信息光學(xué)與激光實(shí)驗(yàn)講義最新版

”安徽科技學(xué)院信息光學(xué)與激光原理軒；/綜合實(shí)驗(yàn)講義理學(xué)院物理電子系主編：劉念2013年9月目錄TOC\o"1-5"\h\z前言 I.…信息光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)一、阿貝成像光路調(diào)節(jié)與觀測(cè) 2\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)二、低通與高通濾波相關(guān)實(shí)驗(yàn) 8\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)三、調(diào)制空間假彩色編碼實(shí)驗(yàn)與光學(xué)圖象的卷積 12實(shí)驗(yàn)四、聯(lián)合傅立葉變換相關(guān)圖像識(shí)別實(shí)驗(yàn) 1.7激光原理綜合實(shí)驗(yàn)\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)五、He-Ne激光器的調(diào)整與工藝測(cè)量 2.1\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)六、He-Ne激光器的模式分析 25\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)七、半導(dǎo)體泵浦激光原理實(shí)驗(yàn) 32\o"CurrentDocument"實(shí)驗(yàn)八、激光的相位測(cè)距 3.7.刖言本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)是合我電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)設(shè)置的特點(diǎn)，針對(duì)我院物理與電子實(shí)驗(yàn)中心儀器設(shè)備的實(shí)際情況編寫(xiě)而成。本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)分成兩個(gè)模塊，即信息光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)和激光原理綜合實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K四個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，共計(jì)八個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在編寫(xiě)過(guò)程中力求做到：實(shí)驗(yàn)?zāi)康木唧w突出，使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)基本要求和需要掌握的內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)原理敘述清楚，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中深入掌握理論依據(jù)；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟詳略得當(dāng)，使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)中逐步提高實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力；實(shí)驗(yàn)后思考題便于進(jìn)一步分析、討論、鞏固和提高。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)編寫(xiě)的過(guò)程中，編者得到理學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的熱情鼓勵(lì)和大力支持，物電系各位老師的熱情幫助，同時(shí)，其他院校的教材也為本指導(dǎo)書(shū)的編寫(xiě)提供了很好的借鑒，對(duì)此表示衷心感謝。由于編者水平有限，加之編寫(xiě)時(shí)間倉(cāng)促，書(shū)中難免有不足甚至錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)老師和同學(xué)們提出寶貴意見(jiàn)，以便不斷更新和完善。物理電子實(shí)驗(yàn)中心2013.06第一部分信息光學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一、阿貝成像光路調(diào)節(jié)與觀測(cè)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹客ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)傅里葉光學(xué)中空間頻率、空間頻譜等概念的理解;了解阿貝成像遠(yuǎn)離和透鏡孔徑對(duì)透鏡成像分辨率的影響?！緦?shí)驗(yàn)器材】塊（Li:光學(xué)平臺(tái)或?qū)к壖案郊瑝K（Li:12mm,L2：70mm;L:250mm),作為物的樣品四個(gè)，可調(diào)狹縫光闌，各種形狀模板，屏板和毛玻璃?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.二維傅里葉變換設(shè)有一個(gè)空間二維函數(shù)g(x,y)，其二維傅里葉變換為G(fx，fy)Fg(x,y)g(x,y)expi2(fxXfyy)dxdy (1.1)式中fx,fy分別為x,y方向的空間頻率，其量綱為L(zhǎng)-1，而g(x,y)又是G(fx,fy)的逆傅里葉變換，即g(x,y)F-1G(fx，fy) G(fx,fy)expi2(fxXfyy)dfxdfy (1.2)式(1.2)表示任意一個(gè)空金函數(shù) g(x,y)，可以表示為無(wú)窮多個(gè)基元函數(shù)ex3i2(fxXfyy)的線性疊加，G(fx,fy)dfxdfy是相應(yīng)于空間頻率為fx,fy的基H1-1元函數(shù)的權(quán)重，G(fx,fy)稱(chēng)為g(x,y)的空間頻率。H1-1當(dāng)g(x,y)是一個(gè)空間周期性函數(shù)時(shí)，其空間頻率是不連續(xù)的離散函數(shù)。2.光學(xué)傅里葉變換理論證明，如果在焦距為F的會(huì)聚透鏡的前焦面上放一振幅透過(guò)率為 g(x,y)的圖象作為物，并以波長(zhǎng)為入的單色平面波垂直照明圖象，則在透鏡后焦面(x',y')上的振幅分布就是g(x,y)的傅里葉變換G(fx,fy)，其中fx,fy與坐標(biāo)x',y'的關(guān)系為x' Y'fx—,fy— (1.3)故x'-y'面稱(chēng)為頻譜面(或傅氏面)，見(jiàn)圖1-1，由此可見(jiàn)，復(fù)雜的二維傅里葉變換可以用一透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)為光學(xué)傅里葉變換，頻譜面上的光強(qiáng)分布則為G(fx,fy)2，稱(chēng)為頻譜，也就是物的夫瑯禾費(fèi)衍射圖。3?