近代物理实验报告 指导教师： 得分： 实验时间： 2009 年 03 月 17 日， 第 三 周， 周 三 ， 第 5-8 节 实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜 同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙 实验地点： 综合楼 501 实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压 实验题目： 氦氖激光器的模式分析 实验仪器：（注明规格和型号） 扫描干涉仪；高速光电接收器；锯齿波发生器；示波器； 半外腔氦氖激光器及电源；准直用氦氖激光器及电源；准直小孔。 实验目的： （1） 了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法； （2） 学习观测激光束横模、纵模的实验方法。 实验原理简述： 1. 激光器模式的形成 激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。如果用某 种激励的方式，使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布，由于 自发辐射的作用，将有一定频率的光波产生，并在谐振腔内传播，被 增益介质增强、放大。形成持续振荡的条件是：光在谐振腔内往返一 周的光程差为波长的整数倍，即 q q uL λ=2 满足此条件的光将获得极大的增强。 每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布λq ，叫一个纵模，q 称为纵模 序数。纵模的频率为 uL c q q 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为 uL c q 21= ?=?ν 因此可以得知， 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。
当光经过放电毛细管时，每反馈一次就相当于一次衍射，多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。模式指激光器内能够发生稳定光振荡的形式，每一个膜，既是纵模，又是横模，纵模描述了激光器输出分立频率的个数，横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定，光束的发散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。，一个膜由三个量子数表示，通常记作TEM mnq 。 横模序数越大，频率越高。不同横模间的频率差为： ?? ??????????????--?+?=?2/121,)1)(1(arccos )(12''R L R L n m uL c n m mn πν 相邻横模频率间隔为： ?? ??????????????--?=?=?=?+?2/12111)1)(1(arccos 1'R L R L q n m πνν 相邻横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，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，分数值就越大。 另外， 激光器中产生的横模个数，除了与增益有关外，还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关。 2. 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫 描。 2.1 共焦球面扫描干涉仪的机构和工作原理 共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜 构成，两块镜的曲率半径和腔长相等（即R 1=R 2=l ，构成共焦 腔）。其中一块反射镜固定不动，另一块反射镜固定在可随 外电压变化而变化的压电陶瓷环上。如右图所示，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R 1、R 2 总处于共焦状态。 当一束波长为λ的光近轴入射到 干涉仪内时，在忽略球差的条件 下，在共焦腔中经四次反射形成 一条闭合路径，光程近似为4l ， 如右图所示 编号为1和1’ 的两组透光强分别为： 1222201]sin )12(1)[1(--+-=βR R R T I I 和 121'I R I = β为往返一次所形成的相位差，即
实验二 He-Ne 激光器的模式分析 一、实验目的 1. 用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵模间隔，判别高阶横模的阶次。 2. 了解激光的频谱结构，掌握扫描干涉仪的使用方法及测定其性能指标的实验技能。 3. 观察激光器的频率漂移及跳模现象，了解其影响因素；观察激光器的输出横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。 二 实验设备 He-Ne 激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、锯齿波发生器、放大器、示波器等 三、实验原理 1．激光的频率特性 激光器的光学谐振腔内可存在一系列具有分立谐振频率的本征模式，但其中频率位于工作物质增益带宽范围内，并满足阈值条件的本征模才会振荡形成激光。 