激光原理实验指导书.doc
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1、激光原理实验指导书燕山大学信息科学与工程学院光电子工程系2023年1月目 录实验一 He-Ne激光器增益与损耗的测量(1)实验二He-Ne激光器的模式分析(7)实验三 声光调Q技术(15)实验四 半导体激光器实验(20)实验五 选频CO2激光器实验(26)实验一 He-Ne激光器增益与损耗的测量 一台激光器的小信号增益系数、腔内损耗是重要的激光参数,直接影响着激光器的输出功率。本实验在外腔激光器中用全反射腔镜,在腔内插入可旋转平行板,运用平行板的反射率与入射角的关系,使激光器的输出功率随平行板的旋转角而改变。旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。通过测量激光输出功率与等效透射率的关系,获得与。一
2、、实验目的1加深理解激光器增益与损耗的概念。2掌握测量氦氖激光器小信号增益系数与损耗的原理和方法。二、实验原理1激光输出功率与激光参数的关系当一台激光器形成稳定振荡时,激光在腔内往返运营一周获得的总增益等于总损耗,用公式表达为 (1-1)式中为增益介质长度,表达光强为时的增益系数,为总损耗。涉及衍射损耗,增益介质的吸取、散射损耗、腔镜的透射、吸取、散射损耗,以及布儒斯特窗片的反射、吸取、散射损耗等。为了简化把总损耗分作两部分=+ (1-2)表达腔镜的透射损耗,表达除腔镜透射损耗以外的所有损耗,既除腔镜透射损耗外,激光在腔内往返运营一周光强衰减的比率。对于输出波长为632.8nm的长腔激光器来说
3、,增益饱和规律由下式描述= (1-3)式中,为小信号增益系数,为饱和光强。把(1-1)式、(1-2)式代入(1-3)式得 (1-4)在实验中直接测量的是激光输出功率,输出功率与腔内功率的关系为=。腔内激光光强与腔内激光功率的关系为,为光束截面积。因此(1-4)式可写成 (1-5)式中,为腔内饱和功率。由(1-5)式可知,激光的输出功率与饱和光强及小信号增益系数成正比,只有两者均很大时,才干获得大的激光输出功率。输出功率与腔内损耗成反比,腔内损耗增大,输出功率减小。输出功率与透射率有二次曲线关系,当透射率较小时,输出功率随透射率的增长而增大;当透射率较大时,输出功率随透射率增长而减少。在适当透射
4、率处,输出功率有极大值,如图1-1所示。相应极大输出功率处的透射率叫最佳透射率,对(1-5)式求极大值可得 (1-6)也是激光器的重要参数,随小信号增益系数的增长而增大,当腔内损耗不太大时,最佳透射率也随腔内损耗增长而增大。图 1-1 激光输出功率与透射率的关系2数据解决(1)用作图法求激光参数从图1-1可见,每个输出功率值相应两个透射率值、。取(,)和(,)分别代入(1-5)式,并消去得 (1-7)在曲线上取若干个值及相应的、值,作-直线,从直线斜率可得腔内损耗 (1-8)取=0,从直线与(+)轴相交的截距可得 (1-9)(2)用极值法求激光参数从图上,取输出功率趋于零时的极大透射率 ,这时
5、腔内的激光功率也趋于零,根据(1-5)式则有 (1-10)从图上取输出功率为极大值处的等效透射率为最佳透射率,用(1-10)式和(1-6)式联立得 (1-11) (1-12)三、实验仪器1实验装置氦氖激光器参数测量系统如图1-2所示。图 1-2 实验装置示意图Las为氦氖气体放电管。SN为永磁铁氧体,对放电管产生非均匀磁场,克制3.39m谱线的超辐射。M1、M2是全反射腔镜,相距1.17m,用平凹腔或非对称非共焦腔均可,本实验中两反射镜的曲率半径均为3m。M是透明的平行平面镜,一般用熔石英材料,其插入损耗小,也可用玻璃材料,玻璃材料的优点是对3.39m谱线有吸取,对3.39m的激光或超辐射有克
6、制作用,缺陷是插入损耗比熔石英大,影响最佳透射率的准确测量。M镜要有一定的厚度,以免M镜两表面的反射光束重叠产生干涉,影响测量结果,M镜的厚度应大于2mm。SP为带刻度的转台,转角精度不低于1,转台中心安有可调节的平台,平台面的高低及倾斜用三支螺丝调节,M镜放置在平台上,转台已固定在激光器的底座上,转轴已与放电管的管轴垂直,并与激光束相交。D1、D2为激光功率计,用来测量从M镜两表面反射的激光功率。2M镜的等效透射率M镜的光路如图1-3所示,光束1的反射率为,光束2和光束3的反射率为图1-3 M镜光路,光束4的反射率为,M镜的其它反射光束与的高次方成正比,因很小可忽略。腔内激光通过M镜的反射实
7、现输出,所以M镜两表面的反射率可等效于输出镜的透射率。M镜的等效透射率为 (1-13)其中值由菲涅耳公式求得 (1-14)式中为激光束在M镜上的入射角,n为M镜在632.8nm波长处的折射率。本实验使用的M镜由熔石英制成,其折射率为1.45728,布儒斯特角=553230。熔石英材料的反射率、等效透射率与入射角的关系由表1-1给出。四、实验内容及环节 1启动激光功率计,进行预热。表1-1 熔石英材料的入射角和等效透射率2启动激光电源,调节输出电流,使输出电流为16mA(最佳工作电流)。3把M镜放置在平台上,要使M镜的入射表面与转台转轴相交,以保证M镜在转动过程中入射点基本不变。入射角/()反射
8、率等效透射率入射角/()反射率等效透射率56.59.42810-53.7710-464.50.012470.0486557.00.000220.0009065.00.014290.0555457.50.000410.0016565.50.016280.0629758.00.000670.0026766.00.019040.0711558.50.000990.0039666.50.020840.0799659.00.001390.0055567.00.023430.0894259.50.001870.0074567.50.026260.0996560.00.002430.0096868.00.0
