光学与激光实验讲义教学提纲.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。光学与激光实验讲义-光学与激光实验实验讲义华南师范大学信息光电子科技学院光学与激光实验目录实验一氦氖多谱线激光器E-3实验二腔内选频单纵模He-Ne激光器E-14实验三He-Ne激光器谐振腔调整及外参数测量E-23实验四声光调制锁模激光器E-37实验一氦氖多谱线激光器在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各

2、条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。一、 实验原理一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。初始建立激光

3、振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。小信号增益与阈值增益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2Pi（2Pi是2P1，2P2，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数是用用光谱相对强

4、度研究氦氖放电管的增益特性的装置测得的，各谱线的放电电流相同。表1He-Ne3S2-2Pi谱线的小信号增益系数跃迁能级激光波长小信号增益系数G0/cm-1相对增益系数3S2-2P17304.837.010-50.113S2-2P26401.070.413S2-2P36351.850.113S2-2P46328.176.510-41.003S2-2P56293.740.183S2-2P66118.011.010-40.163S2-2P76046.133.510-50.063S2-2P85939.313.010-50.053S2-2P105433.651.510-50.031、 谐振腔的稳定条件激

5、光器的谐振腔是由两块相距为L，曲率半径分别为球面的反射镜组成。要使腔内近轴传播的光线多次来回反射不会逸出腔外，腔镜的曲率半径级腔长必须满足（1）对平凹腔来说，若R2，稳定条件为0(1-L/R1)1，则凹面镜的曲率半径必须大于腔长。对于对称腔，R1R2R，稳定条件为(1-L/R)2v,才能保证在频谱面上不重序，即腔长和模的波长或频率间是一一对应关系。自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为/4时所对应的扫描范围。因为光在共焦腔内呈x型，四倍路程的光程差正好等于，干涉序数改变1。另外，还可看出，当满足vS.R.v条件后，如果外加电压足够大，可使腔长的变化量是/4的i倍时，那么将会扫描出

6、i个干涉序，激光器的所以模将周期性地重复出现在干涉序k，k1，.，ki中，如图六所示。图七（2）精细常数精细常数F是用来表征扫描干涉仪分辨本领的参数。它的定义是：自由光谱范围与最小分辨率极限宽度之比，即在自由光谱范围内能分辨的最多的谱线数目。精细常数的理论公式为(16)R为凹面镜的反射率，从（16）式看，F只与镜片的反射率有关，实际上还与共焦腔的调整精度、镜片加工精度、干涉仪的入射和出射光孔的大小及使用时的准直精度等因素有关。因此精细常数的实际值应由实验来确定，根据精细常数的定义显然，就是干涉仪所能分辨出的最小波长差，我们用仪器的半宽度代替，实验中就是一个模的半值宽度。从展开的频谱图中我们可以

7、测定出F值的大小。4. 仪器用具（参见附表）5. 实验内容实验系统示意图5.1装调HeNe外腔激光器使用十字叉丝法将HeNe激光器调制光强输出最大值5.2使用F-P扫频干涉仪观察HeNe激光器纵模（1）调整光路，首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再细调干涉仪板架上的两个方位螺丝，使从干涉仪腔镜反射的最亮的光点回到光阑小孔的中心附近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。（2）将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。接通放大器、锯齿波发生器、示波器的开关，观察示波器上的展现的频谱图，进一步细调干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声最小。（3）

8、改变锯齿波输出电压的峰值，看示波器上干涉序的数目有何变化，确定示波器上应展示的干涉序个数。根据干涉序个数和频谱的周期性，确定哪些模属于同一k序。5.3使用F-P标准具进行腔内选频（1） 在之前调整好的激光器外加入F-P标准具支架。（2） 在标准具外侧加入激光器输出腔片（M3）支架。（3） 调整标准具位置，使得激光同轴。（4） 调整增加的激光器输出膜片M3俯仰角度，使其反射光按照原方向返回。检验方法：发射光与原光束发生干涉，激光出现闪烁现象。（5） 取下原先激光器输出模片(M2)。新构造的选频激光器应出光。如果不出光应重复（1）-（5）步骤。（6） 调整新构造的选频激光器输出腔镜(M3)，使其输

