A24余娜05323072氦氖激光器參數(shù)測量

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1、氨覆激光參數(shù)測量組號：A24余娜05323072合作人：洪鋒1.激光原理概述1.1普通光源的發(fā)光普通光源發(fā)出的光是由于物質(zhì)受到外來能量的作用，原子中的電子吸收能量從低能級躍遷到高能級，即原子被激發(fā)，激發(fā)是一個受激吸收過程。處于高能級的電子很不穩(wěn)定，又自發(fā)躍遷回低能級，同時輻射光子。這種輻射稱為自發(fā)輻射。原子的自發(fā)輻射是隨機過程。不同原子輻射的光具有不同的方向、位相和偏振狀態(tài)，頻率也不單一。在通常熱平衡條件下，處于高能級的原子數(shù)密度遠小于處于低能級的原子數(shù)密度。這是因為根據(jù)玻爾茲曼分布規(guī)律，處于某一能級的原子數(shù)密度隨能級的升高成指數(shù)衰減。1.2受激輻射和光的放大由量子理論可知，電子從高能級向低能

2、級躍遷只能發(fā)生在角量子數(shù)相差也就是說，在原子中可能存在這樣一些能級，一旦電子被激發(fā)到這些能級上,遷條件，可以使電子在這種能級上有較長的壽命，這些能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級下，電子可以迅速躍遷到低能級，并釋放光子，這個過程稱為受激輻射。受激輻射的光子與入射的誘發(fā)光子具有相同的頻率、方向、偏振狀態(tài)和位相，于是入射一個光子，可以得到兩個相同的光子，即原來的光信號被放大，這種在受激過程中產(chǎn)生并被放大的光就是激光。高能志原子o低能態(tài)原子雙能級原子中的三種躍迂1.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一個誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，也能引起受激吸收。只有當處在高能級的粒子數(shù)比低能級的粒子數(shù)多時，受激輻射才能超過受激吸收。由此可見，使光源發(fā)

3、射激光的關鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目比處在低能級上的多。這種情況稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2 .激光器的結構激光器一般包括三個部分，工作物質(zhì)、激勵源和諧振腔。2.1激光工作物質(zhì)1的兩個狀態(tài)之間。由于不滿足上述躍但在外加光的刺激激光的產(chǎn)生須選擇合適的工作物質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導體，在這種物質(zhì)中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。2.2激勵源為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵等。各種激勵方式被形象化

4、地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地泵浦”以維持處于上能級的粒子數(shù)比下能級多。2.3諧振腔有了工作物質(zhì)和激勵源，可以產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強度很小。于是人們用光學諧振腔對之進行放大。光學諧振腔實際上是在激光器兩端面對面裝上兩塊反射率很高的反射鏡，一面幾乎全反射，一面大部分反射，以使激光透過這面鏡子射出。被反射回工作物質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，產(chǎn)生強烈的激光，從部分反射的鏡子一端輸出。3 .技術參數(shù)氮敏激光器港振腔曲率芋仔1 11111118 8中心波長632島nm共焦球面掃描干涉儀腔長凹面反射鏡曲率半徑20mm凹面反射轆反射率9

5、9%精細常數(shù)100自由光譜范圍4GIIz4 .氫速激光器系列實驗實驗一氨就激光束光斑半徑和發(fā)散角的測量實驗目的2 .掌握測量激光束光斑大小和發(fā)散角的方法、3.深入理解基膜激光束橫向光場的高斯分布的特性及激光束發(fā)散角的意義。實驗儀器用具氨窺激光器、光功率指示儀、硅光電池接受器、狹縫、微動位移臺、準直光源和準直小孔。實驗原理激光器發(fā)出的激光束在空間的傳播如圖1-1所示，光束截面最細處成為束腰。我們將柱坐標(z、r、4)的原點選在束腰截面的中點，z是光束傳播方向。束腰截面半徑為w距束腰為z處的光斑半徑為w(z),則z21/2w(z)Wo1()W0其中是激光波長。上式可改寫成雙曲線方程圖1T激光束的發(fā)