阿貝成像原理阿貝在1873年提出了相干光照明下顯微鏡的阿貝成像原理，他認(rèn)為，在相干的光照明下，顯微鏡的成像可分為兩個(gè)步驟：第一步是通過(guò)物的衍射光在物鏡后焦面上形成一個(gè)衍射圖，第二步則為物鏡后面上的衍射圖復(fù)合為(中間)像，這個(gè)像可以通過(guò)目鏡觀察到。成像的這兩個(gè)步驟本質(zhì)上就是兩次傅里葉變換，第一步把物面光場(chǎng)的空間分布g(x,y)變?yōu)轭l譜面上空家頻率分布G(fx,fy)，第二步則是再作一次變換，又將G(fx,fy)還原到空間分布g(x,y)。圖1-2顯示了成像的這兩個(gè)步驟，為了方便起見(jiàn)，我們假設(shè)是一個(gè)一維光柵,單色平行光照在光柵上，經(jīng)衍射分解成為不同的很多束平行光相應(yīng)于一定的空間頻率)，經(jīng)過(guò)物鏡分別聚焦在后焦面上形成點(diǎn)陣，然后代表不同空間頻率的光束又重新在像平面上復(fù)合而成像。銀平面S1-2如果這兩傅氏變換完全是理想的，即信息沒(méi)有任何損失，則像的物應(yīng)完全相似(可能有放大或縮小)，但一般說(shuō)來(lái)像和物不可完全相似，這是由于透鏡的孔徑是有限的，總有一部分衍射角度較大的高次成分(高頻信息) ，不能進(jìn)入到蕪菁而被丟失了，所以像的信息總是比物的信息要少一些，高頻信息主要反映了物的細(xì)節(jié)，如果高頻信息受到了孔徑的限制而不能到達(dá)像平面， 則無(wú)論顯微鏡有多大的放大倍數(shù)，也不可能在像平面上顯示出這些高頻信息所反映的細(xì)節(jié)， 這是下痿竟分辨率受到限制的根本原因，特別當(dāng)物的結(jié)構(gòu)非常精細(xì)（如很密的光柵）或物鏡孔非常小時(shí)，有可能只有0級(jí)衍射（空間頻率為0）能通過(guò)，則在像平面上就完全不能形成像，為加深對(duì)上述內(nèi)容的理解，可參閱 “光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)”。【實(shí)驗(yàn)步驟】光路調(diào)節(jié)本實(shí)驗(yàn)基本光路圖1-3所示，其中透鏡L1（焦距F1）、L2（焦距F2）組成倒裝置望遠(yuǎn)系統(tǒng)。將激光擴(kuò)展成具有較大截面的平行光束，L（焦距為F）則為成像透鏡，調(diào)節(jié)步驟如下：（1）調(diào)節(jié)激光管的仰角及轉(zhuǎn)角，使光束平行于光學(xué)平臺(tái)水平面（2） 放上L1和L2使產(chǎn)生一擴(kuò)束的平行光并調(diào)節(jié)它們共軸。怎樣檢驗(yàn)L2出來(lái)的光是否平行光？如L1的焦距為12mm，L2焦距72mm，則擴(kuò)束多少倍？（3）放上物（帶光柵的“光”字）及透鏡L,調(diào)節(jié)它們共軸，調(diào)節(jié)L位置,使大于4m距離的屏上得到清晰的圖象，固定物及透鏡 L位置。（調(diào)節(jié)成像

時(shí)，可在物面前暫放一毛玻璃，以便在擴(kuò)展光照明下，找到成像的精確位置(4)確定頻譜面位置，去掉物，用毛玻璃在L后焦面附近移動(dòng)，當(dāng)毛玻璃散射產(chǎn)生的散斑達(dá)到最大線度時(shí)，毛玻璃上光點(diǎn)最小，此毛玻璃所在平面就是頻譜面，將濾波器支架放在此平面上。-3-10123阿貝成像原理實(shí)驗(yàn)-3-10123阿貝成像原理實(shí)驗(yàn)(1)在物平面放上一維光柵，像平面哂納感看到沿垂方向的光柵條紋，頻譜面上出現(xiàn)0，土1，±2，±3，…一排清晰衍射光點(diǎn)，如圖1-4中A所示，測(cè)量1，2，3，級(jí)衍射點(diǎn)與光軸(0級(jí)衍射)的距離x'由式(1-3)求出相應(yīng)空間頻率fx并求光柵的基頻。位置x'/mm空間頻率fx/mm-1一級(jí)衍射二級(jí)衍射三級(jí)衍射在傅氏面上放上可調(diào)狹縫及其他附加光闌，按圖 1-4中A，B，C，D，E分別通過(guò)一定的空間頻率成分，按下表依次記錄像面上的特點(diǎn)及條紋間距，特別注意觀察D和E兩條件下圖像的差異，并對(duì)圖象變化出適當(dāng)?shù)慕忉?。通過(guò)的衍射 圖象情況 簡(jiǎn)要解釋A全部B0級(jí)C0，±1級(jí)D0，±2級(jí)E除0級(jí)外（3）取下物面上的一維光柵，換上一個(gè)二維正交光柵，則在頻譜面上可看到二維離散的光點(diǎn)陣即正交光柵的頻譜），像面上可以看到放大了的正交光柵的像，測(cè)出像面上的網(wǎng)格間距。（4）依次在頻譜面上放上小孔及不同取向的狹縫光闌（如圖1-5），使頻譜面上一個(gè)光點(diǎn)或一排光點(diǎn)通過(guò)，觀察并記錄像面上的變化，測(cè)量像面上的條紋間距，并作出相應(yīng)的解釋。⑸ co ⑻圏1?5【思考題】根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，你如何理解顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)？為什么說(shuō)一定孔徑物鏡只能具有有限的分辨本領(lǐng)？如增大放大倍數(shù)能否提高一起的分辨本領(lǐng)?實(shí)驗(yàn)二、 低通與咼通濾波相關(guān)實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹窟M(jìn)一步理解阿貝成像原理，掌握二次成像方法。了解光學(xué)低通與高通濾波器的實(shí)驗(yàn)原理及方法。【實(shí)驗(yàn)器材】光學(xué)平臺(tái)或?qū)к壖案郊?，He-Ne激光器，會(huì)聚透鏡三塊(Li:12mm,L2：70mm；L:250mm)，作為物的樣品四個(gè)，可調(diào)狹縫光闌，各種形狀模板，屏板和毛玻璃?！緦?shí)驗(yàn)原理】本實(shí)驗(yàn)是在阿貝成像實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。阿貝成像原理參見(jiàn)實(shí)驗(yàn)一。概括地說(shuō)，阿貝成像過(guò)程分兩步：先是“衍射分頻”，然后是“干涉合成”。所以如果著手改變頻譜，必然引起像的變化。在頻譜面上作的光學(xué)處理就是空間濾波。最簡(jiǎn)單的方法是用各種光欄對(duì)衍射斑進(jìn)行取舍， 達(dá)到改造圖像的目的。例如對(duì)圖2-1(a)所示兩種具有不同透過(guò)函數(shù)t(x)的光柵(物)，分別如圖(b)所示遮擋其頻譜的不同部位，在像面上就會(huì)有圖(c) (d)(e)那樣不同的振幅分布、光強(qiáng)分布和圖像效果。圖中左列讓頻譜的零級(jí)和±1級(jí)通過(guò)，像中條紋界限不如原物那樣清晰，而且在暗條中間還有些亮；右列擋住零級(jí)頻譜， 圖像對(duì)比度發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即原物不透光部分變得比透光部分還要明亮， 柵線的邊界變成細(xì)銳黑線。圖2-1空間濾波舉例限制高頻成分的光欄(如圖2-1左方)構(gòu)成低通濾波器，它能減輕圖像的顆粒效應(yīng)。圖右方的光欄只阻擋了低頻成分而讓高頻成分通過(guò)，稱(chēng)高通濾波器。高通濾波限制連續(xù)色調(diào)而強(qiáng)化銳邊，有助于細(xì)節(jié)觀察。高級(jí)的濾波器可以包括各種形狀的孔板、吸收板和移相板等?！