东南大学光电子物理实验报告.docx

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1、东南大学实 验 报 告课程名称：光电子物理根底试验名称： 激光增益测量、He-Ne 激光纵横模及线宽测量院 系：电子科学与工程学院 专 业：电子科学与技术姓名：学号：实 验 室：试验时间：评定成绩：批阅教师：试验一：激光增益的测量一、试验目的1. 把握用腔内损耗法测量激光参数的原理和方法。2. 依据自动测试系统测得的曲线，取适当的数据，编写程序，利用计算机进展计算。3. 通过对激光器增仪等参数的测量，对激光器的工作过程有进一步的了解。二、试验原理在激光器中，小信号增益系数 g 、饱和光强 I 、腔内损耗a 和最正确输出率 T等是打算0sopt激光器工作特性的重要参数，它们均可由试验测得，而这些

2、参数的测量均与增益系数的测量有关。由增益系数的定义：G = 1 lnlI21I1我们可以便利的利用一个激光器和一个与激光器充同样工作物质的放大管直接测出I 、12I 。由放大管的长度计算出增益系数。但对于本试验所要测量的 He-Ne 激光管的增益系数， 由于探测过程中，荧光光强的奉献不能无视，造成很大的误差。所以本试验承受的是腔内损 耗法测量 He-Ne 激光器的增益。因而可以消退这一误差因素，其测量装置的原理图如图 1 所示图 1在两个全反射镜组成的外腔式 He-Ne 激光器内，置一透亮的平行平板作为反射器，该反射器与腔轴相交成某一角度，在满足振荡条件的状况下，反射器两边有确定功率的激光输出

3、。反射器单个外表对 0.6328m 的光的反射率 R 是入射角j 的函数，由菲涅尔公式得R(j) =tg 2 j - sin -1 (sinj / n)2tg 2 j + sin -1 (sinj / n)其中 n 为平行材料对激光波长的折射率。本试验中所用平板玻璃对=0.6328m 光的折射率为 1.515。理论推导证明：在不考虑反射器本身的吸取和散射时，反射器的输出率即来回一次在反射器外表反射的光强于入射光强之比表示为：1 - R(j)T (j) = 1 - 1 + R(j)23假设将反射器绕与激光束相垂直，同时也与放电管布氏窗的觉察相垂直的轴线旋转，入射角j 将连续地变化，因此，该反射器

4、将起一个反射率可变的平面耦合输出镜的作用。定义a 为激光腔除输出率以外的光学损耗来回一次，成为内损耗，L 为激活介质的长度，g0 为小信号增益系数，Pout 为耦合输出功率，P0s 为饱和功率，由于本试验管较长，使纵模间隔小于碰撞增宽的宽度，因而其增益饱和遵循均匀综型激光器规律，故：P= PT (2g L0-1)(4)outsa + T由此式可知，激光器有一最正确输出率 T，这时相应的有最大输出功率，由P / T = 0 ，opt得Topt= a(2g0L)1/ 2-a(5)旋转反射器，增加输出率 T,从而增加谐振腔的总损耗a +T,使激光刚好熄灭，这时满足： T P (2g L0-1) =

5、0gs a + TgT 为阈值输出率，从而得到： 2g L = a + T(6)g0g(T解(5)和(6)组成的方程组得： 2g L =g0T- T)2opt- 2T7gopt所以要测得最正确输出率 T 式可计算得腔内损耗a 。，再测得阈值输出率opt由式可得到激光器的增益，再由 T6g,由式4得：T 2- (2gL - a -PP a)T += 0(8)得两根T ,T 。0PPss则： T112+ T= 2g2l -a -oP(9)PsT T12= P a(10)Ps由(9),(10)得： T T12+ a(T1+ T ) - a (2 g20L - a ) = 0(11)由(10),11两

6、个线性方程可以作出直线，如图 2由T + T 对T121图 2 T 所作直线的斜率可以确定腔内损耗a ，再由 P 对T21 T 所作直线的斜2率可以确定饱和功率 Ps，则由 Is= 1.26Ps/ pw 2o可以求得饱和光强。式中wo为腰粗。另外由式9可以计算出小信号增益系数g。os0依据这一原理，在试验时对于每一个输出功率P,可在最正确透过率两侧找到所对应输出功率的两个输出率 T1 和 T2，从而有作图计算可得到参量a ， I 和 g 。图 3 为平行平板转动过程中，计算机采集记录的输出曲线。P 为反射器两边反射功率之和，j 为入射角，j为布儒斯特角，其值为56.2，j为最正确输出率对应的入