6、散用國I2高斯光束的振幅分布和光強分布2激光束橫向光場分布如圖1-1,激光束沿z軸傳播，其基模的橫向光場振幅隨柱坐標值r的分布為高斯分布的形式/胡I(1.2)式中Eoo(z)是離束腰z處橫截面內(nèi)中心軸線上的光場振幅，w(z)是離束腰z處橫截面的光束半徑，則Eoo(r)是該橫截面內(nèi)離中心r處的光場振幅。由于橫向光場振幅分布是高斯分布，故這樣的激光束稱為高斯光束。當量值r=w(z)時，則E00(r)為E00(z)的1/e倍?？梢詫⒐馐霃絯(r)定義為振幅下降到中心振幅1/e的點離中心的距離。實際測量中，我們測得的是光束橫向光強分布，光強正比于振幅的平方，故將式2兩邊平方,得&(力=%(z)exp

7、(z)exp-2r-2r3 31 1=幾匕)必。，計產(chǎn)(力(1.3)(1.3)(HlW02/W0/)2雙曲線的形狀已畫在圖1-1中。我們定義雙曲線漸近線的夾角22w(z)/z(z很大)Wo為激光束的發(fā)散角，則有(1.1)由式(1.1)可知，只要我們測得離束腰很遠的z處的光斑大小2w(z),便可算出激光束發(fā)散角式中I表示對應的光強，光束半徑w(z)也可以定義為光強為中心光強的e2倍的點離中心點的距離。圖1-2中畫出了激光束橫向振幅分布(虛線)和光強分布(實線)。3光束半徑和發(fā)散角的測量本實驗對氨窺激光束的光束半徑和發(fā)散角進行測量。實驗測量裝置如圖1-3所示。所用的激光器是平凹型諧振腔氨窺激光器，

8、其腔長為L、凹面曲率半徑為R,則可得到其束腰處的光斑半徑為L1/2R1/4Wo（一）（1）（1.4）由這個W0值，也可從2/Wo算出激光束的發(fā)散角仇這種激光器輸出光束的束腰位于諧振腔輸出平面鏡的位置，我們測量距束腰距離約為35m處的光束半徑。為了縮短測量裝置的長度，采用了平面反射鏡折返光路，如圖1-3所示。測量狹縫連同其后面的硅光電池作為一個整體沿光束直徑方向作橫向掃描，由和硅光電池連接的反射式檢流計給出激光束光強橫向分布。根據(jù)測得的激光束光強橫向分布曲線，求出光強下降到最大光強的e2（e=2.718281828,e2=0.13533）倍處的光束半徑，它就是激光光斑大小的描述。然后根據(jù)式算出光

9、束發(fā)散角。測量時應使測量狹縫的寬度是光斑大小的1/10以下。圖測量裝置示意圖實驗內(nèi)容及步驟1打開準直光源和氨窺激光器電源，將準直小孔靠近準直光源，使準直激光透過小孔。調(diào)節(jié)準直光源前端的三個可調(diào)旋鈕，使準直光透過小孔時不發(fā)生衍射（可利用一塊硬紙片觀察透過小孔到達紙片上的光有沒有衍射花紋）。然后使小孔遠離準直光源，調(diào)節(jié)準直光源后端的三個旋鈕，使光束垂直于小孔所在平面透過小孔。調(diào)節(jié)氨窺激光器上的可調(diào)旋鈕，使由內(nèi)腔鏡反射回小孔所在屏上的光為一透過小孔的光點，且亮度達到最大。放上外腔鏡，調(diào)節(jié)外腔鏡與內(nèi)腔鏡平行，使產(chǎn)生激光振蕩，并使輸出光最亮，即能量達到最大。按圖1-3擺好其他儀器，并調(diào)節(jié)各儀器共軸。由左

