电子科学与技术实验室
氦氖激光器的调腔实验 （北京师范大学物理系） 摘要：本实验分别通过准直法和十字叉丝法来调节谐振腔两端腔镜的位置，使得两个腔镜平行且和毛细管垂直，发射激光，并通过统调法获得最强激光。 理论： 激光器由激励电流、增益介质和谐振腔组成，如图1。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。 图1 激光器原理图 实验内容： 1.清洗镜头 在清洗镜头时候可以通过腔镜的具体情况选择合适的清洗方法，首先应用洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物，对于软膜我们采用拖曳的方法，首先将镜头放置在水平的桌面上，取一张镜头纸并将光滑一面放置在镜头上，并且在此之前确保不会用手去接触光滑面，在擦镜纸上接触镜头的部位滴一到两滴丙酮试剂，轻轻拖曳擦镜纸的一端直到整张擦镜纸擦过镜头。
图2 软膜清洗法 对于硬膜，洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物之后，将镜头着对折，如图，用止血钳夹住擦镜纸，露出一段，在露出一端上滴一到两滴丙酮，轻甩之后擦 拭镜头，擦拭的过程保证擦拭方向永远朝着一个方向，不来回擦拭。 图3 硬膜清洗法 2.准直法调腔 用具：He-Ne激光器、准直激光器、贴有白纸的立板。 步骤： （1）通过上述方法清洗完镜头和布儒斯特窗后，打开准直激光器； （2）首先调节准直激光器的上下高度和俯仰角度，使得准直激光器打出来的光与毛细管的中心在同一水平线上； （3）将准直激光器固定在谐振腔一端的前段，将激光穿透整个毛细管，此时可以调节准直激光器的横向位移和左右偏移动，直到穿透的光打在对面的白 纸上呈现同心圆环状； （4）装上阴极反射镜，调整反射镜的左右偏转和俯仰，使反射回的激光与出来的激光重合出现在准直激光器镜头上的正中心； （5）装上阳极反射镜，调整反射镜的左右偏转和俯仰，使反射回的激光出现规则的明暗变化；
多谱线氦氖激光器 实验 实验讲义 大恒新纪元科技股份有限公司 版权所有不得翻印 多谱线氦氖激光器
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2P i（2P i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1 He-Ne 3S2-2P i谱线的小信号增益系数
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
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
外腔用半导体激光器基本原理及应用 1. 外腔用半导体激光器的概念 早期普通FP腔结构的半导体激光管腔长一般在800μm—1500μm, 后反射面的反射率接近全反射,出射端面的反射率一般在百分之几十以内。由于谐振腔的精细度不够高,而自由光谱范围又很宽,造成普通FP腔半导体激光器的线宽比较宽,甚至会出现多模运转,所以通常不能直接用在原子分子精密光谱，光频标，冷原子操控，原子干涉仪等研究领域。后续出现了DFB/DBR等激光器，因为内置光栅的原因，线宽得到了一定的压窄，可以达到2MHz甚至更小，基本可以应用到上述领域中。但随着对研究精度的提高，MHz级别的线宽已经不能满足更高要求的实验需求了，于是通过在激光管外再增加一些光反馈元件,使得激光管的后反射面和光反馈元件之间形成一个外腔,这样的激光器称为外腔半导体激光器(ECDL)。由于外腔对激光器的模式选择作用,可以大幅度压窄半导体激光器的线宽到KHz级别,同时通过外腔光学元件的调谐作用,使得激光波长可以精确调谐。由于外腔半导体激光器具有易于调谐、谱线宽度窄、维护简单等特点,成为精密光谱研究中一个重要的工具。当然外腔用半导体激光器也有结构稳定性和紧凑度不如DFB激光器的情况，但更窄的线宽以及更高的功率依然是它的最大优势所在。 两种典型的外腔半导体激光管结构（Littrow结构和Littman结构）