通常把激光光波场的空间分布，分解为沿传播方向（腔轴方向）的分布E(z)和垂直于传播方向在横截面内的分布E(x,y)，即谐振腔模式可分为纵模和横模，用符号TEM mn 标志不同模式的模式分布。对激光束的模式进行频率分析，可以分辨出它的精细 结构。 由无源腔理论可知：共轴稳定球面谐振腔TEM mn 模的频率为 ??? ????????? ??-???? ??-+++=2111arccos )1(12R L R L n m q nL C v mnq π （2.1） 式中m 、n 为横模阶次，q 为纵模阶次，L 为腔长，R 1R 2是腔面两反射镜的曲率半径，n 是工作物质的折射率。 当m=n=0时为基横模，而m 或n ≠0时叫做高阶横模。对于不同的横模（m 、n 不同）有不同的横向光强分布，所以观察光斑图案或测量光强分布也能分析横模结构。但对于含有高阶横模的结构，则必须借助于频率分析才能分辨。由(2.1)式可知，q 一定时，不同的横模对应有不同的振荡频率，其频率间隔为
氦氖激光器及电源的选购 外腔式氦氖激光器内腔式氦氖激光器氦氖激光器生产厂家 倍压整流电路激光电源变压器电路激光电源开关电路激光电源 激光器的横向模式激光器的纵模间隔氦氖激光器的型号命名 氦氖激光器 从原理上讲氦氖激光器主要由放电管(既充有工作物质氦气与氖气的玻璃管及电极)、输出镜及全反镜(既光学谐振腔)、电源(既激励装置)三部部分组成,但在实际中把它们做成激光器(放电管、输出镜及全反镜)与电源两部分。氦氖激光器按放电管与输出镜、全反镜连接方式的不同可分为外腔式氦氖激光器、内腔式氦氖激光器及半外腔式氦氖激光器（因使用很少故不作介绍）三种。氦氖激光电源从电路上分通常可分为倍压整流电路激光电源、变压器电路激光电源和开关电路激光电源三种。 当激光器工作时，输出镜及全反镜互相平行且与调直的放电管垂直，并保持不变时激光器输出功率最大且稳定，当输出镜及全反镜互相平行且与调直的放电管垂直的状态发生变化，激光器输出功率会产生波动，输出功率会下降，严重时不出光。 1、外腔式氦氖激光器 外腔式氦氖激光器的放电管与输出镜及全反镜非一体。放电管两端被磨成一特殊角度（布鲁斯特角）,用两块石英玻璃密封, 两块石英玻璃称为布氏窗。布氏窗(角）使输出激光成线偏振光。 放电管及输出镜、全反镜被安装于放电管的直度及输出镜与全反镜的平行度都可以调节的机壳内，机壳的上下盖有散热孔内。 输出镜、全反镜的平行度调节装是很重要的。输出镜、全反镜的调节螺丝可分为有粗细调（螺距大与小）与无粗细调两种结构,且有外置与内置之分。 无粗细调的输出镜、全反镜调节螺丝螺距通常是0.5mm，调节时调节螺丝稍动一点输出功率起伏就很大，且不可锁定。 有粗细调的输出镜、全反镜调节螺丝粗调螺距是0.75mm，主要是不出光时调光用，且可锁定不动，细调螺距是0.05mm，调节时调节螺丝转动输出功率起伏不会很大。 输出镜、全反镜的调节螺丝置于激光器外部，优点是调节方便，但在人多手杂的实验室，特别是对学生开放的实验及在搬动时不小心碰到调节螺丝、在运输中由于振动调节螺丝与包装箱相碰都容易造成输出镜、全反镜平行度偏差而不出光（特别对螺距是0.5mm 的、不可锁定的调节螺丝）。调节螺丝置于激光器内部，可避免这些事情产生，要调节输出镜、全反镜螺丝可通过调节孔可用螺丝刀调节（一般不用调节）。 外腔式氦氖激光器布氏窗与输出镜、全反镜之间的密封也是很重的，如密封性不好，会造成在使用过程中输出功率不断下降。由于静电作用，放电管极易吸灰，灰尘、潮气会污染布氏窗、输出镜、全反镜。布氏窗与输出镜、全反镜之间的密封，有用无弹性的圆筒状部件（如涤纶薄膜卷成的圆筒等）套在布氏窗与输出镜、全反镜之间的，有用乳胶指套套在布氏窗与输出镜、全反镜之间的，有用模具成型耐老化的硅胶套紧扣在布氏窗与输出镜、全反镜之间的。无弹性的圆成筒状部件密封差，而乳胶指套大半年就老化了，模具成型耐老化的硅胶密封最好。 外腔式氦氖激光器优点是单模输出激光功率大（放电管2米长的氦氖激光器单模输出功率近百毫瓦）、激光线偏震输出。缺点是结构复杂，成本高。价格高。 2、内腔式氦氖激光器
近代物理实验报告 指导教师： 得分： 实验时间： 2009 年 03 月 17 日， 第 三 周， 周 三 ， 第 5-8 节 实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜 同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙 实验地点： 综合楼 501 实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压 实验题目： 氦氖激光器的模式分析 实验仪器：（注明规格和型号） 扫描干涉仪；高速光电接收器；锯齿波发生器；示波器； 半外腔氦氖激光器及电源；准直用氦氖激光器及电源；准直小孔。 实验目的： （1） 了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法； （2） 学习观测激光束横模、纵模的实验方法。 实验原理简述： 1. 激光器模式的形成 激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。如果用某种激励的方式，使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布，由于自发辐射的作用，将有一定频率的光波产生，并在谐振腔内传播，被增益介质增强、放大。形成持续振荡的条件是：光在谐振腔内往返一周的光程差为波长的整数倍，即 q q uL λ=2 满足此条件的光将获得极大的增强。 每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布λq ，叫一个纵模，q 称为纵模序数。纵模的频率为 uL c q q 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为 uL c q 21= ?=?ν 因此可以得知， 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。