9、29320.1106160.50.003090.0122868.50.032640.1223361.00.003840.0152469.00.036240.1348361.50.004700.0186269.50.040140.1481762.00.005670.0224370.00.044340.1623262.50.006760.0266170.50.048880.1773363.00.007970.0314771.00.053780.1931963.50.009320.0366071.50.059060.2099264.00.010820.0423672.00.064740.227524
10、在布儒斯特窗反射光束的远处放一光屏,转动转台,使M镜的反射光斑在光屏上靠近布儒斯特窗的反射光斑。若两光斑有上下位置差,则调节平台下方的螺丝使两光斑重合,此时M镜的法线与转台转轴互相垂直(注:本装置中已将布儒斯特窗的法线调节到与转台的转轴相垂直的状态)。5使激光束在M镜上入射角为0时,转台的读数也为0。6选择激光功率计的测量波长为633nm,量程为20 mW,然后调节激光功率计的零点。7M镜从布儒斯特角附近开始(例如,从56.5开始),入射角每增长0.5测量一次激光输出功率,直到输出功率为零 。测量过程中要注意以下两点:(1) M镜每改变一次角度,M2镜都需进行仔细的调整,使输出功率达成最大;(
11、2) 尽量使激光束垂直地照射在光电探测头光敏面的中心位置附近。8根据入射角与等效透射率的关系,以等效透射率为横轴,输出功率为纵轴,在坐标纸上作输出功率与等效透射率的关系曲线。由于每个实验数据都有一定的误差,所以,所作的曲线不一定要通过每个实验点,要根据实验点的总体趋势,把实验点连成光滑的曲线。9用作图法或极值法求出小信号增益系数和腔内损耗。注:氦氖气体放电管的长度=1.000m 。五、思考题1为什么每改变一次M镜的角度,M2镜都需进行仔细的调整?六、注意事项1要注意眼睛的防护,绝对严禁用眼睛直视激光束。实验过程中,严禁用手触摸电极;实验完毕后,如立即搬动电源,须先将电源输出端短路,使电源内的电
12、容放电,以防止高压击人事件的发生。2由于本参数测量系统谐振腔的反射镜已事先调节完毕,学生进入实验室后切勿随意调节反射镜调节架上的调节钮。否则,有也许需要重新调节反射镜,使实验无法在规定的时间内完毕。3实验过程中,如需改变激光功率计的量程,要在遮光后进行操作,并重新调节功率计的零点。实验二 He-Ne激光器的模式分析相对一般光源,激光具有单色性好的特点,也就是说,它具有非常窄的谱线宽度。这样窄的谱线,不是受激辐射后自然形成的,而是受激辐射通过谐振腔等多种机制的作用和互相干涉后形成的。所形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的谱线就是激光器的模。每个模相应一种稳定的电磁场分布,即具有一定的光频率。
13、相邻两个模的光频率相差很小,我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个模。当从与光输出的方向平行(纵向)和垂直(横向)两个不同的角度去观测和分析每个模时,发现又分别具有许多不同的特性,因此,为方便每个模又相应称作纵模和横模。在激光器的生产与应用中,我们经常需要先知道激光器的模式状况,如精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器,而激光稳频和激光测距等不仅规定基横模,并且规定单纵模运营的激光器。因此,模式分析是激光器的一项基本而又重要的性能测试。一、实验目的1了解激光器的模式结构,加深对模式概念的理解。2通过测试分析,掌握模式分析的基本方法。3对本实验使用的分光仪器共焦球面扫描干涉仪,了解其
14、原理、性能,学会对的使用。二、实验原理1激光器模的形成我们知道,激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。假如用某种激励方式,在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布,由于自发辐射和受激辐射的作用,将有一定频率的光波产生,在腔内传播,并被增益介质逐渐增强、放大,如图2-1所示。事实上,由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响,增益介质的增益有一个频率分布,如图2-2所示,图中为光的增益系数。只有频率落在这个范围内的光在介质中传播时,光强才干获得不同限度的放大。但只有单程放大,还局限性以产生激光,要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈,使光在多次往返传播中图 2-1 粒子数反转分布
15、形成稳定、连续的振荡。形成连续振荡的条件是,光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍,即 (2-1)式中,为折射率,对气体1;为腔长;为正整数。这正是光波相干的极大条件,满足此条件的光将获得极大增强。每一个相应纵向一种稳定的电磁场分布,叫作一个纵模,称作纵模序数。是一个很大的数,通常我们不需要知道它的数值,而关心的是有几个不同的值,即激光器有几个不同的纵模。从(2-1)式中,我们还看出,这也是驻波形成的条件,腔内的纵模是以驻波形式存在的,值反映的恰是驻波波腹的数目,纵模的频率为图 2-2 光的增益曲线 (2-2)同样,一般我们不去求它,而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 (2-3)从(2-3