10、到右依次是激光器、激光器的外腔鏡、45度反射鏡、光功率探頭、準直小孔和準直光源。其中光功率探頭與光功率指示儀相連，與硅光電池相連的狹縫裝在光功率探頭側面，狹縫豎直放置。平面反射鏡裝在帶有標尺的調(diào)節(jié)架上，調(diào)節(jié)架置于導軌側面一定距離處。2調(diào)整標尺及平面反射鏡使激光束照亮測量狹縫，并使狹縫處于接近光斑邊緣處。取Z值約35m,Z=外腔鏡到45度反射鏡的距離+45度反射鏡到平面反射鏡的距離+平面反射鏡到光斑的距離，用卷尺測量上述三段距離?？p寬應小于光斑大小1/10。3光強橫向分布的測量移動微動平臺，使狹縫和硅光電池接收器同時掃過光束，移動的方向應與光傳播方向垂直，狹縫先經(jīng)過光斑中間，再向邊緣移動。每隔0

11、.10.2mm:記錄光功率指示儀的讀數(shù)，重復測量三次，進行激光束的光強橫向分布測量。4光斑半徑W(Z)及發(fā)散角。的確定：以平均值作出光功率指示儀隨測量位移之間的變化曲線，由曲線求出光斑半徑W(Z),并算出。值，用式(1.4)算出發(fā)散角將0的確定值和式值進行比較。注意事項.切忌直接迎著激光傳播方向觀察；.注意激光高壓電源，以免觸電和短路；.測量發(fā)散角時應減小震動，避免光斑在狹縫口晃動，導致光功率測量不準確。數(shù)據(jù)記錄及處理實驗時間：2008年3月25日14:3017:30測得激光器諧振腔腔長L=32.65cm,光斑離束腰的距離Z=180.1*2+10.8=371.0cm每隔0.2mm記錄一個光功率

12、指示儀的讀數(shù)，測量光強橫向分布，實驗數(shù)據(jù)如表1表1坐標/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坐標/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

13、.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坐標/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求出功率的三個測量值的平均值，作出平均功率隨坐標的變化曲線如下圖I IU-U-*$日；7.13857.1385校向嚨標rAmmrAmm

14、利用Origin軟件對數(shù)據(jù)點進行高斯擬合，擬合數(shù)據(jù)如下:GaussfittoData1_B:ChiA A2/DoF0.15734RA A20.99772AreaCenterWidthOffsetHeight96.8407.23833.4681-0.3709922.280可知，最大光強所對應的橫坐標為rm=7.24mm,利用“ScreenReader”工具找出最大光強為Imax21.97w,則最大光強的e2應為2Iw(z)Imax*e221.97*0.13532.97w,w(z)rmrw(z)7.243.863.38mm2*3.383710可見，激光束的發(fā)散角很小。IR由式(1.4)w0()1/

15、2(R1)得該激光束腰半徑為32.65*632.8*101/21001/42w0()(1)3.08*10(cm)0.308mm3.1432.65再由式2/w0得激光束的發(fā)散角為:實驗結果與該標準值比較，相對誤差為:0.0018220.0013090.0013092.97w對應的橫坐標為rw(z)=3.86mm,故光束半徑為:由(1.1)式2w(z)/z得光束發(fā)散角為:0.001822(以厘米為單位計算):2*632.8*1063.14*0.3080.001309100%39.2%實驗誤差較大，誤差的來源可能有：(1)Z值由三段組成，三段均由卷尺測量，起點和終點都不能準確確定，誤差較大。(2)測

