A24余娜05323072氦氖激光器参数测量

氨覆激光参数测量组号：A24余娜05323072合作人：洪锋1.激光原理概述1.1普通光源的发光普通光源发出的光是由于物质受到外来能量的作用，原子中的电子吸收能量从低能级跃迁到高能级，即原子被激发，激发是一个受激吸收过程。处于高能级的电子很不稳定，又自发跃迁回低能级，同时辐射光子。这种辐射称为自发辐射。原子的自发辐射是随机过程。不同原子辐射的光具有不同的方向、位相和偏振状态，频率也不单一。在通常热平衡条件下，处于高能级的原子数密度远小于处于低能级的原子数密度。这是因为根据玻尔兹曼分布规律，处于某一能级的原子数密度随能级的升高成指数衰减。1.2受激辐射和光的放大由量子理论可知，电子从高能级向低能级跃迁只能发生在角量子数相差也就是说，在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这些能级上,迁条件，可以使电子在这种能级上有较长的寿命，这些能级称为亚稳态能级下，电子可以迅速跃迁到低能级，并释放光子，这个过程称为受激辐射。受激辐射的光子与入射的诱发光子具有相同的频率、方向、偏振状态和位相，于是入射一个光子，可以得到两个相同的光子，即原来的光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的光就是激光。高能志原子o低能态原子双能级原子中的三种跃迂1.3粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，也能引起受激吸收。只有当处在高能级的粒子数比低能级的粒子数多时，受激辐射才能超过受激吸收。由此可见，使光源发射激光的关键是发光原子处在高能级的数目比处在低能级上的多。这种情况称为粒子数反转。2 .激光器的结构激光器一般包括三个部分，工作物质、激励源和谐振腔。2.1激光工作物质1的两个状态之间。由于不满足上述跃但在外加光的刺激激光的产生须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体或半导体，在这种物质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。2.2激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。2.3谐振腔有了工作物质和激励源，可以产生粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很小。于是人们用光学谐振腔对之进行放大。光学谐振腔实际上是在激光器两端面对面装上两块反射率很高的反射镜，一面几乎全反射，一面大部分反射，以使激光透过这面镜子射出。被反射回工作物质的光，继续诱发受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，产生强烈的激光，从部分反射的镜子一端输出。3 .技术参数氮敏激光器港振腔曲率芋仔1 11111118 8中心波长632岛nm共焦球面扫描干涉仪腔长凹面反射镜曲率半径20mm凹面反射辘反射率99%精细常数100自由光谱范围4GIIz4 .氢速激光器系列实验实验一氨就激光束光斑半径和发散角的测量实验目的2 .掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法、3.深入理解基膜激光束横向光场的高斯分布的特性及激光束发散角的意义。实验仪器用具氨窥激光器、光功率指示仪、硅光电池接受器、狭缝、微动位移台、准直光源和准直小孔。实验原理激光器发出的激光束在空间的传播如图1-1所示，光束截面最细处成为束腰。我们将柱坐标(z、r、4)的原点选在束腰截面的中点，z是光束传播方向。束腰截面半径为w距束腰为z处的光斑半径为w(z),则z21/2w(z)Wo1()W0其中是激光波长。上式可改写成双曲线方程图1T激光束的发散用国I2高斯光束的振幅分布和光强分布2激光束横向光场分布如图1-1,激光束沿z轴传播，其基模的横向光场振幅随柱坐标值r的分布为高斯分布的形式/胡I(1.2)式中Eoo(z)是离束腰z处横截面内中心轴线上的光场振幅，w(z)是离束腰z处横截面的光束半径，则Eoo(r)是该横截面内离中心r处的光场振幅。