9、出功率最大。（7） 调整F-P标准具的俯仰位置，同时观察输出纵膜。直至输出单纵膜激光。（8） 微调输出腔片(M3)，使得输出激光光强最大。（9） 计算选膜输出效率。思考题：1、 单纵膜激光器是使用F-P标准具在强内选择输出1条激光纵膜，为什么W单纵膜W总/N纵膜数？2、 影响激光器稳定的因素有哪些？用何种方法得到功率、频率稳定性更高的单频激光器？1. 实验三He-Ne激光器谐振腔调整及外参数测量引言虽然在1917年爱因斯坦就预言了收激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被收激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。直到1960年，第一台红宝石激光器才面世，他标志了激光技术的诞生.相对于

10、一般光源，激光束具有方向性好的特点，也就是说，光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上。但是，它仍有一定的发散度，而且光强分布还有着特殊结构。如由球面镜构成谐振腔产生的激光束，既不是均匀的平面波，也不是均匀的球面波，在它的横截面上，光强是以高斯函数分布的，故称作高斯光束。相对于一般光源，激光还有单色性好的特点，也就是说，它可以具有非常窄的谱线宽度。这样窄的谱线，并不是从能级受激辐射就自然形成了，而是受激辐射后又经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉，最后形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的谱线，这些谱线就是激光器的模，每个模对应一种稳定的电磁场分布，即具有一定的光频率。而相邻两个模的光频率

11、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征，因此，为方便称呼，每个模又可以相应称做纵模和横模。按工作物质的类型不同，激光器可以分成四大类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。He-Ne激光器属于气体激光器，是继红宝石激光器后出现的第二种激光器，目前使用最为广泛，因此有必要通过实验对He-Ne激光器作全面的了解。2. 实验目的1） 学会对描述高斯光束传播特性的主要参数即光斑尺寸，远场发散角的测量方法。2） 了解激光器模的形成及特点，加深对其物理概念的理解。3）

12、了解全外腔He-Ne激光器的偏振态。4） 通过光栅方程来验证He-Ne激光的波长。5） 通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。6） 对实验中使用的重要分光仪器共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。7） 熟悉谐振腔的构成，学会调整的方法，体会谐振腔调整之后一些激光参数的变化。3. 基本原理3.1高斯光束的发散角激光器的光强分布为高斯函数型分布，故称为高斯光束。我们用全发散角2表征它的发散程度，定义2(1)现在分析2在整个光路中的变化情况。显然，在z0处，20，当z增大，2增加。在z0z这段范围内，全发散角变化较慢，我们称为准直距离，(2)在zzr,全发散角变化加快,当z,2变为常数

13、,我们将此处的全发散角称为远场发散角,有(3)不难看出,远场发散角实际是以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角。实验中,由于不可能在无穷远处测量,故(3)式只是理论上的计算式,不能作为测量公式,而需用近似测量来代替.可以证明,当z7=702/时,2/2()99%,即当z值大于7倍时所测得的全发散角,可和理论上的远场发散角相比,误差仅在1%以内,那么z值带来的实验误差已不是影响实验结果的主要因素了,这就为我们提供了实验上测远场发散角所应选取的z值范围。可采用以下两种近似计算:一种方法是,选取z的两个不同值,根据光斑尺寸定义,从曲线中分别求出(),()根据公式（4）另一种方法是,由于z足够大

14、时,全发散角为定值,好像是从源点发出的一条直线,所以实验上还可用一个z值(z7)及与其对应的(z),通过公式2=2(z)/z（5）来计算,选择哪一个近似公式更好,要根据具体情况和误差分析而定。3.2光栅方程法验证激光波长光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。图一上式表示衍射光栅所产生谱线的位置，这个重

15、要的公式称为光栅方程。称为光栅常数，是衍射角，j是衍射级数，是光波长。光栅常数已知，可以通过统计衍射级数j和测量衍射角来计算He-Ne激光器的波长。3.3He-Ne激光器的模式分析1.激光器模的形成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。如果用某种激励方式,将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。被传播的光波决不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而已）。因能级有一定宽度，所以粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭加

16、而成。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小功率的He-Ne激光器6328谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz，只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即2Lqq（6）这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其它则相互抵消。式中，是折射率，对气体1，L是腔长，q是正整数，每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布