緦?shí)驗(yàn)步驟】高低通濾波（1）將正交光柵與一個(gè)透明的“光”字重疊在一起作為物（見(jiàn)圖2-2（a））.通過(guò)透鏡L成像在像平面上E2-2 圏（2） 用毛玻璃L后焦面上物的空間頻譜，光柵為一周期性函數(shù)，其頻譜是有規(guī)律排列的離散點(diǎn)陣，而字跡不是周期性函數(shù)，它的頻譜是連續(xù)的，一般不容易看清楚，由于光字筆畫(huà)較粗，其空間低頻成分較多，因此頻譜面的光軸面的光軸附近只有光字信息而沒(méi)有網(wǎng)格信息。（3）將一個(gè) 1mm的圓孔光闌放在L后面焦面的光軸上，則像面上圖象發(fā)生變化，記錄變化的特征，換一個(gè) 0.3mm的圓孔光闌，圖像又有和變化？（4） 如果網(wǎng)格為12條/mm，字的筆畫(huà)粗為0.5,從理論上計(jì)算，要使網(wǎng)格消失和字跡模糊濾波器應(yīng)有的空徑，并解釋上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（5） 將頻譜面上光闌作一平移，使不在光軸上的一個(gè)衍射點(diǎn)通過(guò)光闌（參看圖2-3），此時(shí)在像面上有何現(xiàn)象？（6） 換一漏光“十”字板作為物（見(jiàn)圖2-2（b））,并使之成像。（7）在透鏡L的后焦面上放一圓屏光闌擋去空間頻譜的中心部分， 觀察記錄像面上的變化?！舅伎碱}】本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中以激光作為光源，有什么優(yōu)越性？如以鈉光或白熾燈代替激光，會(huì)產(chǎn)生什么困難，應(yīng)采取什么措施？我們?cè)玫蜑V波器去了圖2-2中的網(wǎng)格而保留了“光”字，試設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器能濾去字跡而保留網(wǎng)格。實(shí)驗(yàn)三、 調(diào)制空間假彩色編碼實(shí)驗(yàn)與光學(xué)圖象的卷積【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.掌握調(diào)制法假彩色編碼與光學(xué)圖像卷積的原理，鞏固和加深對(duì)光柵衍射基本理論的理解；2?掌握調(diào)制法進(jìn)行空間假彩色編碼和光學(xué)圖像卷積的方法，并做出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加深對(duì)阿貝成像理論和空間頻率濾波的理解?！緦?shí)驗(yàn)器材】光學(xué)平臺(tái)或?qū)к壖案郊?，He-Ne激光器，會(huì)聚透鏡三塊(Li:12mm,L2：70mm；L:250mm)，作為物的樣品四個(gè)，可調(diào)狹縫光闌，各種形狀模板，屏板和毛玻璃?！緦?shí)驗(yàn)原理】B調(diào)制法假彩色編碼是阿貝二次衍射成像理論的一種巧妙的應(yīng)用。它是先用不同的光柵分別調(diào)制圖像的不同部分，制成B調(diào)制片(或稱(chēng)光柵調(diào)制片) ，然后將其置于4f系統(tǒng)的輸入面上，并用白光照明。在頻譜面上進(jìn)行適當(dāng)?shù)目臻g濾波處理，便可在輸出面上得到假彩色圖像。在一透鏡前方放置一塊柵線平行等距的光柵， 當(dāng)用一束單色平行光垂直照明時(shí)，在透鏡的后焦面（即頻譜面）上會(huì)形成光柵衍射的離散頻譜點(diǎn)，其排列方向垂直于光柵柵線的方向。果有一個(gè)二維圖像，其不同部位受到方向不同的光柵的調(diào)制，則頻譜面上頻譜點(diǎn)的分布也對(duì)應(yīng)于不同的方向。若擋住任一方向的頻譜點(diǎn)，則與其對(duì)應(yīng)的那部分圖像就會(huì)消失。可見(jiàn)，輸入圖像中的各個(gè)部分的頻譜，只存在于調(diào)制光柵的頻譜點(diǎn)附近，這顯然是由于各部分圖像頻譜與其對(duì)應(yīng)的調(diào)制光柵的頻譜卷積的結(jié)果。如果用白光光源照明B調(diào)制片，則在頻譜面上得到色散的彩色譜斑。每個(gè)彩色譜斑的顏色分布都是從外向內(nèi)按照紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫的順序變化。這種現(xiàn)象是易于理解的，因?yàn)楣鈻叛苌浣堑拇笮∨c入射角的波長(zhǎng)有關(guān)。紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，故衍射角最大，分布在最外；而紫光的波長(zhǎng)最短，故衍射角最小，分布在最里。如果在頻譜面上放置一個(gè)空間濾波器，讓不同方位的譜斑通過(guò)不同的顏色，則在像面上可以得到彩色像。由于這種方法是利用不同方位的光柵 （彼此轉(zhuǎn)動(dòng)了B角）對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)制，因此稱(chēng)其為B調(diào)制技術(shù)。又因?yàn)樗菍D像中不同空間部位編上不同的顏色，故又稱(chēng)空間假彩色編碼。B 調(diào)制空間假彩色編碼就是通過(guò)B調(diào)制的處理手段，“提取”白光中所包含的彩色，再“賦予”圖像而形成的。下面我們就上述原理進(jìn)行物理與數(shù)學(xué)描述；以4f系統(tǒng)和正弦光柵調(diào)制為例，如圖3-1所示，信號(hào)t（x1,y1）置于輸入平面P1上，在其后緊貼一正弦光柵，后者的振幅頻率為：-co3（2nvxl）垃2 」 （3-1）圖3-1白光處理系統(tǒng)式中，V為光柵頻率。在單位振幅的準(zhǔn)直白光照射下，光柵后表面上的傅振甫分布為：tO^yl〕『t(xl,yl)[|cos(2jivx1)1 1 1=-t(xXyl)[l+-評(píng)如+-e子2]Zjj ￡1 ￡在頻譜面上的空間頻譜分布為：卩@右)="氐坊[毗Q中憶—嫁+討伍乜功錯(cuò)誤!未找到引用源。將錯(cuò)誤!未找到引用源。代入上式，得：嚴(yán)2咒、1嚴(yán)◎1儼y?A1fx?y2\f07不HTby石丿卩彷-u萬(wàn)丿+卩1萬(wàn)z萬(wàn)丿式中，第一項(xiàng)代表物的零級(jí)頻譜，第二、三項(xiàng)分別是物的土i級(jí)譜帶，每一個(gè)譜帶中心位于燿S『處，色彩呈彩虹。各個(gè)波長(zhǎng)的零級(jí)物中心位置都是相同的。間隔為-=2-＜的兩種色光，其±1級(jí)譜的中級(jí)譜的中心在x2軸上的偏

