合成后四個實驗激光原理實驗指導書

1、氦氖激光器He-Ne激光器的基本組成是放電管、電極和諧振腔。He-Ne激光器是目前應用最廣泛的氣體激光器，主要產(chǎn)生632.8nm的激光，功率只有幾個毫瓦到幾十毫瓦，但它有很好的光譜特性。對管長350毫米的管子,電流為5毫安左右，輸出功率2毫瓦左右。He-Ne激光的放電管由毛細管和貯氣管構成。放電的內(nèi)管直徑約23mm，管長幾厘米到十幾厘米，放電管越長功率越大，相應的放電電壓就高。毛細管的尺寸和質(zhì)量是決定激光器輸出性能的關鍵因素。貯氣管與毛細管相連，并且毛細管的一端有隔板，這是為了使放電只限于毛細管，貯氣管的作用是增加了放電管的工作氣體總量，延長器件壽命。普通的He-Ne激光器的放電管一般用GG1

2、7硬質(zhì)玻璃制成，對輸出功率和波長要求穩(wěn)定性高的器件通常用熱脹系數(shù)更小的石英玻璃制作。光學諧振腔由一對高反射率的多層介質(zhì)膜反射鏡組成，一般采用平凹鏡形式，平面鏡為輸出鏡。毛細管長度約1520cm的He-Ne激光器的輸出鏡的反射率98.599.5。諧振腔的軸線和放電毛細管軸偏離不超過0.1mm。凹面鏡為全反鏡，要求反射率接近100%。 管內(nèi)主要按5：110：1的比例充入氦氖混合氣體達到總氣壓約200400Pa。 He-Ne激光器結構分為三部分：既放電管、諧振腔和激發(fā)的電源。He-Ne激光器的放電電極多采用冷陰極形式，冷陰極材料多用濺射率小和電子發(fā)射率高的鋁或鋁合金。為了增加電子發(fā)射面積和減低陰極濺

3、射，陰極通常制成圓筒狀，并有盡可能大的尺寸，陽極一般用鎢針制成。連續(xù)工作的He-Ne激光器多采用支流放電激勵的方式，起輝電壓和工作電壓與激光器的結構參數(shù)和放電條件有關，放電長度為1米的激光器，起輝電壓在8千伏左右，He-Ne激光器的工作電流在幾毫安到幾十毫安的范圍。氦氖激光器產(chǎn)生激光躍遷的是氖原子，氦是輔助氣體。氦氖激光器是一種典型的四能級系統(tǒng)。氦氖激光器還存在最佳總氣壓和最佳氣體配比，如毛細管直徑為3毫米管內(nèi)氣體配比為He3:Ne20=5:1,總氣壓p=1.5乇(1乇=133Pa, 1乇1mm汞柱，1Pa為1N/m2) ，毛細管直徑2.56mm時He3:Ne20=7：1,總氣壓p=1.4乇。

4、He-Ne激光器特點是在燃火管子之初給出高于管子著火電壓的高壓，正常放電以后，電源提供的電壓則不宜過份高于激光管的工作電壓。以免電源功率過多消耗在限流電阻上而降低效率。所以一般He-Ne激光器電源，獲得高于激光管著火電壓的瞬時高壓后，電源電壓馬上降至略高于激光管的工作電壓，但遠比激光管的著火電壓為低的水平。如下是一個采用四倍壓觸發(fā)，二倍壓工作的450mm長的He-Ne管，著火電壓為4.5-5.5 kV，工作電流為8-10mA ；限流電阻選用8個8 W， 30的電阻串聯(lián)；整流二極管耐壓大于5kV，電流為0.05A；變壓器選用輸出1150V，功率30W；電容選C1，C2為0.47，耐壓為1.6 k

5、V； 對于C3，C4為容量為，耐壓為5kV的瓷片電容。實驗目的：掌握He-Ne激光器原理與特性、了解He-Ne激光電源特點。實驗儀器：He-Ne激光器、He-Ne激光電源、轉(zhuǎn)鏡和f 透鏡組件實驗步驟：1、熟悉He-Ne激光器使用、2、觀察He-Ne激光光束特點相位式激光測距原理 將相位式激光測距儀整置于點（稱測站），反射器整置于另一點（稱鏡站）。測距儀發(fā)射出連續(xù)的調(diào)制光波，調(diào)制波通過測線到達反射器，經(jīng)反射后被儀器接收器接收。調(diào)制波在經(jīng)過往返距離2后，相位延遲了。如將兩點之間調(diào)制光的往程和返程展開在一直線上，用波形示意圖將發(fā)射波與接收波的相位差表示出來。發(fā)射波與接收波的相位激光測距原理 設調(diào)制波