由于横向光场振幅分布是高斯分布，故这样的激光束称为高斯光束。当量值r=w(z)时，则E00(r)为E00(z)的1/e倍。可以将光束半径w(r)定义为振幅下降到中心振幅1/e的点离中心的距离。实际测量中，我们测得的是光束横向光强分布，光强正比于振幅的平方，故将式2两边平方,得&(力=%(z)exp(z)exp-2r-2r3 31 1=几匕)必。，计产(力(1.3)(1.3)(HlW02/W0/)2双曲线的形状已画在图1-1中。我们定义双曲线渐近线的夹角22w(z)/z(z很大)Wo为激光束的发散角，则有(1.1)由式(1.1)可知，只要我们测得离束腰很远的z处的光斑大小2w(z),便可算出激光束发散角式中I表示对应的光强，光束半径w(z)也可以定义为光强为中心光强的e2倍的点离中心点的距离。图1-2中画出了激光束横向振幅分布(虚线)和光强分布(实线)。3光束半径和发散角的测量本实验对氨窥激光束的光束半径和发散角进行测量。实验测量装置如图1-3所示。所用的激光器是平凹型谐振腔氨窥激光器，其腔长为L、凹面曲率半径为R,则可得到其束腰处的光斑半径为L1/2R1/4Wo（一）（1）（1.4）由这个W0值，也可从2/Wo算出激光束的发散角仇这种激光器输出光束的束腰位于谐振腔输出平面镜的位置，我们测量距束腰距离约为35m处的光束半径。为了缩短测量装置的长度，采用了平面反射镜折返光路，如图1-3所示。测量狭缝连同其后面的硅光电池作为一个整体沿光束直径方向作横向扫描，由和硅光电池连接的反射式检流计给出激光束光强横向分布。根据测得的激光束光强横向分布曲线，求出光强下降到最大光强的e2（e=2.718281828,e2=0.13533）倍处的光束半径，它就是激光光斑大小的描述。然后根据式算出光束发散角。测量时应使测量狭缝的宽度是光斑大小的1/10以下。图测量装置示意图实验内容及步骤1打开准直光源和氨窥激光器电源，将准直小孔靠近准直光源，使准直激光透过小孔。调节准直光源前端的三个可调旋钮，使准直光透过小孔时不发生衍射（可利用一块硬纸片观察透过小孔到达纸片上的光有没有衍射花纹）。然后使小孔远离准直光源，调节准直光源后端的三个旋钮，使光束垂直于小孔所在平面透过小孔。调节氨窥激光器上的可调旋钮，使由内腔镜反射回小孔所在屏上的光为一透过小孔的光点，且亮度达到最大。放上外腔镜，调节外腔镜与内腔镜平行，使产生激光振荡，并使输出光最亮，即能量达到最大。按图1-3摆好其他仪器，并调节各仪器共轴。由左到右依次是激光器、激光器的外腔镜、45度反射镜、光功率探头、准直小孔和准直光源。其中光功率探头与光功率指示仪相连，与硅光电池相连的狭缝装在光功率探头侧面，狭缝竖直放置。平面反射镜装在带有标尺的调节架上，调节架置于导轨侧面一定距离处。2调整标尺及平面反射镜使激光束照亮测量狭缝，并使狭缝处于接近光斑边缘处。取Z值约35m,Z=外腔镜到45度反射镜的距离+45度反射镜到平面反射镜的距离+平面反射镜到光斑的距离，用卷尺测量上述三段距离。缝宽应小于光斑大小1/10。3光强横向分布的测量移动微动平台，使狭缝和硅光电池接收器同时扫过光束，移动的方向应与光传播方向垂直，狭缝先经过光斑中间，再向边缘移动。每隔0.10.2mm:记录光功率指示仪的读数，重复测量三次，进行激光束的光强横向分布测量。4光斑半径W(Z)及发散角。的确定：以平均值作出光功率指示仪随测量位移之间的变化曲线，由曲线求出光斑半径W(Z),并算出。值，用式(1.4)算出发散角将0的确定值和式值进行比较。注意事项.切忌直接迎着激光传播方向观察；.注意激光高压电源，以免触电和短路；.测量发散角时应减小震动，避免光斑在狭缝口晃动，导致光功率测量不准确。