当光经过放电毛细管时，每反馈一次就相当于一次衍射，多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。模式指激光器内能够发生稳定光振荡的形式，每一个膜，既是纵模，又是横模，纵模描述了激光器输出分立频率的个数，横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定，光束的发散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。，一个膜由三个量子数表示，通常记作TEM mnq 。 横模序数越大，频率越高。不同横模间的频率差为： ?? ??????????????--?+?=?2 /121,)1)(1(arccos )(12' 'R L R L n m uL c n m mn πν 相邻横模频率间隔为： ?? ? ?????????????--?=?=?=?+?2 /12111)1)(1(arccos 1' R L R L q n m πνν 相邻横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，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，分数值就越大。 另外， 激光器中产生的横模个数，除了与增益有关外，还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关。 2. 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫描。 2.1 共焦球面扫描干涉仪的机构和工作原理 共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜构成，两块镜的曲率半径和腔长相等（即R 1=R 2=l ，构成共焦腔）。其中一块反射镜固定不动，另一块反射镜固定在可随外电压变化而变化的压电陶瓷环上。如右图所示，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R 1、R 2总处于共焦状态。 当一束波长为λ的光近轴入射到干涉仪内时，在忽略球差的条件下，在共焦腔中经四次反射形成一条闭合路径，光程近似为4l ，如右图所示 编号为1和1’ 的两组透光强分别为： 1 222201]sin )12(1)[1(--+-=βR R R T I I 和 121'I R I = β为往返一次所形成的相位差，即 λπβ/22?=ul
新型光学谐振器和热透镜效应 Thomas Graf Rudolf Weber, and Heinz-P. Weber 应用物理研究所，Beme Sidlerstrasse 5大学，CH - 301 2 Beme，瑞士 概要 激光谐振腔支持稳定的振荡的最大功率范围主要是由活性介质（热）材料常数和冷却方法所决定。通过控制稳定的基本模式操作的功率范围，可以转移到更高的能量，具有特殊的腔设计和腔内光学但稳定范围的宽度不会受到影响。此外，在泵的活性介质强度增加也加剧了非球面元件的热诱导的扭曲。因此，开发新颖的谐振器时，分析这些热效应具有重大意义。我们目前对热诱导的扭曲，一种新型的多棒激光腔，变量配置的谐振器（VCR）进行分析。对热效应进行了数值模拟和实验的研究。我们目前对各种抽水和冷却方案进行比较后发现复合棒端面泵浦激光器提供最有效的冷却。VCR被开发调控基本模式激光器的功率范围。由于其能力作为法布里- 珀罗谐振器，它克服了稳定性与传统的多棒谐振器相关的问题，并允许一个新的Q开关技术作为一种环形腔运行。 关键词：固态激光器，二极管泵浦激光器，光学谐振器，热透镜效应，热致双折射。 1.介绍 二极管泵浦固态激光器，有着广泛的工业和科学应用。二极管激光器价格的不断下降，应用正在扩展到高功率范围。此外，泵浦方式的改善使二极管激光辐射高效和紧聚焦到激光材料。由于大量吸收功率，这将导致强烈的局部加热。因此，在固态激光材料的热效应已经获得了相当高功率，半导体激光泵浦全固态激光器作为一个发展中的关键问题的重要性被提高。 选中激光材料后，热效应只与冷却的方法有关，然后必须采用适当的谐振器设计。我们在下面的实验和数值调查报告二极管激光的热效应泵浦全固态激光器和特殊的光学谐振器的发展。热透镜效应和应力引起的双折射用于比较四种不同的冷却技术。完全验证的数值有限元（FE）代码，它也适用于区分不同的热透镜效应的贡献- 比如弯曲的表面和折射率变化与温度和应力性曲折分析高功率激光器的功率调整的极限。进一步的功率调节功能则需要使用更长的侧面泵浦激光棒多棒谐振器的使用。多棒谐振器特别适合规模在几十瓦的顺序输出功率，高光束质量的激光器的输出功率。在这种情况下，热扭曲分发到几个激光棒，在同一个腔泵的功率降低。我们报告一个独特的激光谐振腔，变量配置的谐振器（VCR），他具有反向泵浦多棒谐振器的可调性。特别是录像机的稳定性能与传统的多棒的法布里- 珀罗谐振解决了严重的稳定性问题，并允许一个新的Q开关技术。在下面的章节中，我们将首先考虑球面镜片的近似热引起的扭曲，并讨论TEM0模式激光器的规定下能量的限制。 我们对不同的激光棒的冷却方法进行了比较。热致双折射所造成的损失在短期内第3节中讨论。