16、量光強時，由于外界環(huán)境的不穩(wěn)定及雜散光的影響可能會導致光強測量不準確。(3)坐標7.60mm之后的光強變化不符合理論，故將之后的數(shù)據(jù)剔除，因此測量的數(shù)據(jù)不夠完整，可能導致得出的光強最大值不準確。實驗二共焦球面掃描干涉儀與氮速激光模式分析實驗目的1.了解掃描干涉儀原理，掌握其使用方法。2.學習觀測激光器橫模和縱模的實驗方法。實驗儀器用具掃描干涉儀，高速光電接收器及其電源，鋸齒波發(fā)生器，示波器，氨窺激光器及其電源，準直光源和準直小孔。實驗原理1.共焦球面掃描干涉儀工作原理共焦球面掃描干涉儀(簡寫為FPS)由兩個曲率半徑r相等、鍍有高反膜層的球面鏡M1和M2組成，二者之間的距離L稱作腔長，如圖2-1

17、所示。壓電陶瓷內(nèi)外兩面加上鋸齒波電壓后，驅(qū)動一個反射鏡作周期性運動，用以改變腔長L而實現(xiàn)光譜掃描。由于腔長L恰等于曲率半徑r,所以兩反射鏡焦點重合，組成共焦系統(tǒng)。當一束波長為的光近軸入射到干涉儀內(nèi)時，在忽略球差情況下，光線走一閉合路徑，即光線在腔內(nèi)反射，往返兩次之后又按原路行進。從圖2-1可以看出，一束入射光將有1、2兩組透射光。若m是光線在腔內(nèi)往返的次數(shù)，則1組經(jīng)歷了4m次反射；2組經(jīng)歷了4m+2次反射。設反射鏡的反射率為R,Harcher給出了1、2兩組的透射光強分別為圖2-1共焦球面掃描干涉儀內(nèi)部北路圖這里I0是入射光強，T是透射率，B是往返一次所形成的位相差，即2n2L2/門2是腔內(nèi)介

18、質(zhì)的折射率。當k時(k是任意整數(shù))，即4n2Lk(2.4)(2.3)A A時，透射率有極大值TmaxI1/I0T2/(1R2)2(2.5)圖2-2活見的橫模光斑圖（1）激光器的縱模當腔長L恰是半個波長的整數(shù)倍時，才能在腔內(nèi)形成駐波，形成穩(wěn)定的振蕩，故有，Lq/2（2.8）q即為縱模的階數(shù)，是光波在激活物質(zhì)中的波長，故有c/n2,c是光速。代入式（2.8）得v0qc/2n2Lqvq為在腔內(nèi)能形成穩(wěn)定振蕩的頻率，不同的整數(shù)q值對應著不同的輸出頻率vq。相鄰兩縱模的頻率差為由于腔內(nèi)存在著各種各樣的吸收，我們假設吸收率為A,則有RTA1(2.6)將式（2.6）代入式（2.5）,在反射率RQ1情況下，1

19、R2,1RTA,于是max124(1A/T)(2.7)據(jù)式（2.4）可知，改變腔長L或改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率,就可以使不同波長的光以最大透射率透射，實現(xiàn)光譜掃描。可用改變腔內(nèi)氣體氣壓的方法來改變n2,本實驗中將鋸齒波電壓加到壓電陶瓷上驅(qū)動和壓電陶瓷相連的反射鏡來改變腔長L,以達到光譜掃描的目的2激光器的振蕩模式激光器內(nèi)能夠發(fā)生穩(wěn)定光振蕩的形式稱為模式。通常將模式分為縱模和橫模兩類?？v模描述了激光器輸出分立頻率的個數(shù)；橫模描述了在垂直于激光傳播方向的平面內(nèi)光場的分布情況。激光的線寬和相干長度由縱模決定，而光束發(fā)散角、光斑直徑和能量的橫向分布則由橫模決定。我們用符號TEMmnq來描述激光諧振腔內(nèi)電磁