数据记录及处理实验时间：2008年3月25日14:3017:30测得激光器谐振腔腔长L=32.65cm,光斑离束腰的距离Z=180.1*2+10.8=371.0cm每隔0.2mm记录一个光功率指示仪的读数，测量光强横向分布，实验数据如表1表1坐标/mm3.203.403.603.804.004.204.404.604.80功率1/uw1.31.62.03.03.23.95.66.68.0功率2/uw1.21.52.12.93.14.05.86.48.2功率3/uw1.41.52.22.83.24.35.66.38.4平均值/uw1.31.52.12.93.24.15.76.48.2坐标/mm5.005.205.405.605.806.006.206.406.60功率1/uw10.310.711.514.616.216.917.419.420.1功率2/uw9.410.411.614.516.316.617.719.220.2功率3/uw9.610.012.314.416.316.617.919.020.6平均值/uw9.810.411.814.516.316.717.719.220.3坐标/mm6.807.007.207.407.60功率1/uw21.221.722.122.321.9功率2/uw21.021.822.322.421.4功率3/uw21.321.521.922.321.1平均值/uw21.221.722.122.321.5求出功率的三个测量值的平均值，作出平均功率随坐标的变化曲线如下图I IU-U-*$日；7.13857.1385校向咙标rAmmrAmm利用Origin软件对数据点进行高斯拟合，拟合数据如下:GaussfittoData1_B:ChiA A2/DoF0.15734RA A20.99772AreaCenterWidthOffsetHeight96.8407.23833.4681-0.3709922.280可知，最大光强所对应的横坐标为rm=7.24mm,利用“ScreenReader”工具找出最大光强为Imax21.97w,则最大光强的e2应为2Iw(z)Imax*e221.97*0.13532.97w,w(z)rmrw(z)7.243.863.38mm2*3.383710可见，激光束的发散角很小。IR由式(1.4)w0()1/2(R1)得该激光束腰半径为32.65*632.8*101/21001/42w0()(1)3.08*10(cm)0.308mm3.1432.65再由式2/w0得激光束的发散角为:实验结果与该标准值比较，相对误差为:0.0018220.0013090.0013092.97w对应的横坐标为rw(z)=3.86mm,故光束半径为:由(1.1)式2w(z)/z得光束发散角为:0.001822(以厘米为单位计算):2*632.8*1063.14*0.3080.001309100%39.2%实验误差较大，误差的来源可能有：(1)Z值由三段组成，三段均由卷尺测量，起点和终点都不能准确确定，误差较大。(2)测量光强时，由于外界环境的不稳定及杂散光的影响可能会导致光强测量不准确。(3)坐标7.60mm之后的光强变化不符合理论，故将之后的数据剔除，因此测量的数据不够完整，可能导致得出的光强最大值不准确。实验二共焦球面扫描干涉仪与氮速激光模式分析实验目的1.了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法。2.学习观测激光器横模和纵模的实验方法。实验仪器用具扫描干涉仪，高速光电接收器及其电源，锯齿波发生器，示波器，氨窥激光器及其电源，准直光源和准直小孔。实验原理1.共焦球面扫描干涉仪工作原理共焦球面扫描干涉仪(简写为FPS)由两个曲率半径r相等、镀有高反膜层的球面镜M1和M2组成，二者之间的距离L称作腔长，如图2-1所示。压电陶瓷内外两面加上锯齿波电压后，驱动一个反射镜作周期性运动，用以改变腔长L而实现光谱扫描。由于腔长L恰等于曲率半径r,所以两反射镜焦点重合，组成共焦系统。当一束波长为的光近轴入射到干涉仪内时，在忽略球差情况下，光线走一闭合路径，即光线在腔内反射，往返两次之后又按原路行进。从图2-1可以看出，一束入射光将有1、2两组透射光。若m是光线在腔内往返的次数，则1组经历了4m次反射；2组经历了4m+2次反射。