氦氖激光束的模式分析 1958年法国人柯勒斯（Connes）根据多光束的干涉原理，提出了一种共焦球面干涉仪。到了60年代，这种共焦系统广泛用作激光器的谐振腔。同时，由于激光科学的发展，迫切需要对激光器的输出光谱特性进行分析。全息照相和激光准直要求的是单横模激光器；激光测长和稳频技术不仅要求激光器具有单横模性质，而且还要求具有单纵模的输出。于是在共焦球面干涉仪的基础上发展了一种球面扫描干涉仪。这种干涉仪以压电陶瓷作扫描元件或用气压进行扫描，其分辨率可达107以上。 共焦腔结构有许多优点。首先由于共焦腔具有高度的模简并特性，所以不需要严格的模匹配，甚至光的行迹有些离轴也无甚影响。同时对反射镜面的倾斜程度也没有过分苛刻的要求，这一点对扫描干涉仪是特别有利的。由于共焦腔衍射损失小而且在反射镜上的光斑尺寸很小，因此可以大大降低对反射面的加工要求，便于批量生产、推广使用。 【实验目的】 1.了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法。 2.学习观测激光束横模、纵模的实验方法。 【实验仪器】 WGL-4 型氦氖激光器模式实验装置 (含氦氖激光器及其电源、扫描干涉仪、高速光电接收器及其电源、锯齿波发生器、示波器。) 【实验原理】 一、激光器模的形成 激光是由受激辐射产生的。在光子作用下，当高能级的粒子向低能级跃迁时，产生一个和入射光子频率，相位及传播方向相同的光子，称为受激辐射。 在热平衡情况下，原子的能量按玻尔兹曼分布。当原子受外界能量激励时(称泵浦)，从低能级跃迁到高能级，泵浦方式可能是光激励，碰撞激励，热激励，化学激励等。介质经过泵浦可出现高能级粒子布居数超出低能级的情况，这种违反玻尔兹曼分布的情况称为粒子数反转。在实现粒子数反转的情况下，受激辐射可以大于受激吸收，从而产生光放大。因此，实现粒子数反转是激光产生的基本条件。 He—Ne激光器的工作物质是He 、Ne混合气体，泵浦方式为气体放电。气体放电引起粒子碰撞，碰撞激发He原子，He原子的能量经共振转移交给Ne原子，使Ne 原子的3S2、2S2能级的粒子布居数超过比它低的3P4、2P4能级。3S2—2P4的能级间距所相应的波长为6328?。 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，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1所示。实际上，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1所示，图中) G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，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，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形成稳定、持续
模式分析 一．氦-氖(He-Ne)激光器简介 氦氖激光器（或He-Ne激光器）由光学谐振腔(输出镜与全反镜）、工作物质(密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成。二电极通过毛细管放电激励激光工作物质，在氖原子的一对能级间造成集居数反转，产生受激辐射。由于谐振腔的作用，使受激辐射在腔内来回反射，多次通过激活介质而不断加强。如果单程增益大于单程损耗，即满足激光振荡的阈值条件时，则有稳定的激光输出。内腔式激光器的腔镜封装在激光管两端。 二．氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理 氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。 三．He-Ne激光器结构及谐振腔 He－Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作。He－Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。He－Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。 四．氦-氖(He-Ne)激光器的速率方程
氦氖激光器实验 袁庆勇 081273018 信息工程 一、实验仪器 氦氖激光器、光功率指示仪、硅光电池接收器、狭缝、微动位移台、扫描干涉仪、高速光电接收器及其电源、锯齿波发生器、示波器、氦氖激光器及其电源。 氦氖激光器技术参数： 谐振腔曲率半径 1m ∞ 中心波长 632.8nm 共焦球面扫描干涉仪技术参数： 腔长20mm 凹面反射镜曲率半径20mm 凹面反射镜反射率99% 精细常数>100 自由光谱范围4GHz 二、实验目的 Ⅰ、氦氖激光束光斑大小和发散角 1、掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法。 2、深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义。 Ⅱ、共焦球面扫描干涉仪与氦氖激光束的模式分析 1、了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法。 2、学习观测激光束横模、纵模的实验方法。 三、实验原理 激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数，激光束虽有方向性好的特点，但它不是理想的平行光，而具有一定大小的发散角。在激光准直和激光干涉测长仪中都需要设置扩束望远镜来减小激光束的发散度。 1、激光束的发散角θ θ为激光束的发散角，()()0=2/2/z z θλπωω=,z 很大 只要我们测得离束腰很远的z 处的光斑大小2 w(z)，便可算出激光束发散角。 2、激光束横向光场分布 将光束半径w(z)定义为振幅下降到中心振幅1/e 的点离中心的距离，光束半径w(z)也可定义为光强下将为中心光强e -2倍的点离中心点的距离。 3、光束半径和发散角的测量 束腰处的光斑半径为 由这个值，也可从算出激光束的发散角θ 4、纵模频率差△ν=c/2n 2L ，L 为激光器腔长 5、不同横模之间的频率差 6、自由光谱范围△λ： 7、精细常数F ：()F=1-R