20、場的情況。TEM代表橫向電磁場，m、n腳標表示沿垂直于傳播方向某特定橫模的階數(shù)，q表示縱模的階數(shù)。一般q可以很大，m、n都很小X岸TEMUc/2n2L（2.9）激光器對不同頻率有不同的增益，只有當增益值大于閾值的頻率才能形成振蕩而產(chǎn)生激光。例如L=1m的氨窺激光器，其相鄰縱模頻率差c/2L1.5108Hz,若其增益曲線的頻寬為1.5109Hz，則可輸出10個縱模。腔長L越短，則越大，輸出的縱模就越少。對于增益頻寬1.5109Hz的激光，若L小于0.15m,則將輸出一個縱模，即輸出單縱模的激光。（2）激光器的橫模對于滿足形成駐波共振條件的各個縱模來說，還可能存在著橫向場分布不同的橫模。同一縱模不

21、同橫模，其頻率亦有差異。某一個任意的TEMmnq模的頻率mnq經(jīng)計算得c2/呻=TTQg+(而+制斗一一)】4l4lt tL Litit5 5% %其中rV2分別是諧振腔兩反射鏡的曲率半徑。若橫模階數(shù)由nnn,則有4川上Lir：G兩式相減，得不同橫模之間的頻率差Oaiwos（l-）（1-）T22%LK3r,2%LK3r,（2n將橫模頻率差的式（2.10）和縱模頻率差的式（2.9）相比，二者差一個分數(shù)因子，并且相鄰橫模之間的頻率差一般總是小于相鄰縱模頻率差c/2n2L的。例如，增益頻寬為91.510Hz、腔長L=0.24m的平凹（r1m,2）諧振激光器，其縱模頻率差按式（2.9）算得為6.251

22、08HZ；對于橫模TEM00和橫模TEM01之間的頻率差00,01，將各值代入，可得相鄰橫摸頻率差Av-01=乂(0+l)arecos(l-)(1: :=1=1.02x10/5保陽2Mo.24K1e九=1.01I*)1.5109Hz里含有2.5個縱模。當用掃描干涉儀來分析這支激光器的模式時，若它僅存在TEM00模，有時可看到3個尖峰，有時看到兩個尖峰;模時，可有兩組或三組尖峰，有的組可能有一個峰。這些都是由于激光器腔長的。用掃描干涉儀分析激光器模式是很方便的。m增到mmm,n增到這支激光器的增益頻寬當還存在TEM01L的變化所得到修23注生球向掃描T涉儀內(nèi)郃結枸示意圄3共焦球面干涉儀的性能指標

23、(1)自由光譜范圍由干涉方程式(2.4)對k和求全微分得kk,則2(/k)|ki/4&L(2.11)式(2.11)所表示的就是干涉儀的自由光譜范圍。由|/|/可知，用頻率間隔來表示光譜自由范圍則有|c/4n2L(2.12)自由光譜范圍在n2=1時，僅由腔長L決定。它表征波長在范圍內(nèi)的光,產(chǎn)生的干涉圓環(huán)不相互重疊。分辨本領R0干涉儀的分辨本領R0定義為波長人和在該處可分辨的最小波長間隔的比值，即(2.13)精細常數(shù)F精細常數(shù)F是描述干涉儀譜線的細銳程度的，它被定義為干涉儀的自由光譜范圍和分辨極限之比，即F/(2.14)F也表征了在自由光譜范圍內(nèi)可分辨的光譜單元的數(shù)目。 干涉儀精細常數(shù)受反射鏡面的

24、規(guī)整度和反射率R影響。 共焦球面干儀的反射率R和精細常數(shù)F之間有如下關系2FR(1R)(2.15)實驗內(nèi)容及步驟.根據(jù)激光器的腔長L,用式(2.9)計算縱模頻率差，再用式(2.10)計算它1階和2階橫模頻率差。.根據(jù)干涉儀的曲率半徑計算出干涉儀的自由光譜范圍，再由給定的反射率計算出精細常數(shù)F。.在實驗一實驗裝置的基礎上，撤掉45度反射鏡、光功率探頭、狹縫及裝有平面反射鏡的支架，換上掃描干涉儀和高速光電接收器，其中掃描干涉儀與鋸齒波發(fā)生器相連，光電接收器與示波器相連。調(diào)節(jié)各器件共軸。.打開鋸齒波發(fā)生器和示波器電源，在示波器上觀察激光器輸出光的縱模和橫模，并解釋產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因。注意事項06165

