第三章典型激光器报告

第3章激光器的输出特性前两章由发光的物理基础出发,对激光产生的工作原理进行了研究，对于在激光谐振腔中受激辐射大于自发辐射而导致光的受激辐射放大的过程和条件进行了很详细的讨论，为研究从激光谐振腔中传播，到其在腔外的光束强度与相位的大小与分布，也就是激光的输出特性打下了基础。

激光器作为光源与普通光源的主要区别之一是激光器有一个谐振腔，谐振腔倍增了激光增益介质的受激放大作用长度以形成光的高亮度，提高了光源发光的方向性。

实际上激光的第三个重要特点——高度的相干性也是由谐振腔决定的。

由于激光器谐振腔中分立的振荡模式的存在，大大提高了输出激光的单色性，改变了输出激光的光束结构及其传输特性。

因此本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率以及激光器输出的线宽极限。

3.1光学谐振腔的衍射理论2.1节中利用几何光学分析方法讨论了光线在谐振腔中的传播、谐振腔的稳定性问题以及谐振腔的分类。

而有关谐振腔振荡模式的存在、各种模式的花样也就是光束结构及其传输特性、衍射损耗等，只能用物理光学方法来解决。

光学谐振腔模式理论实际上是建立在标量理论的菲涅耳——基尔霍夫衍射积分以及模式再现概念的基础上的，本节用这种方法来讨论光学谐振腔。

3.1.1菲涅耳——基尔霍夫衍射公式惠更斯为了描述波的传播过程，提出了关于子波的概念，认为波面上每一点可看作次球面子波的波源，下一时刻新的波前形状由次级子波的包络面所决定。

菲涅耳引入干涉的概念，补充了惠更斯的原理，认为子波源所发的波应是相干的，空间光场是各子波干涉叠加的结果。

基尔霍夫进一步用格林函数方法求解波动方程，得到惠更斯一菲涅耳原理的数学形式，就是菲涅耳——基尔霍夫衍射公式(3-1)，其意义如图（3-1）所示。

图（3-1）惠更斯一菲涅耳原理设波阵面∑上任一源点'P 的光场复振幅为'(')u P ，则空间任一观察点P 的光场复振幅()u P 由下列积分式计算()'(')(1cos )'4ik ik e u P u P ds ρθπρ-∑=⎰⎰＋ (3-1)式中ρ为源点'P 与观察点P 之间的距离；θ为源点'P 处的波面法线n 与'PP 的夹角； 2k πλ=为光波矢的大小，λ为光波长；'ds 为源点'P 处的面元。

第三章、激光干涉测量干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行高精密测量的一门技术。

20世纪60年代激光的出现，才使干涉测量技术得到了长足的发展。

因为激光出现以前，所用以光源单色灯经过滤光片滤光作为单色光源，其相干长度只有几mm ，且干涉条纹比较模糊，只能微小变化的测量。

激光的出现，由于激光束的高亮度和很长的相干长度（He-Ne 激光器，相干长度几十Km ），使得干涉测量的测量精度、可测量长度都有了质的提高。

激光干涉测量的应用范围很广，可用于长度、位移、角度、形状、介质折射率（通过折射率的变化还可以测量压力、温度等）变化。

激光干涉测量的原理就是将入射激光束分成两束，一束为参考光束，一束为测量光束，测量两束光的光程差的信息或n l kl n l n M j j j N i i i ⇒=-=∆∑∑==211λ。

本章主要介绍激光干涉长度测量、激光干涉微小间隙测量以及光纤干涉传感器所构成的温度、压力测量。

首先介绍激光干涉长度测量。

§3.1 激光干涉长度测量一、 激光干涉测长的基本原理干涉测长仪是一种利用“增量法”的测长仪器。

最基本的测长仪光路采用Michelson(迈克尔逊)干涉仪，参考反射镜M 1固定不动，目标反射镜M 2与被测对象固联，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差发生变化，因为两光束来自于同一相干光源（同一台激光器），两光束产生的干涉条纹也将发生明暗交替的变化（因为两反射镜M 1、M 2不可能完全垂直，故应为等厚干涉）。