16、)式中看出,相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比,即腔越长,相邻纵模频率间隔越小,满足振荡条件的纵模个数越多;相反,腔越短,相邻纵模频率间隔越大,在同样的增益曲线范围内,纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运营激光器的方法之一。光波在腔内往返振荡时,一方面有增益,使光不断增强;另一方面也存在着多种损耗,使光强减弱,如介质的吸取损耗、散射损耗、镜面的透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等。所以,不仅要满足谐振条件,还需要增益大于各种损耗的总和,才干形成连续振荡,有激光输出。如图2-3所示,有五个纵模满足谐振条件,其中有两个纵模的增益小于损耗,所以,有三个纵模形成连续振荡。对于纵模的观测,由
17、于值很大,相邻纵模频率差异很小,一般的分光仪器无法分辨,必须使用精度较高的检测仪器才干观测到。谐振腔对光多次反馈,在纵向形成不同的场分布,那么对横向是否也会产图 2-3 纵模和纵模间隔 生影响呢?回答是肯定的,这是由于光每通过放电毛细管反馈一次,就相称于一次衍射,多次反复衍射,就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑相应一种稳定的横向电磁场分布,称为一个横模。图2-4中,给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加。激光的模式用来表达,其中,、为横模的标记,为纵模的标记。是沿X 轴场强为零的节点数,是沿Y 轴场强为零的节点数。图 2-4 常见的横
18、模光斑图前面已知,不同的纵模相应不同的频率,那么同一个纵模序数内的不同横模又如何呢?同样,不同的横模也相应不同的频率。横模序数越大,频率越高。通常我们也不需规定出横模频率,我们关心的是不同横模间的频率差。经推导得 (2-4)其中,、分别表达X、Y方向上横模模序差,、为谐振腔的两个反射镜的曲率半径,相邻的横模频率间隔为 (2-5)从上式中还可看出,相邻的横模频率间隔与相邻的纵模频率间隔的比值是一个分数,如图2-5所示。分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定,腔长与曲率半径的比值越大,分数值越大。当腔长等于曲率半径时(),分数值达成极大,即横模间隔是纵模间隔的1/2,横模序数相差为2的谱线频率正好
19、与纵模序数相差为1的谱线频率简并。图 2-5 纵模、横模的分布激光器中能产生的横模个数,除前述增益因素外,还与放电毛细管的粗细,内部损耗等因素有关。一般说来,放电毛细管直径越大,也许出现的横模个数就越多。序数越高的横模,其衍射损耗越大,形成稳定的振荡就越困难,但激光器输出光中横模的强弱绝不能仅从衍射损耗一个因素考虑,而是由多种因素共同决定的。这是在模式分析实验中,辨认哪一个是高阶横模时易犯错的地方。由于,仅从光的强弱来判断横模阶数的高低,即认为光最强的谱线一定是基横模,这是不对的,而应根据高阶横模具有高频率来拟定。横模频率间隔的测量同纵模频率间隔的测量同样,需借助展现的频谱图进行计算。但阶数和
20、无法仅从频谱图上拟定,由于频谱图上只能看到有几个不同的,可以测出的差值,然而不同的或可相应相同的,在频谱图上则是相同的,因此要拟定和各是多少,还需结合激光器输出的光斑图形进行判断。当我们对光斑进行观测时,看到的是所有横模的叠加图,即图2-4中几个单一态光斑图形的组合。当只有一个横模时,很容易辨认。假如横模个数比较多,或基横模很强,掩盖了其它横模,或某高阶模太弱,都会给分辨带来一定的难度。但由于我们有频谱图,知道了横模的个数及彼此强度上的大体关系,就可缩小考虑的范围,从而能准确地拟定出每个横横的和值。2共焦球面扫描干涉仪共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器,它已成为激光技术中一种重要的测
21、量设备。本实验就是通过它将彼此频率差异甚小(几十至几百MHz),用一般光谱仪器无法分辨的各个不同的纵模、横模展现成频谱图来进行观测的。在本实验中,它起着关键作用。共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔,它由两块球形凹面反射镜构成共焦腔,即两块反射镜的曲率半径和腔长相等()。反射镜镀有高反射率膜。两块反射镜中的一块是固定不变的,另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷环上,如图2-6所示。图中,为由低膨胀系数材料制成的间隔圈,用以保持两球形凹面反射镜和总是处在共焦状态。为压电陶瓷环,其特性是若在环的内外壁上加一定数值的电压,环的长度将随之发生变化,并且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关图 2-6
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