達(dá)到飽和3. 實(shí)驗(yàn)儀器圖4 被動(dòng)調(diào)Q激光裝置示意圖圖4為LD泵浦Cr4+:YAG被動(dòng)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？)。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 。4. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.

43、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，并使窗口表面反射光束回到準(zhǔn)直光源出光口。2. 將Nd:YAG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(shí)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?？紤]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(gè)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，

44、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(dòng)Q晶體。調(diào)節(jié)腔鏡使腔鏡兩表面內(nèi)表面凹反射光束回到準(zhǔn)直光源出光口，同時(shí)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(dòng)電源，緩慢增加電流至0.8 安，調(diào)節(jié)輸出鏡，同時(shí)用紅外探片觀測(cè)激光器是否出光，出光后調(diào)節(jié)腔鏡使出光變強(qiáng)，然后將激光功率計(jì)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(cè)功率較低輸出光斑，當(dāng)輸出功率較高時(shí)，禁止將探片對(duì)準(zhǔn)激光，以防止探片被燒毀）6. 降低LD驅(qū)動(dòng)電流，測(cè)量閾值，然后緩慢曾將電流每個(gè)0.2 A記錄輸出功

45、率，直至驅(qū)動(dòng)電流至1.8 A。將測(cè)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激勵(lì)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(shí)可將準(zhǔn)直光源去除。（1064nm激光長期打在準(zhǔn)直光源內(nèi)對(duì)光源有損害）8.將激光功率計(jì)和光電探測(cè)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(cè)器觀測(cè)及光輸出，當(dāng)有激光輸出時(shí)，移動(dòng)功率計(jì)使激光射入功率計(jì)，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(dòng)電流，測(cè)量閾值，比較加入Cr4+:YAG晶體前后閾值變化；移去功率計(jì)，調(diào)節(jié)光電探

46、測(cè)器使激光束入射到探測(cè)器中心，根據(jù)示波器輸出激光脈沖的幅值，微調(diào)探測(cè)器，使激光脈沖最大；增大電流，每隔0.2 A測(cè)量輸出功率、激光脈沖的頻率和脈沖寬度，同時(shí)計(jì)算峰值功率，設(shè)計(jì)表格將上述測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)記錄在表格內(nèi)。六. 綠光倍頻激光實(shí)驗(yàn)一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握半導(dǎo)體泵浦綠光固體激光器的裝調(diào)2. 測(cè)量綠光倍頻激光器輸出特性二. 原理當(dāng)一束波長為1.06m的激光通過倍頻晶體后發(fā)現(xiàn)有0.53m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(chǎng)時(shí)，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(shí)

47、候，光波電磁場(chǎng)（主要是電場(chǎng)）要和帶電粒子發(fā)生相互作用，即電場(chǎng)引起介質(zhì)極化。在光波電場(chǎng)作用下，分子或原子的正負(fù)電荷重心分離，從而呈現(xiàn)電性。因?yàn)楣獠姶艌?chǎng)的頻率非常高，電場(chǎng)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(dòng)，這樣，在物質(zhì)內(nèi)部就形成一個(gè)個(gè)迅速振動(dòng)著的偶極子。不斷振動(dòng)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(qiáng)，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(qiáng)度P，它表示單位體積內(nèi)由外電場(chǎng)引起的偶極矩之和，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電極化強(qiáng)度與電場(chǎng)成正比，即P=E（z，t） (1)

48、希臘字母，音（kei）為電極化系數(shù)。E可以是直流電場(chǎng)，在此實(shí)驗(yàn)情況中，它是光波電場(chǎng)：E（z，t）=cos（t-kz） (2)式中為光波電場(chǎng)振幅，為光波角頻率（=2，為光頻）。k為光波矢量（k=，n為介質(zhì)折射率，為波長）。光在Z方向傳播。將（2）式代入（1）式得P=cos（tkz） (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(huì)與入射波的頻率相同。但是，當(dāng)光很強(qiáng)時(shí)，在（1）式中還應(yīng)考慮到非線性極化，于是P=（1）E +（2）E2 +（3）E3 +。 (4)式中

49、（1）、（2）、（3）分別叫作一次、二次、三次極化系數(shù)；（1）即為（1）式中的，所以也稱為線性極化系數(shù)。（4）式中第二、三等項(xiàng)稱為非線性項(xiàng)。一般地說，每后面一項(xiàng)比前一項(xiàng)小得多，當(dāng)E足夠大時(shí)，非線性項(xiàng)就變得可觀了，比如（4）式中第二項(xiàng)，既二次極化就會(huì)產(chǎn)生可觀察到的效應(yīng)。令 (5)將（2）式代入（5）式有t-2kz)+ (6)注意，式中出現(xiàn)頻率為2的極化波，同樣，它可以產(chǎn)生頻率為2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(qiáng)的激光束就有可能產(chǎn)生非線性極化，從而得到倍頻光，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=2k1 （7）式中k1和k2分別為基波和二次諧波

50、的波矢，由（7）式可以得到： n2=n1 （8）這里n2和n1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(qiáng)從而得到強(qiáng)的倍頻光。在各項(xiàng)同性介質(zhì)中，（8）式是無法滿足的，因?yàn)樯?，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(fù)單軸晶體對(duì)基波和諧波的折射率曲面。由圖可見，波矢在與光軸成的角度時(shí)，二次諧波e光的折射率等于基波光的折射率，此角滿足下式： (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

51、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(fù)雙軸晶體，對(duì)它的相位匹配及有效非線性系數(shù)的計(jì)算，已有大量的理論研究，通過KTP的色散方程，人們計(jì)算出其最佳相位匹配角為：q=90°，f=23.3°，對(duì)應(yīng)的有效非線性系數(shù)deff=7.36×10-12V/m。倍頻過程中，1064nm基頻光向532nm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(yùn)轉(zhuǎn)方式

52、提高激光的峰值功率，以提高倍頻效率。三. 實(shí)驗(yàn)儀器圖2 倍頻實(shí)驗(yàn)裝置圖LD耦合裝置與實(shí)驗(yàn)五被動(dòng)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1. 按實(shí)驗(yàn)四中的步驟1-4調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置(不放入倍頻晶體)，注意在調(diào)整輸出鏡時(shí),由于在該實(shí)驗(yàn)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(dòng)電源，緩慢增加驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)紅外探片觀測(cè)到激光輸出時(shí)，調(diào)整腔鏡

53、使探片光斑較亮，然后降低電流，當(dāng)觀察到光斑時(shí)有時(shí)無閃爍時(shí)，再優(yōu)化腔鏡，反復(fù)進(jìn)行此過程使，激光器工作閾值最低。記錄此時(shí)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(jì)，緩慢增加電流，當(dāng)觀測(cè)到綠光時(shí)，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(jì)好的表格內(nèi)），同時(shí)用origin畫出輸出功率隨電流變化曲線。高斯光束特性參數(shù)測(cè)量（直接測(cè)量）一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 掌握測(cè)量高斯光束特性參數(shù)的基本原理 2. 掌握直接法測(cè)量高斯光束特性參數(shù)的技術(shù)方法二測(cè)量原理圖.1 高斯光束傳播示意圖如圖.1所示，激光器發(fā)射沿z軸傳播的高斯光束，取光束中心軸某點(diǎn)O作為z軸坐標(biāo)原點(diǎn)，則沿光束傳播方向任意位置的光斑半徑可以表示為： (1)式中是坐標(biāo)為z處的光斑半徑，為高斯光束的束腰半徑，為束腰位置坐標(biāo)，為光束的瑞利長度，其定義為：光斑半徑為的位置相