设反射镜的反射率为R,Harcher给出了1、2两组的透射光强分别为图2-1共焦球面扫描干涉仪内部北路图这里I0是入射光强，T是透射率，B是往返一次所形成的位相差，即2n2L2/门2是腔内介质的折射率。当k时(k是任意整数)，即4n2Lk(2.4)(2.3)A A时，透射率有极大值TmaxI1/I0T2/(1R2)2(2.5)图2-2活见的横模光斑图（1）激光器的纵模当腔长L恰是半个波长的整数倍时，才能在腔内形成驻波，形成稳定的振荡，故有，Lq/2（2.8）q即为纵模的阶数，是光波在激活物质中的波长，故有c/n2,c是光速。代入式（2.8）得v0qc/2n2Lqvq为在腔内能形成稳定振荡的频率，不同的整数q值对应着不同的输出频率vq。相邻两纵模的频率差为由于腔内存在着各种各样的吸收，我们假设吸收率为A,则有RTA1(2.6)将式（2.6）代入式（2.5）,在反射率RQ1情况下，1R2,1RTA,于是max124(1A/T)(2.7)据式（2.4）可知，改变腔长L或改变腔内介质的折射率,就可以使不同波长的光以最大透射率透射，实现光谱扫描。可用改变腔内气体气压的方法来改变n2,本实验中将锯齿波电压加到压电陶瓷上驱动和压电陶瓷相连的反射镜来改变腔长L,以达到光谱扫描的目的2激光器的振荡模式激光器内能够发生稳定光振荡的形式称为模式。通常将模式分为纵模和横模两类。纵模描述了激光器输出分立频率的个数；横模描述了在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，而光束发散角、光斑直径和能量的横向分布则由横模决定。我们用符号TEMmnq来描述激光谐振腔内电磁场的情况。TEM代表横向电磁场，m、n脚标表示沿垂直于传播方向某特定横模的阶数，q表示纵模的阶数。一般q可以很大，m、n都很小X岸TEMUc/2n2L（2.9）激光器对不同频率有不同的增益，只有当增益值大于阈值的频率才能形成振荡而产生激光。例如L=1m的氨窥激光器，其相邻纵模频率差c/2L1.5108Hz,若其增益曲线的频宽为1.5109Hz，则可输出10个纵模。腔长L越短，则越大，输出的纵模就越少。对于增益频宽1.5109Hz的激光，若L小于0.15m,则将输出一个纵模，即输出单纵模的激光。（2）激光器的横模对于满足形成驻波共振条件的各个纵模来说，还可能存在着横向场分布不同的横模。同一纵模不同横模，其频率亦有差异。某一个任意的TEMmnq模的频率mnq经计算得c2/呻=TTQg+(而+制斗一一)】4l4lt tL Litit5 5% %其中rV2分别是谐振腔两反射镜的曲率半径。若横模阶数由nnn,则有4川上Lir：G两式相减，得不同横模之间的频率差Oaiwos（l-）（1-）T22%LK3r,2%LK3r,（2n将横模频率差的式（2.10）和纵模频率差的式（2.9）相比，二者差一个分数因子，并且相邻横模之间的频率差一般总是小于相邻纵模频率差c/2n2L的。例如，增益频宽为91.510Hz、腔长L=0.24m的平凹（r1m,2）谐振激光器，其纵模频率差按式（2.9）算得为6.25108HZ；对于横模TEM00和横模TEM01之间的频率差00,01，将各值代入，可得相邻横摸频率差Av-01=乂(0+l)arecos(l-)(1: :=1=1.02x10/5保阳2Mo.24K1e九=1.01I*)1.5109Hz里含有2.5个纵模。当用扫描干涉仪来分析这支激光器的模式时，若它仅存在TEM00模，有时可看到3个尖峰，有时看到两个尖峰;模时，可有两组或三组尖峰，有的组可能有一个峰。这些都是由于激光器腔长的。用扫描干涉仪分析激光器模式是很方便的。m增到mmm,n增到这支激光器的增益频宽当还存在TEM01L的变化所得到修23注生球向扫描T涉仪内郃结枸示意圄3共焦球面干涉仪的性能指标(1)自由光谱范围由干涉方程式(2.4)对k和求全微分得kk,则2(/k)|ki/4&L(2.11)式(2.11)所表示的就是干涉仪的自由光谱范围。由|/|/可知，用频率间隔来表示光谱自由范围则有|c/4n2L(2.12)自由光谱范围在n2=1时，仅由腔长L决定。