假设目标反射镜从M 2移至'2M ，则二光束的光程差变化量为：nL l l n l L l n c m c m 2)(2)(2=---+=∆ （3-1-1） 当用光电探测器接收干涉条纹的明暗变化时，两光束的光程差每变化一个波长（λ），干涉条纹就明暗变化一次，所测得的干涉条纹变化次数λλ/2/nL k =∆=，n 为介质折射率，在空气中，n~1，故2/λk L =。

一、实验目的1. 熟悉激光的基本原理和应用。

2. 掌握激光器的基本结构和工作原理。

3. 学习使用激光器进行光学实验，观察激光的传播、干涉、衍射等现象。

4. 提高实验操作技能和数据分析能力。

二、实验原理1. 激光原理：激光是一种相干光，具有单色性好、方向性好、亮度高等特点。

激光的产生基于受激辐射原理，即当高能粒子（如电子）跃迁到高能级时，受到特定频率的光子激发，产生相同频率的光子，从而实现光的放大。

2. 激光器基本结构：激光器主要由增益介质、光学谐振腔和激励能源组成。

增益介质提供受激辐射的粒子，光学谐振腔形成驻波，放大受激辐射的光子，激励能源提供粒子跃迁所需的能量。

三、实验仪器与设备1. 实验仪器：激光器、光具座、分光计、干涉仪、衍射光栅、法布里-珀罗干涉仪等。

2. 实验设备：电源、计算机、数据采集卡等。

四、实验内容与步骤1. 激光器基本特性实验（1）观察激光束的传播：将激光器放置在光具座上，调整激光器使其发出的激光束垂直于光具座，观察激光束在空气中的传播情况，记录激光束的传播路径和形状。

（2）测量激光束的功率：使用激光功率计测量激光束的功率，记录数据。

2. 激光的干涉现象实验（1）双缝干涉实验：搭建双缝干涉实验装置，调整双缝间距和光源位置，观察干涉条纹，记录干涉条纹的形状和间距。

（2）白光干涉实验：将白光通过狭缝，形成单缝衍射图样，观察干涉条纹，记录干涉条纹的形状和间距。

3. 激光的衍射现象实验（1）单缝衍射实验：搭建单缝衍射实验装置，调整单缝宽度，观察衍射图样，记录衍射图样的形状和宽度。

（2）光栅衍射实验：搭建光栅衍射实验装置，调整光栅常数，观察衍射图样，记录衍射图样的形状和宽度。

4. 法布里-珀罗干涉仪实验（1）观察法布里-珀罗干涉仪的原理：搭建法布里-珀罗干涉仪实验装置，调整干涉仪，观察干涉条纹，记录干涉条纹的形状和间距。

（2）测量干涉仪的腔长：通过调整干涉仪的腔长，观察干涉条纹的变化，记录腔长与干涉条纹间距的关系。

激光实验报告he-ne激光器模式分析一．实验目的与要求目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。

对本实验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。

要求：用共焦球面扫描干涉仪测量he-ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。

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：vmnq?l1/21lc[q?(m?2n?1)]cos-1[(1—)(1—)] r2?r12?l (17)其中：l—谐振腔长度； r1、r2—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。

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（17）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为：mn:mn?ll1/2 c1(?mn)cos-1[（1－）(1－)] （18） r1r22?l?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:q?c?q 2?l 其中：δq=q－q′，相邻两纵模的频差为q?c 2?l （19）由（18）、（19）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。

（18）式除以（19）式得ll?mn:mn1?(?m??n)cos-1[(1－)(1－)]1/2 r1r2??q?（20）设：mn:mnq ； s=1?cos-1[(1－ll)(1?)]1/2 r1r2 δ表示不同的两横模（比如υ00与υ比，于是（20）式可简写作： 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之(?m??n)?? s （21）只要我们能测出δ，并通过产品说明书了解到l、r1、r2（这些数据生产厂家常给出），那么就可以由（21）式求出（δm+δn）。