2. 外腔用半导体激光管的线宽压窄原理 设入射光的波长为λ0 ，为了使1级光形成外腔反射，必须满足以下方程组： 从激光管出来的光谱范围较大，波长成分较多，但只有满足第一个方程的波长成分才会发生一级闪耀反射回去，同时腔长必须满足第二个方程，反射回去的光才能形成谐振放大。零级出射光里的波长成分主要是一级反射光的波长，其它波长成分因为没有放大过程会大幅衰减，表现出来的光谱特性就是极窄的线宽。 3. 主要应用 外腔用半导体激光器因为它极窄的线宽和较高的光功率，在冷原子，原子分子精密光谱研究领域具有广泛的用途，目前主要应用在原子冷却，光频标，原子干涉仪，激光陀螺，高精度原子钟和光钟。 ?????==0002sin 2λλθq L d
光学基础性趣味实验 目录 实验1 光与彩虹（人造彩虹） (2) 实验2 人造彩虹2 (3) 实验3 光的折射实例 (5) 实验4 自制放大镜 (6) 实验5 红外线实验的设计 (7) 实验6 多功能小孔成像仪的制作 (8) 实验7 自制针孔眼镜——小孔成像的应用 (9) 实验8 镜子中有无数个镜子 (10) 实验9 日食和月食的演示 (11) 实验10 制作针孔照相机 (12) 实验11 用激光器演示光的直线传播 (13) 实验12 全反射现象观察......................................... 14错误！未定义
实验1 光与彩虹（人造彩虹） 思考：你用什么办法能制作出与空中彩虹颜色一样的彩虹? 实验准备：清水1盆、平面镜1个 实验操作： 1．取一小盆并加入2/3的水，再把镜子斜放于盆内； 2．使镜面对着阳光，在水盆对面的墙上就能看到美丽的彩虹。 实验中的科学：将镜子插入水中时，在对面的墙上就能看到美丽的彩虹。它是光的折射作用，实验表明：白光通过三棱镜后就会分解为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七种颜色的光，这就是光的色散。这里镜面左侧的水就好像一个三棱镜，因而光射出水面后就会发生色散，形成彩虹。 创新：想一想,还有什么办法,可以制造出美丽的彩虹?
实验2 人造彩虹2 准备材料：水、一个玻璃杯、一张白纸。 实验步骤： 1．在玻璃杯中装满水，把杯子拿到阳光可以照射到的窗台上；2．把纸放到阳光透过杯子投射进来的地方，这样在纸上就可以看到彩虹的色彩。 实验中的科学： 光线被水折射了，因而投射到纸上的颜色是阳光被分解之后的颜色，原理跟天空中彩虹的形成是一样的。当阳光以40到42度的角度照射空中的水珠时，阳光通过水珠时发生折射，投射到空中形成了彩虹。 知识问答：彩虹为什么总是弯曲的？ 想象你看着东边的彩虹，太阳在从背后的西边落下。白色的阳光(彩虹中所有颜色的组合)穿越了大气，向东通过了你的头顶，碰到了从暴风雨落下的水滴。当一道光束碰到了水滴，会有两种可能：一是光可能直接穿透过去，或者更有趣的是，它可能碰到水滴的前缘，在进入时水滴内部产生弯曲，接着从水滴后端反射回来，再从水滴前端离开，往我们这里折射出来。这就是形成彩虹的光。 水滴对光的反射，折射加色散形成彩虹。色散后不同色光出射的方向不同，对一个水滴出射的光我们只有站在特定的观察点上才能看见特定的颜色光，而我们平时是站在固定的观察点上去看空中多个水滴，这样，不同水滴中出射的同一种色光能够到达眼睛，这些水滴
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
实验40 用迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光器波长 一、实验目的 1.了解迈克尔逊干涉仪的结构及调整方法，并用它测光波波长 2.通过实验观察等倾干涉现象 二、实验仪器 氦氖激光器、迈克尔逊干涉仪(250nm)、透镜、毛玻璃等。 迈克尔逊干涉仪外形如图一所示。 其中反射镜M1是固定的，M2可以在导轨上前后移动，以改变光程差。反射镜M2的移动采用蜗轮蜗杆传动系统，转动粗调手轮（2）可以实现粗调。M2移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻度尺（5）上读得。通过读数窗口，在刻度盘（3）上可读到0.01mm；转动微调手轮（1）可实现微调，微调手轮的分度值为1×10-4mm。可估读到10-5mm。M1、M2背面各有3个螺钉可以用来粗调M1和M2的倾度，倾度的微调是通过调节水平微调（15）和竖直微调螺丝（16）来实现的。 图一图二 三、实验原理 1.仪器基本原理 迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图二所示。