移量為Z,設(shè)物的空間頻帶寬度為 Wt,則其在x2軸上的空間寬度為莊斎.-逐心雷而不同波長(zhǎng)物譜能夠分離的條件是一匸--',由此求得:式中，錯(cuò)誤!未找到引用源。為平均波長(zhǎng)。顯然，只要光柵頻率v遠(yuǎn)大于物頻的帶寬Wt，就可以忽略各波長(zhǎng)頻譜間的重疊，從而可以在頻譜面上對(duì)一系列取離散值得波長(zhǎng)，像相干處理系統(tǒng)那樣進(jìn)行濾波操作。【實(shí)驗(yàn)步驟】1.調(diào)制實(shí)驗(yàn)(1)本實(shí)驗(yàn)光路如圖3-2所示，以白熾燈為光源，燈前放小孔S,聚光透鏡Li將S成像于透鏡L2前面的P2面上，物放在緊靠Li的Pi平面上，經(jīng)L2成像與屏幕P3上，此光路中頻譜面是光源的成像面，即P2平面。 圖3-2(2)作為物的樣品由薄膜光柵制成，樣品上的花、葉、盆等各部位光柵具有不同取向，相同角為60。，如圖3-3(a)所示。(3)將上述樣品放在Pi平面，在P2面上可看到光柵的衍射圖，三行不同取向的衍射光斑相應(yīng)于不同取向的光柵(見(jiàn)圖3-3(b)),這些衍射極大值除0級(jí)以外均有色散。(4)調(diào)節(jié)P2面上濾波器，使像面P3上花瓣呈紅色，花葉呈綠色，而花盆與花蕊則為黃色(圖3-3(c))。3 ⑹ （町圖3-32.卷積現(xiàn)象的觀察用激光束分別照在20條/mm和200條/mm的兩個(gè)正交光柵上，觀察各自的空間功率譜（即夫瑯禾費(fèi)衍射圖），將兩光柵重疊起來(lái)，觀察并記錄其頻譜特點(diǎn)，先后轉(zhuǎn)動(dòng)兩光柵之一，頻譜面上有何變化？（根據(jù)傅里葉變換的卷積定理可解釋觀察到的現(xiàn)象）?！舅伎碱}】1.試用卷積定理解釋高、低通濾波實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及B調(diào)制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)四、聯(lián)合傅立葉變換相關(guān)圖像識(shí)別實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹??深入理解傅立葉變換相關(guān)內(nèi)容2.學(xué)會(huì)搭建光路，了解目標(biāo)識(shí)別和圖像識(shí)別的方法【實(shí)驗(yàn)器材】傅立葉聯(lián)合實(shí)驗(yàn)儀計(jì)算機(jī)導(dǎo)軌各類(lèi)透鏡等【實(shí)驗(yàn)原理】實(shí)驗(yàn)通過(guò)激光作用使待識(shí)別圖像(如待識(shí)別指紋、文字標(biāo)識(shí))和參考圖像(如參考指紋、文字標(biāo)識(shí))分別產(chǎn)生相應(yīng)的像經(jīng)透鏡傅立葉變換后在譜面形成復(fù)振幅分布，經(jīng)平方律介質(zhì)或器件(如本實(shí)驗(yàn)采用的高分辨率的 CCD和液晶顯示器LCD)將其轉(zhuǎn)換為功率譜，然后觀察者可通過(guò)相關(guān)輸出觀看待識(shí)別圖像和參考圖像形成的亮斑(相關(guān)峰)的亮暗和彌散度來(lái)判斷二者的相關(guān)程度，從而達(dá)到識(shí)別待測(cè)物的目的。圖4-1如圖4-1f(x,y)、g(x,y)分別為待識(shí)別像、參考像在透鏡中的透過(guò)率，則經(jīng)透鏡的傅立葉變換后在譜面uv上形成復(fù)振幅分布：2S(u,v) f(xa,y)g(xa,y)expixuyvdxdy

expi2fauF(u,v)expi2fauF(u,v)expauG(u,v)式中F、G分別是f,g的傅立葉變換。實(shí)驗(yàn)中圖像最終判別依據(jù)原理：經(jīng)平均律介質(zhì)即本實(shí)驗(yàn)高分辨率CCD和液晶顯示器LCD轉(zhuǎn)換后，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)最終在顯示器上呈現(xiàn)亮斑（相關(guān)峰）。從光學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，聯(lián)合變換的功率譜為楊氏條紋，通過(guò)傅立葉轉(zhuǎn)換后形成0級(jí)和1級(jí)亮斑。如果兩圖像相同干涉加強(qiáng)，形成“峰”的亮度大，若兩者部分相同“峰”呈現(xiàn)較暗彌散狀態(tài)，若不相同，則不形成“峰”。從而可以此達(dá)到判別目的。另外本實(shí)驗(yàn)采用空間光調(diào)制器CCD'LCD對(duì)形成的復(fù)振幅進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換形成功率譜，其主要原理是通過(guò)電尋址法進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，達(dá)到轉(zhuǎn)光信號(hào)為電信號(hào)的目的。【實(shí)驗(yàn)步驟】搭建光路系統(tǒng)、對(duì)光路系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試及最后圖像的判別。實(shí)驗(yàn)中搭建光路系統(tǒng)是最主要的內(nèi)容，其中搭建馬赫-曾德干涉系統(tǒng)最為關(guān)鍵。馬赫一曾德干涉系統(tǒng)組成了本實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)的和心部分， 其組成元件主要如圖4-2中的7-15。具體實(shí)驗(yàn)操作分為以下三個(gè)步驟：

i+賓機(jī)（功率譜）ccon分光:境［1CCDI反時(shí)憧UZ■/13牙光i+賓機(jī)（功率譜）ccon分光:境［1CCDI反時(shí)憧UZ■/13牙光fsm 目標(biāo)用常6AB4-21.調(diào)節(jié)He-Ne激光器及相關(guān)元件是最終在A出形成光斑直徑大小為10mm并1.經(jīng)準(zhǔn)直的均勻柔和的光斑。2.在I光束中的調(diào)整1)搭建馬赫-曾德干涉系統(tǒng)（如圖4-2光路）。（a2.在I光束中的調(diào)整1)搭建馬赫-曾德干涉系統(tǒng)（如圖4-2光路）。（a）將分光鏡I放在兩光束的交匯處A。通過(guò)調(diào)節(jié)元件激光器及相關(guān)元件，使光線在A處完全重合。（b）旋轉(zhuǎn)分光鏡川使得透射光斑和反射光斑在較遠(yuǎn)處重合 （可在元件12和13之間放置一傅里葉透鏡，通過(guò)調(diào)節(jié)12的俯仰微調(diào)使得透鏡后的兩聚焦點(diǎn)基本重合）。通過(guò)手動(dòng)微調(diào)使干涉圖中的干涉條紋最少。2)在馬赫-曾德干涉光路的兩個(gè)內(nèi)臂放置兩個(gè)完全相同的目標(biāo)識(shí)別物體10、11,調(diào)節(jié)它們的位置使得它們?cè)诔錾涔庵械南窕局睾?，且兩物體到分光鏡12的距離相等。3)使干涉圖經(jīng)過(guò)一傅里葉變換透鏡進(jìn)行第一次傅里葉變換。 （傅里葉變換透鏡13的負(fù)透鏡一方朝向分光片12,透鏡到目標(biāo)圖像11的距離約為f。）。4）用CCD14將聚焦像聯(lián)合變換功率譜采集下來(lái)傳輸?shù)诫娔X終端 15,通過(guò)大恒圖像軟件對(duì)電尋址液晶空間調(diào)制器17進(jìn)行調(diào)制。3.在II光束中的調(diào)整在空間光調(diào)制器17前后各放一個(gè)偏振片，調(diào)節(jié)16使通過(guò)的光信號(hào)最大，再旋轉(zhuǎn)18使其偏振態(tài)與16正交。在18后面放一傅里葉變換透鏡19,且透鏡19到空間調(diào)制器17的距離約為f。用CCD20采集相關(guān)輸出信息，傳到顯示終端21上。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得到了完整的光譜圖，有光譜圖上不難判別出待識(shí)別目標(biāo)和參考物的相關(guān)程度第二部分激光原理與技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五、He-Ne激光器的調(diào)整與工藝測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、 理解激光諧振原理，掌握激光諧振腔的調(diào)節(jié)方法。