7、射角，jBoptg为阈值输出率对应的入射角。图 3三、 试验步骤1. 开启激光器电源开关，缓慢旋转可调变压器直至点燃激光管，约190210 伏左右。激光器工作电流调整在 13-14 mA不行过大。预热 30 分钟左右。2. 轻轻掀起激光器观看窗口盖至近 90 度位置。观看激光器是否已经输出激光，假设在分束片上未见到细约 1 mm 的红色激光输出，请教师调整学生不许擅自调整。确认有激光输出方可进入测试环节。3. 在计算机显示器桌面上，找到“He-Ne 激光增益试验”文件夹”，找到“hene.exe”点击，进入“激光增益测量试验”系统。4. 点击“初始化”按钮，步进电机开头带动平行平板玻璃片转动、

8、扫描；该过程可以从观看窗口中观看到。5. 确认步进电机停顿转动后，点击“增益曲线”按钮，可以从坐标图中观看到有波峰的曲线图。同时步进电机带动平行平板玻璃片转回最正确输出位置。6. 点击“数据存储”按钮，可以把试验数据存储到自带的软盘或U 盘。激光功率的单位是毫瓦。该数据可以用 Origin、Matlab、Excell 等程序处理画出曲线。7. 存储完毕后，点击“退出”按钮，退出试验程序。通过观看窗可以看到，激光器照旧有红色激光输出。8. 将激光器电源的可调电压旋转到零位置，然后关闭电源开关。四、 试验结果1. 使用 MATLAB 作图：试验得到的.dat 文件用 MATLAB 翻开clc; c

9、lear;data=load(”d2.dat”);plot(data(:,1),data(:,2);由测量数据使用 MATLAB 作出反射器两边反射功率之和P 与入射角j 之间的关系曲线如下：joptjBjg由上图直接读出相关参数：j= 50.6gj=53.5optj=55.7B2. 编写 MATLAB 代码求解小信号增益系数和腔内损耗等参数：函数：function g=func(fi) fi=fi*pi/180;x1=tan(fi(1)-asin(sin(fi(1)/1.515);x2=tan(fi(1)+asin(sin(fi(1)/1.515);y1=tan(fi(2)-asin(sin

10、(fi(2)/1.515);y2=tan(fi(2)+asin(sin(fi(2)/1.515); Rg=x1*x1/(x2*x2);Ropt=y1*y1/(y2*y2); Tg=1-(1-Rg)/(1+Rg)2;Topt=1-(1-Ropt)/(1+Ropt)2;g0=0.5*(Tg-Topt)2)/(Tg-2*Topt); a=2*g0-Tg;g=g0,a;程序：g=func(50.6,53.5);计算结果如下：=0.0039g o=0.00733. MATLAB 代码f11=input(”输入第一组 f1 的值：”); f21=input(”输入第一组 f2 的值：”); P1=inpu

11、t(”输入第一组 P 的值：”); T11=T(f11);T21=T(f21);f12=input(”输入其次组 f1 的值：”); f22=input(”输入其次组 f2 的值：”); P2=input(”输入其次组 P 的值：”); T12=T(f12);T22=T(f22);af=-(T12*T22-T11*T21)/(T12+T22)-(T11+T21)Ps=P1*af/(T11*T21) g0=(T11+T21+af+P1/Ps)/(2*l)可以得到： PS=7023.6go =0.0073因此 P TP =T T121 T 和T21+ T T21 T 的关系为：2T + T= 2g

12、l - a -T T1212oa4. 依据阅历公式计算得到g = 3 10 -4 / d = 0.15o误差很大分析误差可能由以下几个缘由引起的：验室的环境引起光路的损耗太大，由此得出的试验值偏小。反射镜外表不干净，导致激光器的损耗过大，由此得出的试验值偏小。 计算过程误差等。 试验仪器本身有误差。试验二：纵横模及线宽测量一、试验目的1. 把握高斯光束强度分布的测量2. 把握高斯光束发散角的测量3. 把握 F-P 标准具、F-P 扫描干预仪的原理和使用方法4. 把握 He-Ne 激光器纵横模模式的观看和测量5. 把握多光束干预法测量激光线宽的原理及方法二、试验原理1. 激光横模的观看和测量为了