M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜。P1、P2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成45°角。P1的一个表面镀有半反半透膜，使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；P1称为分光板。当光照到P1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1反射后，透过P2，在P1的半透膜上反射后射向E；反射光（2）射到M2，经M2反射后，透过P1射向E。由于光线（2）前后共通过P1三次，而光线（1）只通过P1一次，有了P2，它
们在玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算两束光在空气中的光程差就可以了，所以P 2称为补偿板。当观察者从E 处向P 1看去时，除直接看到M 2外还看到M 1的像M 1ˊ。于是（1）、（2）两束光如同从M 2与M 1ˊ反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M 1′～M 2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。 2.干涉条纹的图样 本实验用He-Ne 激光器作为光源（见图三），激光S 射向迈克尔逊干涉仪，点光源经平面镜M 1、M 2反射后，相当于由两个点光源S 1ˊ和S 2ˊ发出的相干光束。S ˊ是S 的等效光源，是经半反射面A 所成的虚像。S 1′是S ′经M 1′所成的虚像。S 2′是S ′经M 2所成的虚像。由图三可知，只要观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内，都能看到干涉现象。如果M 2与M 1′严格平行，且把观察屏放在垂直于S 1′和S 2′的连线上，就能看到一组明暗相间的同心圆干涉环，其圆心位于S 1′S 2′轴线与屏的交点P 0处，从图四可以看出P 0处的光程差ΔL =2d ，屏上其它任意点P ′或P ″的光程差近似为 ?cos 2d L =? (1) 式中?为S 2′射到P ″点的光线与M 2法线之间的夹角。当λ?k d =?cos 2时，为明纹；当 2/)12(cos 2λ?+=?k d 时，为暗纹。 由图四可以看出，以P 0为圆心的圆环是从虚光源发出的倾角相同的光线干涉的结果，因此，称为“等倾干涉条纹”。?=0时光程差最大，即圆心P 0处干涉环级次最高，越向边缘级次越低。当d 增加时，干涉环中心级次将增高，条纹沿半径向外移动，即可看到干涉环从中心“冒”出；反之当d 减小，干涉环向中心“缩”进去。 图三 图四 由明纹条件可知，当干涉环中心为明纹时，ΔL =2d=k λ。此时若移动M 2（改变d)，环心处条纹的级次相应改变，当d 每改变λ/2距离，环心就冒出或缩进一条环纹。若M 2移动距离为Δd ，相应冒出或缩进的干涉环条纹数为N ，则有
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
LASCAD-激光谐振腔设计软件 LASCAD 介绍 ?计算机上的光学工作平台 ?激光谐振腔分析与设计工具 ?教学工具 LASCAD 计算机上的光学工作平台 尽管LASCAD提供复杂的工程工具，它的一个基本原则是创造一个容易使用的程序。它提供了一个程序化用户界面，可作为PC上的光学工作台，用于激光谐振器的直观设计。这样人们就可以在实验室或交流会上了解实验结果，而不需花费很长时间去看复杂的说明书或者键入大量数字： ?光学元件如平面镜、透镜、或晶体可以用单击鼠标来加入、合并、拉动、调整、或消除 ?全面考虑了谐振器和晶体的象散现象 ?有限元分析、ABCD矩阵及波动光学编码可以在菜单条中选择 LASCAD 激光腔体分析与设计工具 LASCAD 激光腔体分析与设计工具 FEA 可以用于计算激光器晶体的温度分布、变形、应力和机械断裂。计算过程中需要考虑材料的参数、泵浦构型以及冷却结构等。FEA 是技术物理领域中