一、实验目的1. 理解激光的基本原理，掌握激光器的结构和工作原理。

2. 学习使用激光器进行实验操作，观察激光的特性。

3. 掌握激光在光学实验中的应用，提高实验技能。

二、实验原理激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）是一种通过受激辐射放大光子的现象产生的特殊光源。

激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特点。

本实验主要研究激光的以下特性：1. 激光的光谱特性：观察激光的光谱线，分析激光的波长、线宽等参数。

2. 激光的方向性：观察激光束的传播路径，验证激光的高方向性。

3. 激光的相干性：观察激光干涉现象，验证激光的高相干性。

4. 激光的聚焦性：观察激光束聚焦后的光斑大小，验证激光的高聚焦性。

三、实验仪器与设备1. 激光器：He-Ne激光器、半导体激光器等。

2. 光具组：透镜、分光计、狭缝、光栅等。

3. 测量工具：钢板尺、光电计时器、频谱分析仪等。

四、实验步骤1. 激光器光谱特性实验：（1）将He-Ne激光器接入实验装置，调整激光器输出功率；（2）将激光束通过透镜聚焦，使光斑聚焦到光电计时器上；（3）调整分光计，使激光束入射到光栅上，观察光谱线；（4）记录光谱线位置、线宽等参数，分析激光的波长、线宽等特性。

2. 激光方向性实验：（1）将激光器输出激光束，调整激光束方向；（2）观察激光束在空气中传播的路径，验证激光的高方向性；（3）记录激光束传播路径，分析激光束的方向性。

3. 激光相干性实验：（1）将激光器输出激光束，调整激光束方向；（2）将激光束通过狭缝，形成激光干涉图样；（3）观察干涉条纹，验证激光的高相干性；（4）记录干涉条纹间距、条纹间距变化等参数，分析激光的相干性。

4. 激光聚焦性实验：（1）将激光器输出激光束，调整激光束方向；（2）将激光束通过透镜聚焦，观察聚焦后的光斑大小；（3）记录光斑大小、聚焦距离等参数，分析激光的高聚焦性。

第1篇一、实验目的1. 了解激光的基本原理和分类方法。

2. 掌握不同类型激光的特性及其应用。

3. 通过实验操作，加深对激光理论知识的理解。

二、实验原理激光是一种受激辐射的光放大现象，具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特点。

根据激光介质的不同，激光可分为固体激光、气体激光、液体激光和半导体激光等。

三、实验仪器与材料1. He-Ne激光器2. 气体激光器3. 固体激光器4. 半导体激光器5. 光谱仪6. 光电探测器7. 光具座8. 纸张、笔四、实验步骤1. 观察He-Ne激光器（1）将He-Ne激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。