6、的調(diào)制頻率為，它的周期，相應的調(diào)制波長。調(diào)制波往返于測線傳播過程所產(chǎn)生的總相位變化中，包括個整周變化和不足一周的相位尾數(shù)，即 發(fā)射波與接收波的相位展開根據(jù)相位和時間的關系式，其中為角頻率，則 式中 ： 測尺長度； 整周數(shù)； 不足一周的尾數(shù)。由此可以看出，這種測距方法同鋼尺量距相類似，用一把長度為的“尺子”來丈量距離，式中為整尺段數(shù)，而等于為不足一尺段的余長。則 式中，為已知值，或為測定值。 現(xiàn)今的激光測距儀采用兩個以上的固定頻率為測尺的頻率，不同的測尺頻率的或由儀器的測相器分別測定出來，然后按一定計算方法求得待測距離。 相位式激光測距儀的工作原理相位式激光測距儀的工作原理圖 由光源所發(fā)出的激光

7、進入調(diào)制器后，被來自主控振蕩器（簡稱主振）的高頻測距信號所調(diào)制，成為調(diào)幅波。這種調(diào)幅波經(jīng)外光路進入接收器，會聚在光電器件上，光信號立即轉(zhuǎn)化為電信號。這個電信號就是調(diào)幅波往返于測線后經(jīng)過解調(diào)的高頗測距信號，它的相位已延遲了。 這個高頻測距信號與來自本機振蕩器（簡稱本振）的高頻信號經(jīng)測距信號混頻器進行光電混頻，經(jīng)過選頻放大后得到一個低頻（）測距信號，用表示。仍保留了高頻測距信號原有的相位延遲。為了進行比相，主振高頻測距信號的一部分稱為參考信號與本振高頻信號同時送入?yún)⒖夹盘柣祛l器，經(jīng)過選頻放大后，得到可作為比相基準的低頻（）參考信號，表示，由于沒有經(jīng)過往返測線的路程，所以不存在象中產(chǎn)生的那一相位延遲

8、。因此，和同時送人相位器采用數(shù)字測相技術進行相位比較，在顯示器上將顯示出測距信號往返于測線的相位延遲結果。 當采用一個測尺頻率時，顯示器上就只有不足一周的相位差所相應的測距尾數(shù)，超過一周的整周數(shù)所相應的測距整尺數(shù)就無法知道，為此，相位式測距儀中還包含一組粗測尺的振蕩頻率，若用粗測尺頻率進行同樣的測量，把精測尺與一組粗測尺的結果組合起來，就能得到整個待測距離的數(shù)值了。實驗目的：學習激光測距原理、與使用。實驗原理：（略）實驗步驟：調(diào)好光路、用示波器和頻譜分析找到兩個頻率并紀錄，呼出測距波形。本實驗有關人身和設備的安全事項1、本實驗有高壓和強輻射，注意人身安全。2、激光器打開時，絕不允許移動功率探頭

9、，因功率探頭外殼是鋁制，鋁對紅外線反射較強，防止的反射紅外激光意外傷人。3、開機時先通冷卻水、關機時后斷冷卻水。防止激光管炸裂冷卻系統(tǒng)帶高壓。-CO激光器 激光器由工作氣體、放電管、諧振腔和電源所組成。 放電管大多采用硬質(zhì)玻璃(如)制成，只有少數(shù)因特殊要求(如要求輸出功率穩(wěn)定性好或頻率穩(wěn)定性好)的器件，才采用石英玻璃。放電管的內(nèi)徑和長度變化范圍很大，小型激光器放電管的內(nèi)徑一般為48mm左右，長度在1m以下。大功率激光器的內(nèi)徑一般大于10mm，長度達幾十米。為了防止內(nèi)部氣壓和氣壓比的變化而影響器件壽命，放電管外加有貯氣管。為了防止發(fā)熱而降低輸出功率，加有水冷裝置。水冷套的間隙一般為510mm，間