2、 掌握激光傳播特性的主要參數(shù)的測(cè)量方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】氣體激光器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、功率計(jì)等。【實(shí)驗(yàn)原理】1?氦氖激光器原理與結(jié)構(gòu)氦氖激光器（簡(jiǎn)稱(chēng)He-Ne激光器）由光學(xué)諧振腔（輸出鏡與全反鏡）、工作物質(zhì)（密封在玻璃管里的氦氣、氖氣）、激勵(lì)系統(tǒng)（激光電源）構(gòu)成。對(duì)He-Ne激光器而言增益介質(zhì)就是在毛細(xì)管內(nèi)按一定的氣壓充以適當(dāng)比例的氦、氖氣體，當(dāng)氦、氖混合氣體被電流激勵(lì)時(shí)，與某些譜線對(duì)應(yīng)的上下能級(jí)的粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益。介質(zhì)增益與毛細(xì)管長(zhǎng)度、內(nèi)徑粗細(xì)、兩種氣體的比例、總氣壓以及放電電流等因素有關(guān)。對(duì)諧振腔而言，腔長(zhǎng)要滿(mǎn)足頻率的駐波條件，諧振腔鏡的曲率半徑要滿(mǎn)足腔的穩(wěn)定條件?？傊坏膿p耗必須小于介質(zhì)的增益，才能建立激光振蕩。內(nèi)腔式He-Ne激光器的腔鏡封裝在激光管兩端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、輸出鏡及全反鏡是安裝在調(diào)節(jié)支架上的。調(diào)節(jié)支架能調(diào)節(jié)輸出鏡與全反鏡之間平行度，使激光器工作時(shí)處于輸出鏡與全反鏡相互平行且與放電管垂直的狀態(tài)。在激光管的陰極、陽(yáng)極上串接著鎮(zhèn)流電阻，防止激光管在放電時(shí)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。氦氖激光器激勵(lì)系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電路的直流電源，體積小，份量輕，可靠性高，可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。j 1痢/ “預(yù)圖5.1氣體激光器結(jié)構(gòu)【注意事項(xiàng)】1?掃描干涉儀偏壓調(diào)節(jié)操作應(yīng)緩慢，使電壓緩慢加載到壓電陶瓷上，信號(hào)輸出切勿短路，否則損壞電路，不得自行拆卸。2.避免激光直射入人眼，以免對(duì)眼睛造成損傷。【實(shí)驗(yàn)操作】1.激光器的調(diào)整與功率測(cè)量當(dāng)輸出鏡與全反鏡平行度偏離到一定程度，激光器無(wú)功率輸出。這時(shí)可用十字叉調(diào)光將激光調(diào)出，其方法是：用白熾燈照十字叉絲板，在放電管處在工作狀態(tài)時(shí)，用眼睛在十字叉絲板背后通過(guò)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)，調(diào)準(zhǔn)觀察角度，使亮白點(diǎn)與出光孔同心，然后使十字叉絲板勿動(dòng)，調(diào)節(jié)諧振腔鏡架螺紋副使十字叉絲中心與亮白點(diǎn)出光孔同心即可出光。圖5.2光腔系統(tǒng)調(diào)整圖將功率指示器放置于半外腔激光器前出口，檢測(cè)輸出功率，進(jìn)一步調(diào)節(jié)后腔鏡兩維附仰，使輸出功率最大并記錄。然后改變腔長(zhǎng)和腔鏡，監(jiān)測(cè)功率并記錄。表5.1功率監(jiān)測(cè)mW腔長(zhǎng)1腔長(zhǎng)2腔長(zhǎng)3曲率半徑1曲率半徑2曲率半徑32.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，限制了輸出光偏振態(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(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片來(lái)分析外腔He-Ne激光器激光的偏振方向。本實(shí)驗(yàn)所用半外腔HeNe激光器在輸出端設(shè)置有步儒斯特窗，因此為線偏振輸出。（1） 調(diào)整半外腔HeNe激光器穩(wěn)定出光。（2） 將偏振片垂直放入光路中，再放置激光功率指示計(jì)。（3）旋轉(zhuǎn)偏振片，觀察功率指示計(jì)的示數(shù)變化，記錄功率最大值 Pmax和Pmax最小值Pmin求出偏振比（p=Pmin），驗(yàn)證激光輸出光的偏振態(tài)。3.He-Ne激光器發(fā)散角測(cè)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(cè)量光束橫截面尺寸和發(fā)散角的必要條件。由于遠(yuǎn)場(chǎng)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)盡量延長(zhǎng)光路以保證其精確度?？梢宰C明當(dāng)距離大于 nwo2/時(shí)所測(cè)的全發(fā)散角與理論上的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角相比誤差僅在 1%以?xún)?nèi)。（1） 確定和調(diào)整激光束的出射方向。（2） 光源前方L1處垂直入射CCD靶面，通過(guò)軟件測(cè)量出相應(yīng)位置光斑直徑D10（3） 在后方L2處用同樣方法測(cè)出光斑直徑D2o由于發(fā)散角度較小，可做近似計(jì)算，2=D2-D1/L2-L1,便可以算出全發(fā)散角2。實(shí)驗(yàn)六、He-Ne激光器的模式分析【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、 了解F-P掃描干涉儀的結(jié)構(gòu)和性能，掌握其使用方法。2、 加深激光器物理概念的理解，掌握模式分析的基本方法。【實(shí)驗(yàn)儀器】氣體激光器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、F-P掃描干涉儀、示波器、功率計(jì)等?！緦?shí)驗(yàn)原理】?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(zhǎng)的光，不過(guò)是光中心波長(zhǎng)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(lèi)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632.8nm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(zhǎng)的整數(shù)倍，即:2=q （6.1）這正是光波相干極大條件，滿(mǎn)足此條件的光將獲得極大增強(qiáng)，其它則相互抵消。