（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。

（3）利用光谱仪分析He-Ne激光的波长，记录波长值。

2. 观察气体激光器（1）将气体激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。

（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。

（3）利用光谱仪分析气体激光的波长，记录波长值。

3. 观察固体激光器（1）将固体激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。

（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。

（3）利用光谱仪分析固体激光的波长，记录波长值。

4. 观察半导体激光器（1）将半导体激光器安装在光具座上，调整激光器至最佳工作状态。

（2）观察激光束的传播方向和光斑形状，记录观察结果。

（3）利用光谱仪分析半导体激光的波长，记录波长值。

五、实验结果与分析1. He-Ne激光器观察结果：He-Ne激光束为红色，传播方向性好，光斑形状为圆形。

分析：He-Ne激光器是典型的气体激光器，其波长为632.8nm，具有良好的单色性和相干性。

2. 气体激光器观察结果：气体激光束颜色多样，传播方向性好，光斑形状为圆形。

分析：气体激光器种类繁多，如CO2激光器、氩离子激光器等，具有不同的波长和特性。

3. 固体激光器观察结果：固体激光束颜色多样，传播方向性好，光斑形状为圆形。

第三章光和物质的相互作用Interaction of Radiation and Atomic Systems激光的基本理论电介质的极化光和物质相互作用的经典理论简介谱线加宽和线型函数典型激光器速率方程均匀加宽工作物质的增益系数非均匀加宽工作物质的增益系数•光频电磁场与物质的相互作用（特别是共振相互作用）是激光器的物理基础•对大多数激光器，指光与组成物质的原子（或离子、分子）内的电子之间的共振相互作用•强度特性（烧孔效应，兰姆凹陷，增益饱和等）激光的基本理论•经典理论：用经典电动力学的Maxwell方程组描述电磁场，将原子中的运动视为服从经典力学的振子，也称为经典原子发光模型•半经典理论：采用经典Maxwell方程组描述光频电磁波，而物质原子用量子力学描述（兰姆理论）•量子理论：对光频电磁波和物质原子都作量子化处理，并将二者作为一个统一的物理体系加以描述（量子电动力学）•速率方程理论：量子理论的简化形式，从光子（量子化的电磁场）与物质原子的相互作用出发，忽略了光子的相位特性和光子数的起伏特性•激光器的严格理论是建立在量子电动力学基础上的量子理论，它在原则上可以描述激光器的全部特性。

•用不同近似程度的理论去描述激光器的不同层次的特性，每种近似理论都揭示出激光器的某些规律，但也掩盖着某些更深层次的物理现象。

物质的能级结构跃迁物质都是由原子组成的，原子的经典模型可以看成是简谐振动的电偶极子。

实际上原子模型要运用到量子概念。

原子中的电子可以在一些特定的轨道上运动，处于定态，并具有一定的能量。

这样一来．高中化学中学过了电子云实际就是电子态。

处于不同电子态的原子具有不同的能量，称之为原子系统（电子）的能级。

每种原于就有一系列的与不同定态对应的能级，各能级间的能量不连续。

波尔假说：（1922年诺贝尔物理学奖）1.原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。

原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、E2、。

实验一 氦氖激光系列实验一、实验内容：1、氦氖激光器的调节 2、氦氖激光器的输出功率 3、氦氖激光器发散角测量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 二、实验仪器：氦氖激光器、调节板、谐振腔反射镜、半内腔氦氖激光器、激光功率指示仪、共焦扫描仪、示波器 三、实验原理及方法次为例）10/1010∑==i i P P其中：0P 为十次测量的平均值。

激光器功率漂移=η%100/0⨯∆P P 其中2/)(min max P P P -=∆固定输出镜，调至出光，旋转输出镜俯仰倾斜旋钮，结合功率计，将其输出调至最大。

打开激光器电源并预热20～30分钟，将激光器光束对准激光功率指示仪探头中心位置，每隔10分钟记录一次，测量氦氖激光器的输出功率随时间变化曲线。

3. 用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布。

实验中使刀口平行于y 轴，沿垂直于x 轴方向移动当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了a x ≤的所有点。

未被刀口挡住而通过的光功率P 用余误差函数表示为：)2(2),(0a Werfc P dxdy y x I P a==⎰⎰ 如果先用刀口把光束全部挡住，然后把刀口缓慢拉出时，未被刀口挡住而通过的光功率可用相应的误差函数表示。

)exp(),(2220σy x p y x I +-=)2(210σaerfc p p = 其中2/W =σ是数理统计中的标准偏差。

根据上式作出的归一化高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示可以证明，相对功率为0.25和0.75的点分别位于高斯分布曲线极大值两侧，其距离σ6745.0=p e 。

所以从由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线就可确定p e 的值。

算出σ值后就可计算P/0P 的理论值，进行曲线拟合。

如果拟合的好，就证明基横模光强是高斯分布。

用p e 的值可以计算光斑大小：)2(4826.1p e W = )2(7456.12/1p e D =如图所示，将刀口位于激光光斑边缘位置，并将功率计置于刀口后面来测量未被刀口挡住的激光光功率。