一种众所周知的求解差分方程的数值方法，例如，热传导方程。虽然在其他许多工程领域，FEA 得到广泛的成功应用并且是一个不可或缺的方法，但是目前还没有在其他任何一款商用激光设计软件上实现。 为了让FEA 能够直接应用于激光腔的设计，LASCAD对重要构型进行FEA 模型预设计，例如，端面或者侧面泵浦的棒状、条状以及盘状激光器。多种材料或者掺杂的晶体也有相关的模型，例如未掺杂的端面镜。用户可以自定义尺寸、FEA 网格、边界条件以及模型中的其他参数。与温度相关的材料参数也可以通过解析式添加到模型中去。 被吸收的泵浦功率密度分布采用基于超高斯函数的解析近似表达式进行表征。为了实现吸收泵浦光的数值建模，LASCAD?支持从ZEMAX和TracePro的光线追迹程序导入数据。这些程序可以生成吸收泵浦功率密度的三维数据，可以直接导入到LASCAD中。ZEMAX 和TracePro对模拟闪光灯泵浦或者非常规的泵浦结构时的泵浦光分布非常有用。 ABCD 高斯光束传播代码 LASCAD提供一个开放的图形语言，可以将泵浦光的分布，边界状态和FEA 结果利用复杂的2D和3D图形工具形象化。 将FEA 的结果应用到ABCD 传输矩阵，温度分布，以及温度相关的折射率函数，在垂直光轴方向进行抛物线拟合。在拟合过程中，有限元网格在沿着晶体轴和垂直的方向上又进行划分。用同样的方法可以完成晶体端面变形的拟合。对于很多结构，例如端面泵浦的晶体棒，上述拟合近似可以得到的激光模式的可靠解。
激光谐振腔模式研究的MATLAB 实现 光信1001班 刘吉祥 U201013222 摘要：谐振腔内的模式计算是分析激光器输出光束质量的前提和基础。本文在matlab 环境下，采用Fox_Li 数值迭代法计算了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的振幅分布和相位分布，并比较了腔形、菲涅尔数、初始光强分布、倾斜扰动等因素对最终模式的影响，具有一定的实际应用价值。 1. 原理说明 设初始时刻在镜I 上有某一个场分布1u ，则当波在腔中经第一次渡越而到达镜II 时，将在镜II 上形成一个新的场分布2u ，场2u 经第二次渡越后又将在镜I 上形成一个新的场分布3u 。每次渡越时，波都将因为衍射损失一部分能量，并引起能量分布变化，如此重复下去……由于衍射主要是发生在镜的边缘附近，因此在传播过程中，镜边缘附近的场将衰落得更快，经多次衍射后所形成的场分布，其边缘振幅往往都很小（与中心处比较），具有这种特征的场分布受衍射的影响也将比较小。可以预期：在经过足够多次渡越之后，能形成这样一种稳态场：分布不再受衍射的影响，在腔内往返一次后能够“再现”出发时的场分布，即实现了模的“自再现”。 光学中的惠更斯—菲涅尔原理是从理论上分析衍射问题的基础，该原理的严格数学表示是菲涅尔—基尔霍夫衍射积分。设已知空间任意曲面S 上光波场地振幅和相位分布函数为),(y x u '',由它所要考察的空间任一点P 处场分布为),(y x u ，二者之间有以下关系式： ??+=-S ik dS e y x u ik y x u ')cos 1()','(4),(θρπρ 式中，ρ为),(y x ''与),(y x 连线的长度，θ为S 面上点),(y x ''处的法线和上述连线之间的夹角，s d '为S 面上的面积元，k 为波矢的模。 本文采用Fox —Li 数值迭代法实现了条形腔、矩形腔、圆形腔、倾斜腔的自再现模的形成。 2. 实现方案 2.1条形腔 条形腔是一种理想模型，即一个方向有限长，而另一个方向上无限延伸的腔形，故只在长度有限的那个方向上发生衍射现象，迭代公式为一维的菲涅尔—基尔霍夫衍射积分：
收稿日期：2011-03-07；修订日期：2011-04-19 基金项目：国家自然科学基金(10874012，10974177)；国际科技合作计划(2010DFA04690) 作者简介：黄凯凯(1971-)，男，讲师，博士，主要从事激光与物质相互作用方面的研究。Email:huangkaikai@https://www.doczj.com/doc/578219802.html, 894nm 外腔半导体激光器 黄凯凯，李 楠，陆璇辉 (浙江大学物理系光学研究所，浙江杭州310027) 摘 要：介绍了一种基于Littrow 结构的894nm 外腔半导体激光器的设计原理，给出了光栅转轴的 优化点计算，分析了无跳模范围和实际转轴位置的关系，指出了实际光栅转轴点的合理位置。针对铯原子激光抽运磁力仪的应用要求，通过外腔的选频功能，以及低噪声激光电流源、低温漂温控器和低噪声压电陶瓷驱动器，实现了自由运转波长为904nm 的激光管调谐到894nm 的单模运转，连续无跳模范围在3GHz 以上。