式中，卩是折射率，對(duì)氣體卩~1，_是腔長(zhǎng)，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)分布入q，叫一個(gè)縱模，q稱(chēng)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（6.1），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。縱模的頻率為c2T(6.2)c2T(6.2)同樣，一般我們不去求它，而關(guān)心的是相鄰兩個(gè)縱模的頻率間隔cc(6.3)FT2l(6.3)從式中看出，相鄰縱模頻率間隔和激光器的腔長(zhǎng)成反比。即腔越長(zhǎng)，Av縱越小，滿(mǎn)足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)越多；相反腔越短，Av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(zhǎng)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(guò)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(chēng)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(jiàn)的基本橫模光斑圖樣。TEN?lEMnFEHdTEMnTEMn圖6.2激光橫模圖總之，任何一個(gè)模，既是縱模，又是橫模。它同時(shí)有兩個(gè)名稱(chēng)，不過(guò)是對(duì)兩個(gè)不同方向的觀測(cè)結(jié)果分開(kāi)稱(chēng)呼而已。一個(gè)模由三個(gè)量子數(shù)來(lái)表示，通常寫(xiě)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1arccos(11/2￡)(1R1arccos(11/2￡)(1Ri(6.4)其中，Am，4n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1 Lvq1 Lvq1arccos(1 )(1R11/2(6.5)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(zhǎng)和曲率半徑?jīng)Q定。 腔長(zhǎng)與曲率半徑的比值越大，分?jǐn)?shù)值越大。當(dāng)腔長(zhǎng)等于曲率半徑時(shí)（L=R1=R2,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。?共焦球面掃描干涉儀結(jié)構(gòu)與工作原理圖6.3共焦球面掃描干涉儀.丨???”.丨???”.. F—「./7IV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(cè)量設(shè)備。實(shí)驗(yàn)中使用它，將彼此頻率差異甚?。◣资翈装?MHz），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(lái)進(jìn)行觀測(cè)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(wú)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(zhǎng)相等，R1二R2二I。反射鏡鍍有高反射膜。兩塊鏡中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6.3所示，圖中，①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)。②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(zhǎng)度將隨之發(fā)生變化，而且長(zhǎng)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(lái)掃描的基本條件。由于長(zhǎng)度的變化量很小，僅為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，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(cè)量帶來(lái)一定的誤差。【注意事項(xiàng)】掃描干涉儀偏壓調(diào)節(jié)操作應(yīng)緩慢，使電壓緩慢加載到壓電陶瓷上，信號(hào)輸出切勿短路，否則損壞電路，不得自行拆卸。避免激光直射入人眼，以免對(duì)眼睛造成損傷。該試驗(yàn)在試驗(yàn)一已經(jīng)調(diào)試出激光的基礎(chǔ)上進(jìn)行?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1?將內(nèi)腔激光器固定于導(dǎo)軌中心，并調(diào)節(jié)附仰使輸出光居中水平，取焦距最短的凸透鏡，置于出光口，此時(shí)光束被擴(kuò)散，在遠(yuǎn)處的白屏上看到放大的光斑。內(nèi)腔激光器是固定的基模，光斑光強(qiáng)呈圓對(duì)稱(chēng)高斯分布。?調(diào)整掃描干涉儀光路。首先加入光闌，使激光束從光闌小孔垂直通過(guò)，調(diào)整掃描干涉儀共焦腔上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再細(xì)調(diào)共焦腔夾持架上的兩個(gè)俯仰旋鈕，使從干涉儀入射孔內(nèi)腔鏡反射出的最亮的光點(diǎn)（光斑）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共焦腔的光軸基本重合。?將光電探測(cè)放大器的接收孔對(duì)準(zhǔn)從共焦腔后出射的光點(diǎn)（如果看到有明顯兩個(gè)光點(diǎn)出射，需要進(jìn)一步調(diào)整共焦腔的位置，使兩個(gè)光點(diǎn)合一） 。連接好各種接線，接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的電開(kāi)關(guān)，觀察示波器上的展現(xiàn)的頻譜圖，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。?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)。在鋸齒波一個(gè)下降沿（或一個(gè)上升沿）范圍內(nèi)觀察，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。?在同一干涉序k內(nèi)觀測(cè)，根據(jù)縱模定義對(duì)照頻譜特征，確定縱模的個(gè)數(shù)，并根據(jù)之前算出的每格對(duì)應(yīng)的頻率間隔值，推測(cè)出縱模頻率間隔厶 vAq=1。與公式（6.3）算出的理論值比較，檢查辨認(rèn)和測(cè)量的值是否正確。附：共焦球面掃描干涉儀的使用接好工作負(fù)載電路，用饋線接通220V電源；將掃描‘幅度、頻率、偏置’旋鈕放置中間位置。按“開(kāi)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；調(diào)節(jié)“掃描幅度”旋鈕，改變“鋸齒波輸出”和“鋸齒波監(jiān)測(cè)”的鋸齒波電壓幅度調(diào)節(jié)“偏置調(diào)節(jié)”旋鈕，可以改變偏壓值；按“偏壓開(kāi)關(guān)”，則有電壓加到鋸齒波輸出1和2上。