10、隙太小，雖流速大，但水流阻力大；間隙太大則水的流速低冷卻效果不好。放電管一般采用多層套管結構，氣體放電管、水冷套管和貯氣管三者制成共軸套筒，稱為三重套激光管。也可將貯氣套旁袖放置，水冷套和放電管同軸放置，稱此為二重套旁軸激光管。激光器的放電電流很小，放電管的陰極也多采用冷陰極，一般是用金屬材料做成，形狀為圓筒形，電極由與圓筒焊在一起的鎢棒引到管外。筒的材料一般是用相片或鎳片，圓筒的面積隨工作電流的增加而增加。如長1m、內(nèi)徑20mm的管子，工作電流為3040mA時，圓筒面積約5×l0。圓筒可以與放電管同軸放置，也可旁軸放置，前者結構緊湊，但電極發(fā)熱會影響激光輸出的穩(wěn)定性；后者制造方便，

11、但電極濺射不會污染諧振腔反射鏡，激光輸出較穩(wěn)定。激光器的典型結構激光器的放電毛細管較粗，為了增加輸出功率，一般采用大曲率半徑的平凹諧振腔(R2L)，甚至采用非穩(wěn)腔以達到增大體積的目的。這樣雖然調(diào)整精度要求高些，但由于激光的增益高，容易出激光，比起He-Ne激光器來，調(diào)整精度已不是主要矛盾。激光器的輸出功率大，輸出波長較長(10.6m)，它的腔反射鏡與He-Ne激光器反射鏡的結構形式有一定差別。中小型激光器的全反射鏡一般用玻璃磨制而成，表面鍍金膜。金對10.6m波長的反射率可達98以上,其化學性質(zhì)也比較穩(wěn)定。高功率激光器的全反端常采用金屬反射鏡，基板用不銹鋼或黃銅，拋光后再鍍上金膜。金屬反射鏡導

12、熱性好，也便于通水冷卻。玻璃的導熱性差，在高功率條件下使用時，反射鏡溫度上升很快，容易破裂。輸出端反射鏡有好幾種形式，較簡單的形式是在一塊鍍金反射鏡的中心開一個合適的小孔，外面再密封一塊能透過l0.6m波長的紅外材料，激光通過這個小孔輸出到腔外，稱為小孔耦合輸出。也可以直接用紅外材料磨成反射鏡，表面鍍金膜，而中心留一個小孔不鍍金。這種小孔耦合法的優(yōu)點是結構簡單，缺點是輸出容易出現(xiàn)或模輸出激光的光束強度分布不均勻。另外一種形式是用半導體材料直接耦合。由于半導體材料N型鍺對10.6m波長吸收小，同時它的折射率高(對10.6m，它的折射率M4.02)，拋光后反射率可達50%60，所以鍺可作輸出反射鏡

13、。還有一種形式是用介質(zhì)膜反射鏡，它是用能透射10.6m的紅外材料作基底，再在上面鍍多層介質(zhì)膜而制成的。這種形式需要大塊均勻的紅外材料且鍍膜困難，故不常用。目前能做激光器輸出鏡的紅外材料主要有：氯化納(NaCl)氯化鉀(KCl)、N型鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(TeS)、硒化鋅(ZnSe)等。NaCl和KCl這兩種材料的吸收系數(shù)很小，用它做輸出鏡時，吸收損耗可忽略。但它們很容易潮解，機械性能差，容易破裂，當晶體溫度稍高于室溫時就容易產(chǎn)生塑性滑動或破裂，因此難以加工成表面質(zhì)量高的光學元件，使用也不方便。Ge不潮解，機械性能比NaCl和KCl還好，加工容易，但吸收系數(shù)比NaCl和KCl大