13、简洁起见，我们只争论基模，即TEM模，这个基模的光斑外形为图1 所示。00图 1Ax 2 + y 2这个模的电矢量E 的振幅为： A(x, y, z) =0exp(-)w(z)w2 (z)这种光场分布是高斯光束，所以成这样的光束为高斯光束。假设记r 2= x 2+ y 20则 A(r, z) =Aexp(-r 2)w(z)w2 (z)当=0，z=0 时即束腰的中心，电矢量振幅 A 得知最大，为 A(0,0) = A / w00而当 =w00通常将电矢量振幅降到中心值的 1/e 处时的径向距离称为光斑半径，用 w(z)表示，w(z)作为光斑大小的量度，w0为 z=0 处的光斑半径，通常称之为激光

14、光束的腰粗。在实际测量中，都是测量光强，由于光强与电矢量振幅之间的关系为：Ia A2所以激光束的横向光强分布为:A2r 22r 2I (r, z) = A2 (r, z) = 02 exp(-) = I (z) exp(-)w(z)w2 (z)0w2 (z)当=0 时，I(0,z)=I(z)可以测出谐振腔轴上即光斑中心的光强随着光束不同位置0时的值。当 z 值固定时， I (r, z) = I0(z) exp(-2r 2)w2 (z)这样可以测出，随着径向不同位置时的光强值。光强随而转变的关系由纪录仪直接给出，如图 2。图 200由光强的高斯分布曲线图2可以找出光强下降到光斑中心光强的1/e2

15、 处位置，这点离光斑中心的距离就为该处的光斑半径 w(z)。可以由 w(z)与束腰 w 之间的关系式求得 w ，lz其关系式为w(z) = w01 + (pw20) 2 1 / 2激光光束尽管方向性很好，但也不是抱负的平行束，而具有确定的发散角。依据发散角定义： 2q = 2 dw(z)dz将(4)式代入(5).，并当 z=时，可以求出2q = 2lpw0w此为远场放射角的表达式。可以通过求得得来计算。012也可以测出不同 z 之间光束的发散角，测量方法为：分别测出 z 、z 两处的光斑半径12w(z )、w(z )，那么可以直接标出光束的发散角，如图3。tg(2q ) = 2w(z2图 3)

16、 - w(z )1z- z21则2q = tg -12w(z2) - w(z )1 z- z21激光的横模测量原理：由马达驱动的前面开小孔的硅光电池沿光束径向逐点扫描，测得不同处的光强，将硅光电池的信号输入计算机，得到光强沿径向的分布曲线。如图4。图 42. 激光纵模的观看和测量激光谐振腔能起到频率选择器的作用，在没有谐振腔时，在发光原子荧光线宽范围内均有光谱线消灭，但光谐振腔存在时，只有满足谐振条件并落在线宽范围内的谱线才能振荡输出，谐振条件要求光波在腔内走一个来回时位相转变是2的整数倍，这样可以求出谐振频率为nq= q c2mL其中为折射率，c 为真空中光速，L 为腔长，q 为正整数。因此

17、，由于谐振腔的存在，使激光的线宽比一般光源小得多，如图5。由于相邻纵模间隔为： DnL图 5=c2mL当 L 足够长时，会消灭多纵模，(c)为三个纵模振荡时的激光谱线。由于纵模数 q 是一个很大的数值，所以一般的观看方法是无法鉴别纵模的，可以承受F-P 扫描干预仪进展观看。F-P 扫描干预仪的原理图如图 6 所示：图 612其中 P 、P 为 F-P 扫描干预仪反射镜平板，L 为聚焦透镜，D 为光电接收器，G 为锯齿波电压发生器，M 为反射镜驱动装置。F-P 扫描干预仪的简洁工作原理为：由干预仪两反射镜间距离固定时，则透过仪器的频率也固定不变，只有入射频率等于的m光才能通过，反之，假设要使某确