“偏壓顯示”表頭顯示偏壓值；使用完后，按“開(kāi)關(guān)電源”按鈕，關(guān)機(jī)?！舅伎碱}】掃面干涉儀在本實(shí)驗(yàn)中的作用是什么？激光縱模與橫模產(chǎn)生的機(jī)理是什么，本實(shí)驗(yàn)是如何測(cè)量分析的？實(shí)驗(yàn)七、半導(dǎo)體泵浦激光原理實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饧す馓貏e是半導(dǎo)體激光器工作原理調(diào)節(jié)激光器光路，觀察倍頻現(xiàn)象，測(cè)量閾值、相位匹配等基本參數(shù)，加深對(duì)激光技術(shù)理解?！緦?shí)驗(yàn)儀器】808nm半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體激光器可調(diào)電源、 Nd:YVO4晶體、KTP倍頻晶體、輸出鏡（前腔片）、光功率指示儀【實(shí)驗(yàn)原理】激光產(chǎn)生原理光與物質(zhì)的相互作用可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，有三種過(guò)程：吸收、自發(fā)輻射和受激輻射。如果一個(gè)原子，開(kāi)始處于基態(tài)，在沒(méi)有外來(lái)光子，它將保持不變，如果一個(gè)能量為hv21的光子接近，則它吸收這個(gè)光子，處于激發(fā)態(tài)E2。在此過(guò)程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有當(dāng)光子的能量正好等于原子的能級(jí)間隔E1-E2時(shí)才能被吸收。

O O激發(fā)態(tài)壽命很短，在不受外界影響時(shí)，它們會(huì)自發(fā)地返回到基態(tài)，并放出光子。自發(fā)輻射過(guò)程與外界作用無(wú)關(guān)，由于各個(gè)原子的輻射都是自發(fā)的、獨(dú)立進(jìn)行的,因而不同原子發(fā)出來(lái)的光子的發(fā)射方向和初相位是不相同的。處于激發(fā)態(tài)的原子，在外的光子的影響下，會(huì)從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，并兩個(gè)狀態(tài)間的能量差以輻射光子的形式發(fā)射出去。 只有外來(lái)光子的能量正好為激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能級(jí)差時(shí)，才能引起受激輻射，且受激輻射發(fā)出的光子與外來(lái)光子的頻率、發(fā)射方向、偏振態(tài)和相位完全相同。激光的產(chǎn)生主要依賴(lài)受激輻射過(guò)程。激光器主要有：工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源組成。工作物質(zhì)主要提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。泵浦過(guò)程使粒子從基態(tài)E1抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3,E3上的粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷（該過(guò)程粒子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芑蚓Ц裾駝?dòng)能， 但不輻射光子），迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2。E2是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的能級(jí)，這樣處于E2上的粒子不斷積累，E1上的粒子又由于抽運(yùn)過(guò)程而減少，從而實(shí)現(xiàn)E2與E1能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光產(chǎn)生必須有能提供光學(xué)正反饋的諧振腔。處于激發(fā)態(tài)的粒子

由于不穩(wěn)定性而自發(fā)輻射到基態(tài)，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子各個(gè)方向都有，偏離軸向的光子很快逸出腔外，只有沿軸向的光子，部分通過(guò)輸出鏡輸出，部分被反射回工作物質(zhì)，在兩個(gè)反射鏡間往返多次被放大，形成受激輻射的光放大即產(chǎn)生激光。光學(xué)倍頻光的倍頻是一種最常用的擴(kuò)展波段的非線性光學(xué)方法激光倍頻是將頻率為光的倍頻是一種最常用的擴(kuò)展波段的非線性光學(xué)方法激光倍頻是將頻率為co的光，通過(guò)晶體中的非線性作用，產(chǎn)生頻率為 2①的光考慮電場(chǎng)的平方項(xiàng)(7.1)p((7.1)p(2)E2Efcos2tE20(1cos2t)2E E0cost(7.2)出現(xiàn)直流項(xiàng)和二倍頻項(xiàng)cos2ot，直流項(xiàng)稱(chēng)為光學(xué)整流，當(dāng)激光以一定角度入射到倍頻晶體時(shí)，在晶體產(chǎn)生倍頻光，產(chǎn)生倍頻光的入射角稱(chēng)為匹配角。倍頻光的轉(zhuǎn)換效率為倍頻光與基頻光的光強(qiáng)比，通過(guò)非線性光學(xué)理論可以得到:° L2Isin2(kl/2)(7.3)(7.3)式中L為晶體長(zhǎng)度，丨3、I23分別為入射的基頻光、輸出的倍頻光的光強(qiáng),△<=ko-2k23分別為基頻光和倍頻光的額傳播矢量【實(shí)驗(yàn)裝置】

折射率梯度透鏡濾光片輸出鏡濾光片TOC\o"1-5"\h\z808LD /If /Nd:YVO4'/ 7一KTPI準(zhǔn)直孔He-Ne激光器圖7.4實(shí)驗(yàn)裝置圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.將808nmLD固定在二維調(diào)節(jié)架上，將632.8nm紅光通過(guò)白屏小孔聚到折射率梯度透鏡上。讓632.8nm光和小孔及808nmLD在同一軸線上。.將Nd:YVO4晶體安裝在二維調(diào)節(jié)架上，將紅光通過(guò)晶體并將返回的光點(diǎn)通過(guò)小孔。.將輸出鏡（前腔片）固定在四維調(diào)節(jié)架上。調(diào)節(jié)輸出鏡使返回的光點(diǎn)通過(guò)小孔。對(duì)于有一定曲率的輸出鏡，會(huì)有幾個(gè)光斑，應(yīng)區(qū)分出從球心返回的光斑。.在Nd:YVO4晶體和輸出鏡之間插入KTP倍頻晶體，接通電源，調(diào)節(jié)多圈電位器。.產(chǎn)生532nm倍頻綠光。調(diào)節(jié)輸出鏡，LD調(diào)節(jié)架，使532nm綠光功率最大?！咀⒁馐马?xiàng)】實(shí)驗(yàn)中激光器輸出的光能量高、功率密度大，應(yīng)避免直射到眼睛。特別是532nm綠光，切勿用眼睛直視激光器的軸向輸出光束，以免視網(wǎng)膜受到永久性的傷害。.避免用手接觸激光器的輸出鏡，晶體的鍍膜面，膜片應(yīng)防潮，不用的晶體，輸出腔片用鏡頭紙包好，放在干燥器里。.激光器應(yīng)注意開(kāi)關(guān)步驟，先檢查多圈電位器是否處于最小處，再打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，逐步調(diào)整電位器，使電流逐漸增大，激光器出光。實(shí)驗(yàn)完成后，調(diào)整電位器，直到電流為零，再關(guān)閉電源。實(shí)驗(yàn)八、激光的相位測(cè)距