氦氖激光器的参数测量（参考讲义） 一台激光器的小信号增益系数,腔内损耗α，饱和光强及最佳透过率是重要的激光参数，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，激光输出是通过在腔内插入可旋转平行板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光的输出功率随平行板的旋转角度而改变，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，用作图法获得以上参数。 0G s I opt Γ一、 实验原理 光谱线的宽度一般由以下几部分组成：自然增宽N v Δ，碰撞增宽 ，和多谱勒增宽 ，自然增宽和碰撞增宽属均匀增宽线型，多谱勒增宽属非均匀增宽线型，自然增宽与谱线上下能级寿命成反比，如下式所示 ????????+=Δττπν121121N (1) 式中1τ,2τ分别为上、下能级寿命。碰撞增宽与气体压力p 成正比，如下式所示 ap =Δρν (2) 式中a 为压力加宽系数，因不同气体不同谱线而异。多谱勒增宽由激发谱线的粒子速度分布决定，与介质温度T 及原子量M 有关，还与激发谱线的中心频率0ν成正比，如下式所示 ()02/17/1016.7ννM T D ?×=Δ (3) 式中0ν为谱线中心频率。对某一谱线究竟哪种增宽起主要作用，属哪种线型有具体的物理条件决定。 1. 不同线型的增益饱和特性 激光介质的增益吸收关于是随腔内光强的增加而下降的，这种现象叫做增益饱和，不同线型其增益饱和行为不同。以均匀增宽为主的线型其增益饱和特性由下式描述： )()/1()2/()()2/()(002202 v G I I v v v v v G s v +Δ+?Δ= (4) 式中为腔内光强趋于零时频率中心处的益系数，叫做小信号增益系数。 为线型宽度,为频率为)(00v G v Δv I v 的激光强度,为饱和光强。s I s I 与下列物理量的关系)1(为
He-Ne 激光器模式分析 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，了解其原理、性能，学会正确使用。 二 实验仪器 实验装置如图1所示。实验装置的各组成部分说明如下： 1 待测He-Ne 激光器。 2 激光电源。 3 小孔光阑。 4 共焦球面扫描干涉仪。 5 接收器。 6 电子计算机。 三 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。如果用某种激励方式，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 所示。实际上，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3所示，图中)( G 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，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，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形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即 q q L λμ=2 （1） 式中，μ为折射率，对气体μ≈1；L 为腔长； q 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q 对应纵向 一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，q 称作 纵模序数。q 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q 值， 即激光器有几个不同的纵模。从（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，q 值反映的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为 L c q q μν2= （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 L c L c q 221≈=?=?μν （3） 从（3）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 模运行激光器的方法之一。 光波在腔内往返振荡时，还需要增益大于各种损耗的总和，
通信与信息工程学院 激光器件与应用课程设计 通信与信息工程学院 二0—六年