18、定值波长的光通过m干预仪，则应转变其间距，以满足要求。能通过 F-P 扫描干预仪的频率为nc= m 2md cosq其中为折射率，d 为 F-P 的间距，为进入 F-P 的光线与法线的夹角，m 为正整数。当 d 转变时，能通过 F-P 干预仪的频率亦转变，因而，假设是干预仪的一个反射镜固定，另一个反射镜安在压电陶瓷上，当加上确定的锯齿波电压后，使之可匀速平移，镜间距匀速 转变时，能透过F-P 干预仪的频率亦连续转变，使入射光按大小次序一一通过，从而鉴定出入射光的光谱成分，透过光经光电元件转换成电信号，再从示波器和计算机上直接读出。3. 激光线宽的测量激光器输出的光束具有单色性、高亮度、高方向性

19、和高相干性的特点，正是由于它的高 相干性，使之在测量、全息的技术中得到广泛的应用。但是，虽然激光的单色性很好，她仍无可避开的存在着确定的线宽。理论计算说明， 单纵模激光器的线宽极限为：Dn =N2p (Dn2c)2 hnN- N21Pout其中：N2,N1分别是激光上下能级的粒子数密度，c是无源谐振腔的线宽。这是激光线宽的极限值，数量级一般为10-3 赫。实际上，由于各种因素所引起的纵模频率漂移，以及各种因素引起的谱线增宽，使得激光线宽远远大于这一量值。激光线宽是表征激光特征的一 个重要的参数，它反映激光辐射的单色性和相干性。由于应用上的需要，测量激光线宽成了 激光参数测量中的重要课题。由于各

20、种激光器输出特性以及线宽数量级各不一样，因而可采 取不同的线宽测量方法：线宽较窄时，利用多光束干预法测量，并依据激光输出谱线的波长 及是否为脉冲输出，实行不同的记录方法或探测方法：对于数量级在兆赫以下的谱线宽度， 可以用拍频和外差技术测量。本试验是利用多光束干预法测量He-Ne 激光线宽的。试验装置如图 7 所示：图 7图 1L1 位发散透镜，L2 为长焦距会聚透镜。由 He-Ne 激光器输出的激光束经发散透镜发散后均匀地照在F-P 标准具上，由于F-P 标准具两个镀膜平面是平行的，且此时所用的光源为扩展光源，所以，将产生等倾干预。 由物理光学知：光通过标准具后消灭亮条纹相干加强的条件是：2n

21、L cosq = ml 式中 n 为 F-P 标准具的折射率，L 为 F-P 标准具的间隔，为在两镀膜平面间反射光与平面法线的夹角，m 为干预级次。有 F-P 产生多光束干预后经会聚透镜会聚，在其焦平面上得到一组同心干预环，将卸下镜头的照相机感光底片置于焦平面位置进展照相，便可得到干预环的照片。由2是可以看出：在同一干预级次，不同的，就对应于不同的角，因而，当入射光具有线宽时，对同一级干预环，有一变化范围，从而在感光底片上得到的干预环半径也有一个变化范围r。对2式两边微分得： - 2nd sinqdq = mdldl = - 2nd sinqdq = - l sinqdq = -ltgqdqm

22、cosq即Dl = ltgqDq如图 8 所示图 8d ，d 分别为第m 级干预条纹内外直径，在近中心处： d/ 2 f121d- d2d21则Dq =- d21(d / 2)21+ f 22 ftgq =d1 / 2 = d1f2 fdd- d(d + d) (d- d )d 2 - d 2将4(5)代入3式得Dl = l 1 21 l 1221= l 212 f2 f8 f 28 f 2依据式(6):测量底片上近中心条纹的同级干预环内外直径d ，d 并依据测得的长焦距透12镜焦距，就可计算出激光的线宽。三、 试验结果： 1、 激光横模测量试验画图：clc;clear; data=load(”d1.dat”); plot(data(:,1),data(:,2);依据数据作出光强径向分布曲线如下:由上图可知：光斑半径为 0.62mm。2、 激光线宽测量拍摄得到的干预条纹图像如下：通过对光斑图的分析并利用原理中的公式可以得出激光线宽，计算过程如下：公式为Dl= l d 2- d 2128 f 2其中 f=150mm，d2=8.7mm，d1=7.6mm 因此计算得到 D l =0.0616 nm