25、7900018-Numbered_ffa7e73b-f78b-4f5f-9a52-a75fd4fa8071-Numbered_aaaf8590-ea5b-4712-ba42-b8a6a431c.掃描干涉儀的壓電陶瓷易碎，應輕拿輕放。061657901018-Numbered_ffa7e73b-f78b-4f5f-9a52-a75fd4fa8071-Numbered_aaaf8590-ea5b-4712-ba42-b8a6a431c.掃描干涉儀的通光孔在平時不用時應用膠帶封好，防止灰塵進入。061657902018-Numbered_ffa7e73b-f78b-4f5f-9a52-a75fd4f

26、a8071-Numbered_aaaf8590-ea5b-4712-ba42-b8a6a431c.鋸齒波發(fā)生器不允許空載，必須連接掃描干涉儀后才能打開電源。實驗過程及數(shù)據(jù)處理Ro/實驗時間：2008-03-2517:3018:00昀攀 挀戀 愀攀 愀 攙攙昀愀挀戀昀攀攙.計算縱模和橫模頻率差已知掃描干涉儀的腔長為l=20mm,腔內(nèi)介質(zhì)(即空氣)折射率為1,激光器的腔長為L=32.65cm由式(2.9)得相鄰縱模頻率差為:昀攀 挀戀 愀攀 愀 攙攙昀愀挀戀昀攀攙.計算干涉儀的自由光譜范圍和精細常數(shù)已知干涉儀的腔長和曲率半徑均為20mm,由式（2.11）得:（a）（b）上圖（a）中只有一個很高的峰

27、，輸出的是單縱模。此時共焦腔腔長滿足式（2.4）4n2Lk,即為該但縱模對應的波長。滿足式（2.4）時，波長為的模式的光的透過率最大，因而示波器上只顯示出一個很高的波峰，其他模式的光基本上被抑制了。隨著加在壓電陶瓷上的電壓的變化，腔長改變了，不再滿足式（2.4）,此時其他模式的光的透過率增大，因而每組尖峰不止一個波峰，這也說明（a）中縱模對應有橫模。隨著電壓周期性變化，每組尖峰里有時有兩個波峰，有時只有一個波峰（見視頻文件“激光器模式觀測.AVI）,說明該縱模對應有TEM00和TEM01兩個橫模。c/2n2L3*1082*0,32654.6*108Hz1階橫模頻率差為:00,013*1081(

28、02*1*0,32651)arccos(10.3265丁)(10.3265)1/28.9*107Hz2階橫模頻率差為:2*00,20200,011.78*108Hz2/4n2L_92(632.8*10)4*0.02125.005*10m精細常數(shù)F_2R(1R)_2、_*0,99*(10.99)0.0623.調(diào)節(jié)示波器只顯示鋸齒波上升沿對應的激光輸出波形，觀察到如下圖所示波形:5.實驗總結1,由于預習不夠充分以及缺乏經(jīng)驗，實驗過程中在調(diào)節(jié)光路準直和調(diào)節(jié)激光器外腔鏡與內(nèi)反射鏡平行使之產(chǎn)生激光振蕩上花了比較長的時間，導致實驗二有部分未完成。有待提高。.對激光器的輸出模式還沒有理解透徹，對如何由示波器上的波形推斷輸出的是哪一種模式還不是很清楚，有待進一步研究。.測量光斑離束腰處的距離Z時，由外腔鏡到45度反射鏡的距離忘記測量，實驗中用的是估計值，以后應避免出現(xiàn)這種情況。