氦氖激光器电源设计 1实验目的 1）熟悉激光器的基本原理和组成； 2）掌握氦氖激光器工作原理； 3）掌握气体激光器对电源的要求； 4）学会气体激光器电源的设计和制作方法； 5）完成3mV氦氖激光器放电电源的制作与调试。 2实验仪器设备 He-Ne激光器、万用表、线路板、1N4007型二极管、0.022尸瓷片容器 10uF电解电容、1M Q电阻、44K Q 10W碳膜电阻。 3氦氖激光器的工作原理 3.1氦氖激光器的基本组成 1）放电管 放电管由放电毛细管和贮气管构成，其中毛细管处于增益介质工作区，是决定激光器输出性能的关键组成部分，之所以采用毛细管结构是由氖原子的能级结构决定的。贮气管与毛细管相连，且毛细管的一端有隔板，这是为了保证放电管的工作物质总量，使毛细管内的气体得到不断的更新，减缓了放电时毛细管内 的杂质气体的增加和氦氖气压比的变化速率，延长了器件寿命。普通的氦氖激光器放电管一般用GG17硬质玻璃制成，而高稳定性器件常采用热胀洗漱更小的适应玻璃制成。 2）电极 电极有阳极和阴极，阴极多采用冷阴极方式，冷阴极材料多采用阴极溅射效应小，电子发射率高的铝和铝合金制成。为了进一步增加电子发射截面和降低溅射效应，阴极常制成圆筒状，并有尽可能大的尺寸；阳极一般用钨针制成。一般氦氖激光器多采用直流放电激励，处于正常辉光放电区域，属于高电压、低电流自持放电，起辉电压约为 8kV/m,放电电流在几毫安到几百毫安范围内，作为增益区域的毛细管几乎整体处在正柱区中。 3）光学谐振腔 光学谐振腔有一对镀有多层高反射率介质膜的反射镜组成，一般采用平凹腔形式，
共焦球面扫描干涉仪调整及高斯光束变换与测量实验 刘岩1, 贾艳1 （1.东北师范大学，吉林长春 130000） 摘要：本文介绍了氦氖激光器的原理及其相关的基本结构，并系统的做了氦氖激光器系列实验中的共焦球面扫描干涉仪调整实验和高斯光束变换与测量实验。 关键词：氦氖激光器；共焦球面扫描；高斯光束；干涉仪 中图分类号：G3 文献标识码：A 引言 虽然在1917年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，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。激光器由光学谐振腔、工作物质、激励系统构成，相对一般光源，激光有良好的方向性，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，但它也有一定的发散度。在激光的横截面上，光强是以高斯函数型分布的，故称作高斯光束。同时激光还具有单色性好的特点，也就是说，它可以具有非常窄的谱线宽度。受激辐射后经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉，最后形成一个或者多个离散的、稳定的谱线，这些谱线就是激光的模。在激光生产与应用中，如定向、制导、精密测量、焊接、光通讯等，我们常常需要先知道激光器的构造，同时还要了解激光器的各种参数指标。因此，激光原理与技术综合实验是光电专业学生的必修课程。 1 实验原理 1.1氦氖激光器原理与结构 氦氖激光器（简称He-Ne激光器）由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成。对He-Ne 激光器而言增益介质就是在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。内腔式He-Ne激光器的腔镜封装在激光管两端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、输出镜及全反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输出镜与全反镜之间平行度，使激光器工作时处于输出镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态。在激光管的阴极、阳极上串接着镇流电阻,防止激光管在放电时出现闪烁现象。氦氖激光器激励系统采用开关电路的直流电源，体积小，份量轻，可靠性高，可长时间运行。 图1 氦氖激光器原理图 1.2 高斯光束的基本性质 众所周知，电磁场运动的普遍规律可用Maxwell方程组来描述。对于稳态传输光频电磁场可以归结为对光现象起主要作用的电矢量所满足的波动方程。在标量场近似条件下，可以简化为赫姆霍兹方程，高斯光束是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以足够好地描述激光光束的性质。使用高斯光束的复参数表示和ABCD定律能够统一而简洁的处理高斯光束在腔内、外的传输变换问题。在缓变振幅近似下求解赫姆霍兹方程，可以得到高斯光束的一般表达式： () 2 2 2() [] 2() 00 , () r z kr i R z A A r z e e z ω ψ ω ω --- =?（1） 式中，A0为振幅常数；ω(z)定义为场振幅减小到最大值的e-1的r值称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值；ω(z)、R(z)、Ψ分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数，其具体表达式分别为：