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹空莆占す獾奶匦约皯?yīng)用了解激光相位測(cè)距的原理及方法【實(shí)驗(yàn)儀器】光學(xué)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)軌、可調(diào)制半導(dǎo)體激光器+二維調(diào)整架(650nm25mW)、主機(jī)箱、APD附件+二維調(diào)整架、大透鏡(f=150mm)、小透鏡(f=60mm)、轉(zhuǎn)接桿、白屏(2個(gè))、導(dǎo)軌滑塊(4個(gè))、三角架【實(shí)驗(yàn)原理】激光相位測(cè)距的基本原理是以被調(diào)制激光器的調(diào)制波長(zhǎng)作為測(cè)量距離的尺子，通過(guò)測(cè)量激光在A、B兩點(diǎn)之間的相位差，來(lái)確定兩點(diǎn)之間的距離。原則上講，并不是只有激光可用于相位測(cè)距，其他一些波如超聲波也可用于距離測(cè)量，如汽車(chē)上的倒車(chē)?yán)走_(dá)。之所以采用激光，是由于其具有很好的指向性(發(fā)散角小)和高的能量密度。在激光相位測(cè)距技術(shù)中使用的激光都是被調(diào)制的，即激光強(qiáng)度是按一定頻率周期性變化的，調(diào)制方法可采用內(nèi)調(diào)制方法：如通過(guò)周期性地改變半導(dǎo)體激光器的工作電流使輸出光強(qiáng)隨之發(fā)生周期性的變化。 或外調(diào)制方法：如使激光竄過(guò)一個(gè)由起偏器、電光晶體、檢偏器組成的系統(tǒng)，并在電光晶體上施加一個(gè)按正弦波變化的電壓，通過(guò)改變激光光束的偏振態(tài)來(lái)改變光強(qiáng)。一個(gè)被頻率f的正弦波調(diào)制的激光束，其波長(zhǎng)由下式?jīng)Q定：入=C/f C為光速設(shè)想這束光從A點(diǎn)出發(fā)，到達(dá)B點(diǎn)，AB相距LL=CT=C①L=CT=C①/2Ttf=入Am)(8.1)T為光從A到B的傳輸時(shí)間，①為相位，m為總數(shù)部分，可為0、1、2、3Am為小數(shù)部分。L=Am+入△①n從8.1式和上圖中我們看到，激光的調(diào)制波長(zhǎng)被當(dāng)成了一把測(cè)量距離的尺子。我們?nèi)绻軌蛟跍y(cè)量過(guò)程中得到m和Am,就可求得L。但是，如果L遠(yuǎn)大于入，則無(wú)法直接測(cè)得m，當(dāng)然，我們可以降低調(diào)制頻率，使波長(zhǎng)變長(zhǎng)，使 L小于入，這樣m=0，我們只需測(cè)得Am就行了。但大的入，往往使測(cè)量精度變壞。為了兼顧大的測(cè)量范圍和高的測(cè)量精度，我們可能不得不使用兩種以上的波長(zhǎng)，來(lái)測(cè)量同一距離。在實(shí)際測(cè)量中我們正是這樣做的。下面我們假使一個(gè)具體的測(cè)量，看看這個(gè)方法是如何工作的：如果現(xiàn)在有一段距離需要測(cè)量，大概有幾百米（不會(huì)超過(guò)600米）。我們有一臺(tái)精度為 1%的激光相位測(cè)距儀，它有一個(gè)調(diào)制頻率為500KHZ的測(cè)量檔。根據(jù)入=C/f，調(diào)制波長(zhǎng)約為600米。用這個(gè)波長(zhǎng)測(cè)量，結(jié)果為137米，有近2米的誤差。我們?cè)儆?5MHz的另一測(cè)量檔進(jìn)行一次測(cè)量，此時(shí)，調(diào)制波長(zhǎng)為20米。測(cè)量結(jié)果為15.1米，誤差為0.2米左右。此時(shí)我們可以確定，這段距離為135.1米，誤差在0.2米之內(nèi)。第2次測(cè)量的m在這里為從上面的一個(gè)舉例中我們看到，通過(guò)兩次不同頻率測(cè)量，我們即獲得了大的測(cè)量范圍，又獲得了較高的測(cè)量精度。在實(shí)際的距離測(cè)量過(guò)程中，將激光發(fā)射器和光接受器分別放置于被測(cè)距離的兩段，往往是不方便和不現(xiàn)實(shí)的，現(xiàn)實(shí)的方法是將發(fā)射和接受同置于一端，將激光照射到另一端的目標(biāo)上，接受器接受從被照射端反射回的激光信號(hào)，如果目標(biāo)表面的光反射性能不好，比如是一個(gè)漫反射表面且反射率不高，則激光的優(yōu)勢(shì)就非常重要和突出了。為了能夠接受到盡量弱的信號(hào)，接受器一般采用光電倍增管或光電雪崩二極管。采用這種往返光路的測(cè)量結(jié)果應(yīng)該是前面分析計(jì)算的結(jié)果除以 2o本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：.發(fā)射部分：包括可見(jiàn)光半導(dǎo)體激光器及驅(qū)動(dòng)電路，可對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作電流、調(diào)制頻率、調(diào)制深度等工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和改變。通過(guò)這些變化我們可以對(duì)激光器的電光特性、閾值電流、電調(diào)制特性進(jìn)行觀察和測(cè)量。.接收部分：由于反射回的光往往非常微弱，因此，我們采用了一種高靈敏度的光電傳感器一一雪崩光電二極管（APD），作為光接受元件。APD與普通的光電二極管不同，普通的光電二極管一般工作在幾伏到幾十伏的反向偏壓下，而APD的反向偏壓一般為一二百伏，在這樣高的反向偏壓下，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)很強(qiáng)，光照產(chǎn)生的電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)作用下將得到很大的動(dòng)能,他們會(huì)碰撞出新的電子和空穴，這些新的電子和空穴又會(huì)被勢(shì)壘區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)加速，再產(chǎn)生新的電子和空穴，如此下去，象雪崩一樣。這個(gè)過(guò)程在外部看來(lái)，就象其內(nèi)部有光信號(hào)放大作用一樣。這個(gè)內(nèi)部增益可用 M數(shù)表示，普通的光電二極管的M小于1，而APD的M可大于100。在高速光信號(hào)探測(cè)時(shí)，為了得到高的響應(yīng)速度，負(fù)載電阻都比較小，這就對(duì)前級(jí)放大器要求

很高，具有內(nèi)部放大功能的器件對(duì)前級(jí)放大是很有幫助的。接受部分主要有APD、放大電路和驅(qū)動(dòng)電源構(gòu)成。通過(guò)對(duì)APD反向電壓的調(diào)整和信號(hào)強(qiáng)度的觀察，我們可以觀察了解雪崩二極管的工作原理和工作條件以及使用方法。.相位差計(jì)：用來(lái)測(cè)量接受到的光信號(hào)的相位