共焦FP 腔的观测表明，外腔半导体激光器对自由运转激光管的线宽进行了有效压窄。搭建了饱和吸收谱装置，成功观测到了Cs 原子D 1线的F =3->F ′=3,4和F =4->F ′=3,4两套饱和吸收谱线。 关键词：外腔半导体激光器；铯D 1线；饱和吸收谱中图分类号：TN248.4 文献标志码：A 文章编号：1007-2276(2011)11-2129-05 894nm external cavity diode laser Huang Kaikai,Li Nan,Lu Xuanhui (Institute of Optics,Physics Department,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China) Abstract:The design principle of 894nm external cavity laser diode with Littrow configuration was introduced.The calculation on optimized grating mount pivot point position was given.Analysis of the mode -hop -free range versus practical pivot point position as well as the reasonable pivot point position were pointed.By frequency selection of external cavity and application of low noise current driver,low temperature drift controller and low noise piezo driver,single mode operation of the laser at 894nm was realized on a laser diode with a free running wavelength of 904nm,which was to be applied in laser pumped Cesium magnetometer.The mode -hop -free range was above 3GHz.It could be seen from the confocal FP cavity that the laser linewidth was effectively narrowed in the external cavity.In order to obtain Cs D 1spectrum,a saturation absorption spectroscopy layout was built and the hyperfine lines spectrum of F =3->F ′=3,4and F =4->F ′=3,4transition were successfully obtained.Key words:external cavity diode laser; cesium D 1lines; saturation absorption spectroscopy 第40卷第11期 红外与激光工程 2011年11月Vol.40No.11 Infrared and Laser Engineering Nov.2011
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
一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器 沈少棠 北京工业大学应用数理学院 000611 指导教师:宋晏蓉 摘要介绍了一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器的结构、制作工艺、优点及其应用。 关键词激光器,半导体,垂直外腔面 一、引言 垂直腔面发射激光器(VCSEL及其阵列是一种新型半导体激光器,它是光子学器件在集成化方面的重大突破,它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面;与此相反,VCSEL 的发光束垂直于晶片表面。它优于端面发射激光器的表现在:易于实现二维平面和光电集成;圆形光束易于实现与光纤的有效耦合;有源区尺寸极小, 可实现高封装密度和低阈值电流;芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验;在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作;价格低。