氦氖激光器系列实验 第一章 简 介 氦氖激光器系列实验，主要用于氦氖激光器相关的参数测量。通过有关实验，可以掌握氦氖激光器的调整方法，了解激光器的基本原理、基本结构以及输出激光的特性等。主要用于高校物理教学演示。 1.1实验项目 1、氦氖激光器半内腔谐振腔调节实验。 2、氦氖激光器功率稳定性的测量实验。 3、氦氖激光器光斑发散角的测量实验。 4、用共焦球面扫描干涉仪观察、分析、判断激光器的模式组成。 1.2 技术参数 半内腔氦氖激光器 谐振腔曲率半径 1m ∞ 中心波长 632.8nm 全内腔氦氖激光器 腔长 250mm 功率 ≥1.5mW 中心波长 632.8nm 共焦球面扫描干涉仪 反射中心波长 632.8nm 自由光谱范围 2.5GHz 精细常数 ＞100 第二章 激光原理 2.1普通光源的发光—受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级， 即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E 2）的电子寿命很短 （一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E 1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为 12E E h ?=ν
这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外其位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。在通常热平衡条件下，处于高能级E 2上的原子数密度N 2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E 的原子数密度N 的大小随能级E 的增加而指数减小，即N ∝exp(－E /kT )，这是著名的波耳兹曼分布规律。于是在上、下两个能级上的原子数密度比为 ]/)(exp[/1212kT E E N N ??∝ 式中k 为波耳兹曼常量，T 为绝对温度。因为E 2>E 1，所以N 2< He-Ne 激光器模式分析 一、实验目的 1、了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解； 2、通过测试分析，掌握模式分析的基本方法； 3、了解实验使用的共焦球面扫描干涉仪的工作原理及性能，学会正确使用。 二、实验原理 1.激光模式的一般分析 稳定腔的输出频率特性： L C V mnq η2=[)1(1+++n m q π]cos -1[(1—1 R L )(1—2R L )]1/2 （1） 其中：L —谐振腔长度； R 1、R 2—两球面反射镜的曲率半径； q —纵横序数； m 、n —横模序数； η—腔内介质的折射率。 （1）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为： )(12'':n m L C n m mn ??πηυ?+=cos -1[（1－1R L ）(1－2 R L )]1/2 （其中Δm=m －m ′；Δn=n －n ′） （2） 对于相同的横模，不同纵模间的频差为q L C q q ?ηυ?2':= （Δq=q －q ′） 相邻两纵模的频差为 F 2C ηυ=?q （3） 由（2）、（3）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。 （2）式除以（3）式得 cos )(1'':n m n m mn q ??πν??+=-1[(1－1R L )(1－2 R L )]1/2 （4） 设：q n m mn υ?υ??' ':= ； S=π 1cos -1[(1－)]1)(21R L R L -1/2 Δ表示不同的两横模（比如υ00与υ10） 之间的频差与相邻两纵模之间的频差之比，于是（4）式可简写作： S )(?=?+?n m （5） 2. 共焦球面扫描干涉仪的工作原理 （1）共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图2-2所示，反 .实验一 利用共焦扫描干涉仪分析激光器的模式 一、实验目的 1.了解稳定球面腔激光器的模式结构； 2.掌握利用共焦扫描干涉仪分析激光器输出模式的方法。 二、实验原理 1.激光模式的一般分析 由光学谐振腔理论可以知道，稳定腔的输出频率特性为： L C V mnq η2= [)1(1+++n m q π]cos -1[(1—1R L )(1—2R L )]1/2 (1) 其中：L —谐振腔长度； R 1、R 2—两球面反射镜的曲率半径； q —纵横序数； m 、n —横模序数； η—腔内介质的折射率。 横模不同（m 、n 不同），对应不同的横向光场分布（垂直于光轴方向），即有不同的光斑花样。正因为如此，人们常用目测方法判断激光器的横模结构，这对于简单且规范的横模花样较方便，但对于复杂的横模，目测则很困难。精确的方法是借助于仪器测量，本实验就是利用共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。 由（1）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为： )(1 2' ':n m L C n m mn ??π ηυ?+= cos -1[（1－1R L ）(1－2R L )]1/2 （2） 其中：Δm=m －m ′； Δn=n －n ′ 对于相同的横模，不同纵模间的频差为 q L C q q ?ηυ?2':= 其中：Δq=q －q ′，相邻两纵模的频差为 L C q ηυ?2= （3） 由（2）、（3）式看出，稳定球面腔有如图1—1的频谱。 （2）式除以（3）式得 cos )(1 '':n m n m mn q ??π ν??+=-1[(1－1R L )(1－2R L )]1/2 （4） 设： q n m mn υ?υ??'':= ； S= π 1 cos -1[(1－ )]1)(2 1R L R L -1/2 Δ表示不同的两横模（比如υ00与υ10） 之间的频差与相邻两纵模之间的频差之比，于是（4）式可简写作： S n m ? = ?