14、，而且吸收系數(shù)隨溫度升高而變大。當溫度超過50時，Ge的吸收系數(shù)急劇上升，容易炸裂，故用于高功率的輸出器件時，應注意冷卻。實驗證明，在沒有采取冷卻措施時,鍺片允許的功率密度為26W/，采用壓縮空氣致冷時，允許功率密度提高到約30W/，當冷卻到-40時，功率密度允許到88W/。選用半導體鍺時，一般都用N型鍺，因為N型鍺的吸收系數(shù)比P型鍺低約1020倍。GaAs的吸收系數(shù)也非常小，它的機械性能、化學性能和熱性能部比較好，吸收系數(shù)隨溫度的變化沒有鍺那樣劇烈，因此，大功率器件一般都用GaAs面不是鍺片。但它比鍺貴得多。TeS的吸收系數(shù)也很小，它的化學穩(wěn)定性機械性能和導熱性都較好，但目前還比較難獲得大塊

15、晶品材料。連續(xù)激光器的電源大多采用直流輝光放電電源，電源能提供幾千伏到上萬伏的直流電壓。由于輝光放電的負阻特性，必須串接限流電阻才能使放電穩(wěn)定。限流電阻的值約為放電管等效內(nèi)阻的幾分之一。限流電阻越大，放電越穩(wěn)定，但功率損耗增大。當放電管比較長時，需要分段進行激發(fā)，這時容易出現(xiàn)各段不能同時均勻放電的現(xiàn)象。為了解決這個問題，設計電路時要有電壓自動調(diào)節(jié)裝置。激光器的輸出功率隨著放電管長度加長而增大。輸出功率相放電管長度L間有經(jīng)驗關系 PKL 激光器在充+He氣且總氣壓和放電電流都為最佳條件下，對于長度為數(shù)米以下的管子，多橫模輸出時k=4050W/m單模輸出時A2030W/m對于l0米以上的則為100

16、W/m,50米以上的為180W/m。激光器的輸出功率與放電管的內(nèi)徑關系不大，這是因為在總氣壓強一定時，內(nèi)徑增大，則總粒子數(shù)增加，這有利于提高輸出功率；但內(nèi)徑大將造成管中心區(qū)域散熱慢，以致使激光下能級抽空速率變慢及譜線寬度增加導致輸出功率下降，總的結果使得頻率基本不變。但內(nèi)徑的選取不是任意的，應從其他方面的要求去選擇合適的管徑。例如；為了選模，可采用小口徑的管子；為了實現(xiàn)單縱模輸出，常用長度短和口徑小的管子；對于大功率激光器，為了減小衍射損耗、防止在大功率輸出時產(chǎn)生功率密度飽和及防止過高的功率密度造成諧振腔元件的發(fā)熱損壞，這時要選較粗的放電管等等。對激光器的輸出功率來說，放電電流也有最佳值，這是

17、因為電流升高，放電管內(nèi)的電子數(shù)目增多，可以激發(fā)更多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，但電子過多又會因碰撞激發(fā)而使反轉(zhuǎn)板子數(shù)減少。激光器的最佳放電電流與放電管的直徑、管內(nèi)的總氣壓以及氣體混合比有關。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著管徑的增大，最佳放電電流增加，例如管徑為3030mm時，最佳放電電流約為3050mA，管徑為5090mm的最佳放電電流為120250mA。放電管兩端的直流管壓降V受EP值(或EN)和穩(wěn)定放電兩方面限制。當EP值低時，放電管內(nèi)的電子轉(zhuǎn)換效率高，但因EPV/LP(V為放電管端電壓，L為放電管長度)，EP低意味著V低或P高，V太低和P過高都將影響放電管正常穩(wěn)定放電。為了兼顧以上兩方面，一般取EP0.0750.15

18、V. 由此可確定最佳放電電壓。例如對1米長的放電管充氣壓為1333Pa時，最佳放電電壓為V(0.0750.015)LP=1020kV CO激光器原理CO線性對稱排列的三原子分子，三個原子排成一直線，中央是碳原子，兩端是氧原子。CO分子處于不斷振動中，其基本振動形式有三類：對稱振動、形變振動和反對稱振動。對稱振動，即碳原子不動，兩個氧原子在分子軸上同時相向或背向碳原子振動。對稱振動的振動能量是量子化的，其大小與振動量子數(shù)（用表示對稱振動方式的振動量子數(shù),=0,1,2）有關。形變振動方式，三個原子的振動方向不是沿分子軸，而是垂直于分子軸，并且碳原子的振動方向與兩個氧原子的相反。用(=0,1,2) 氧 碳 氧 CO分子