二、垂直腔面发射激光器的结构 图 1为 VCSEL 的结构示意图,由布拉格反射镜,有源层和金属 层接触组成。其衬底的选择有以下 3种。 1、硅衬底在硅 (Si 上制作的 VCSEL 还不曾实现室温连续波工作。 这是由于将 AlAs/GaAs DFB直接生长在 Si 上,其界面不平整所致, 使 DFB 的反射率较低。日本 Toyohashi 大学的研究者由于在 GaAs/Si 异质界面处引入多层(GaAsm(GaPn 应变短周期超晶格(SSPS 结构而降低了 GaAs-on-Si 异质结外延层的密度。 2、蓝宝石衬底美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使 VCSEL 发射的850nm 波长光穿过衬底, 采用晶片键合工艺将 VCSEL 结构从吸收光的 GaAs 衬底移开,转移到透明的蓝宝石衬底上,提高了 wall-plug 效率,最大值达到 25%。 3、砷化钾衬底基于砷化钾(GaAs基材料系统的 VCSEL 由于高的 Q 值而备受研究者青睐,目前 VCSEL 采用最多也是生长在 GaAs 衬底上。但以 GaAsSb QW作为有源区的 CW 长波长 VCSEL 发射波长被限制在 1.23 微米。发射波长 1.3 微米的 GaAsSb-GaAs 系统只有侧面发射激光器中报道过。日前美国贝尔实验室的 F.Quochi 等人演示了室温 CW 时激射波长为~1.28 微米的生长在 GaAs 衬底下的光泵浦 GaAsSb-GaAs QW VCSEL。这个波长是目前报道的 GaAsSb-GaAs 材料系最长的输出波长。 三、垂直腔面发射激光器的制作新工艺 1、氧化物限制工艺氧化物限制的重大意义在于:能较高水平地控制发射区面积和芯片尺寸,并能极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤。因此,采用氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百 A,而驱动电流达到几个 mA 就
课程设计 题目：谐振腔的稳定性分析和自再现高斯光束计算姓名： 学号： 指导老师： 时间： 电子科技大学光电信息学院
任务一： 如图A 所示的谐振腔，用Matlab 程序计算光线在腔内的轨迹，演示腔的稳定和不稳定时光线在腔内往返次数增加时光线轨迹。初始光线任意选择。 图A 两球面镜组成的谐振腔 实现方法： 首先利用列阵r θ??????描述任光线的坐标，而用传输矩阵i i i i i A B T C D ?? =? ??? 描述光线经过一段空间后所引起的坐标变换。假设光线在腔内经n 次往返时其参数的变换关系以矩阵的形式表 示： n n r θ?? ???? =1 n i i T =∏ 11r θ?? ???? 用 计算出光线的路径。 如此循环得到腔内的光线轨迹。 实现程序： 见 源程序（1） 模拟结果： 稳定情况下 非稳定情况下 R1=500mm,R2=600mm,L=700mm R1=250mm,R2=300mm,L=700mm
任务二： 如图所示的谐振腔，由球面放射镜和平面放射镜之间插入一薄透镜构成。 图B 平面镜和凹面镜之间插入薄透镜谐振腔 （1）分析计算透镜与平面镜之间的距离在什么范围内腔是稳定的； （2）在腔稳定情况下，演示在腔内往返100次以上时光线轨迹； （3）计算自再现高斯光束的q参数，并演示往返一周腔内光斑半径曲线自再现（波长为 0.5um）。 实现方法： （1）计算谐振腔的传输矩阵 ，利用公式计算的值，判断当 时，谐振腔是稳定的，当不再范围内时，谐振腔是非稳定的。 （2）其实现方法同任务一的方法一样。 （3）计算谐振腔内各个平面上的q参数，根据，求得和，利用 求得，用画出光线在谐振腔内往返一周的光斑半径曲线，同时验证谐振腔模式的自再现。 实现程序： 见源程序（2.2）和（2.3）