+?)( （5） 只要我们能测出Δ，并通过产品说明书了解到L 、R 1、R 2（这些数据生产厂家常给出），那么就可以由（5）式求出（Δm +Δn ）。如果我们选取m=n=0作为基准，那么便可以判断出横模序数m 、n 。 例如，我们通过测量和计算求得（Δm +Δn ）=2，那么，激光器可能工作于υ00、 υ 10、υ01、υ11、υ20、υ02。 2.共焦球面扫描干涉仪的基本工作原理 共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图1—2。反射镜的曲率半径R 1=R 2=L 。 半导体激光器和氦氖激光器的比较 总体来讲，红光半导体激光器与氦氖激光器相比各有其优势和劣势。本文对氦氖激光器与半导体激光的优缺点进行一些简述，希望对不同应用的客户在选择激光器时产生些许帮助。 激光功率稳定性对比 半导体激光器模块的核心部件为半导体激光管，即LD（LaserDiode），绝大多数半导体激光器模块生产厂家均是购买来LD然后进行装配的。 半导体激光管（LD）的激光输出功率会随其壳体的温度变化而有较大变化。下图为一个典型的半导体激光管的功率－电流曲线，从图中可以看到对于同一电流输入的情况，不同的壳体温度会导致激光管输出的功率产生变化。 半导体激光器模块从散热方式上可以简单的分为两种：带温控（TEC）的半导体激光器与不带温控的半导体激光器。 对于指示或对准等应用，即对激光功率稳定性及激光噪声要求不高的应用，不带温控的半导体激光器模块因其低廉的价格而被大量使用。 而对于需要较高激光功率，或对激光功率稳定性及激光噪声要求较高的应用，一般均采用带温控的半导体激光器。另外，温控对于延长半导体激光器的寿命有很大的帮助。 氦氖激光器是一种气体激光器，其结构如下图， 在一定工艺的保证下，高质量的氦氖激光器具有良好的输出功率稳定性和极低的激光噪声水平，并且激光参数受环境温度影响非常小。以MellesGriot公司25-LHP系列氦氖激光器为例，其8小时功率稳定性小于+/-2%；在30Hzto10MHz 范围内激光噪声（RMS值）小于0.5%；激光器工作温度可从－20°C到＋40°C。 激光输出波长 半导体激光器的中心波长的一致性比较差，不同批次的半导体激光管的中心波长一般来说都会略有差别。所以在标明半导体激光器的波长时，正规的标法应该是给出一个波范围。例如MellesGriot公司56RCS004/HS（28mW）的波长范围为636–641nm；56RCS009/HS（45mW）波长范围为640–645nm；56RCS008/HS（75mW）波长范围为655–665nm。 并且半导体激光管（LD）输出波长会随其壳体温度的改变而变化，在壳体温度变化20度的情况下，其输出波长有常常会变化几个纳米。 氦氖激光器的输出波长为准确的632.8nm，并且不会随功率、批次及工作温度的变化而发生改变。 光束质量（发散角，光斑）。 半导体激光管（LD）的发出的激光束的发散角非常大，且两个方向的发散角不同（如下图），所以绝大多数半导体激光模块都要对半导体激光管发出的激光进行光束整形。 摘要 摘要：通过本实验了解了激光原理，光学谐振腔的结构。掌握谐振腔的模式稳定原则，并学会用其设计一个稳定的激光谐振腔。同时掌握激光模式分析的基本方法，加深对其物理概念的理解。最后了解共焦球面扫描干涉仪的工作原理，性能。 关键词：光学谐振腔，氦氖激光器模式分析 1绪论 1.1激光器模式的形成 首先说纵模。 受激辐射不是绝对的单一波长，而是有一个很窄的频宽的，虽然电子的能级是一个定值，但因为热运动等各种原因，能级会展宽。当激光器工作物质被激发，发出受激辐射光的时候，在这个频宽范围内的各种波长的光子都有，其数量是以中心频率为对称轴的正态分布。这些所有波长的光子都试图在谐振腔中得到谐振从而成为优势波长。如果谐振腔足够短，它仅仅是这所有波长中某一特定波长的整数倍，那么就只有这一特定波长的光子得以谐振成为优势波长，激光器会输出真正的单色光，这就是单纵模。 因为实际的谐振腔通常都比较长，在受激辐射的波长范围内，它可能同时是好几个波长的整数倍，因此会有好几种波长都得到谐振，这样的激光器就会输出好几种波长的光（由于受激辐射带宽本身很窄，所以这几个波长也非常接近），这就是多纵模。 Figure 1纵模的形成 其次说横模 如果激光器的谐振腔两反射面及工作物质端面都是理想平面，就不会有除了基模以外的其它横模输出。这种情况下只有一个以工作物质直径为直径的基模输出。因为此时只有基模状态下的光才能形成多次反射谐振的条件。 但是事实上反射面和端面都不可能是理想平面，尤其是在固体激光器中，工作物质受热发生凸透镜效应，导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异的某些光也可能符合多次反射的谐振条件，于是激光器会输出几个方向各不相同的光束。（这个方向差异通常非常小）多横模损害了激光器输出的良好方向性，对聚焦非常不利，因此在需要完美聚焦的情况下，应当尽量减少横模。 1.2 纵模越多，单色性、相干性越差。谐振腔越短，纵模越少，因此在要求高单色性的时候，应尽量减小谐振腔长度。 多横模损害了激光器输出的良好方向性，对聚焦非常不利，因此在需要完美聚焦的情况下，应当尽量减少横模。 减少横模的主要途径有：1、改善谐振腔反射镜与工作物质端面所形成的光路的等效平面性，如果产生了凸透镜效应则要想办法补偿；2、减小谐振腔和工作物质直径。He-Ne激光器模式分析实验
.实验一 利用共焦扫描干涉仪分析激光器的模式.
半导体激光器和氦氖激光器的比较
激光模式
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