它表征波长在范围内的光,产生的干涉圆环不相互重叠。分辨本领R0干涉仪的分辨本领R0定义为波长人和在该处可分辨的最小波长间隔的比值，即(2.13)精细常数F精细常数F是描述干涉仪谱线的细锐程度的，它被定义为干涉仪的自由光谱范围和分辨极限之比，即F/(2.14)F也表征了在自由光谱范围内可分辨的光谱单元的数目。 干涉仪精细常数受反射镜面的规整度和反射率R影响。 共焦球面干仪的反射率R和精细常数F之间有如下关系2FR(1R)(2.15)实验内容及步骤.根据激光器的腔长L,用式(2.9)计算纵模频率差，再用式(2.10)计算它1阶和2阶横模频率差。.根据干涉仪的曲率半径计算出干涉仪的自由光谱范围，再由给定的反射率计算出精细常数F。.在实验一实验装置的基础上，撤掉45度反射镜、光功率探头、狭缝及装有平面反射镜的支架，换上扫描干涉仪和高速光电接收器，其中扫描干涉仪与锯齿波发生器相连，光电接收器与示波器相连。调节各器件共轴。.打开锯齿波发生器和示波器电源，在示波器上观察激光器输出光的纵模和横模，并解释产生该现象的原因。注意事项061657900018-Numbered_ffa7e73b-f78b-4f5f-9a52-a75fd4fa8071-Numbered_aaaf8590-ea5b-4712-ba42-b8a6a431c.扫描干涉仪的压电陶瓷易碎，应轻拿轻放。061657901018-Numbered_ffa7e73b-f78b-4f5f-9a52-a75fd4fa8071-Numbered_aaaf8590-ea5b-4712-ba42-b8a6a431c.扫描干涉仪的通光孔在平时不用时应用胶带封好，防止灰尘进入。061657902018-Numbered_ffa7e73b-f78b-4f5f-9a52-a75fd4fa8071-Numbered_aaaf8590-ea5b-4712-ba42-b8a6a431c.锯齿波发生器不允许空载，必须连接扫描干涉仪后才能打开电源。实验过程及数据处理Ro/实验时间：2008-03-2517:3018:00昀攀 挀戀 愀攀 愀 搀搀昀愀挀戀昀攀搀.计算纵模和横模频率差已知扫描干涉仪的腔长为l=20mm,腔内介质(即空气)折射率为1,激光器的腔长为L=32.65cm由式(2.9)得相邻纵模频率差为:昀攀 挀戀 愀攀 愀 搀搀昀愀挀戀昀攀搀.计算干涉仪的自由光谱范围和精细常数已知干涉仪的腔长和曲率半径均为20mm,由式（2.11）得:（a）（b）上图（a）中只有一个很高的峰，输出的是单纵模。此时共焦腔腔长满足式（2.4）4n2Lk,即为该但纵模对应的波长。满足式（2.4）时，波长为的模式的光的透过率最大，因而示波器上只显示出一个很高的波峰，其他模式的光基本上被抑制了。随着加在压电陶瓷上的电压的变化，腔长改变了，不再满足式（2.4）,此时其他模式的光的透过率增大，因而每组尖峰不止一个波峰，这也说明（a）中纵模对应有横模。随着电压周期性变化，每组尖峰里有时有两个波峰，有时只有一个波峰（见视频文件“激光器模式观测.AVI）,说明该纵模对应有TEM00和TEM01两个横模。c/2n2L3*1082*0,32654.6*108Hz1阶横模频率差为:00,013*1081(02*1*0,32651)arccos(10.3265丁)(10.3265)1/28.9*107Hz2阶横模频率差为:2*00,20200,011.78*108Hz2/4n2L_92(632.8*10)4*0.02125.005*10m精细常数F_2R(1R)_2、_*0,99*(10.99)0.0623.调节示波器只显示锯齿波上升沿对应的激光输出波形，观察到如下图所示波形:5.实验总结1,由于预习不够充分以及缺乏经验，实验过程中在调节光路准直和调节激光器外腔镜与内反射镜平行使之产生激光振荡上花了比较长的时间，导致实验二有部分未完成。有待提高。.对激光器的输出模式还没有理解透彻，对如何由示波器上的波形推断输出的是哪一种模式还不是很清楚，有待进一步研究。.测量光斑离束腰处的距离Z时，由外腔镜到45度反射镜的距离忘记测量，实验中用的是估计值，以后应避免出现这种情况。