實驗6、7激光器實驗

1、實驗六實驗六 氦氖激光束光斑大小和發(fā)散角的測量氦氖激光束光斑大小和發(fā)散角的測量【實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康摹?. 加深對高斯光束物理圖像的理解；加深對高斯光束物理圖像的理解；2. 掌握外腔式氦氖激光器的使用和調(diào)整方法；掌握外腔式氦氖激光器的使用和調(diào)整方法；3. 掌握測量激光束光斑大小和發(fā)散角的方法；掌握測量激光束光斑大小和發(fā)散角的方法；4. 深入理解基模激光束橫向光場高斯分布的特性及深入理解基模激光束橫向光場高斯分布的特性及 激光束發(fā)散角的意義。激光束發(fā)散角的意義。 【實驗原理實驗原理】 激光束的發(fā)散角和橫向光斑大小是激光應(yīng)用中的兩個重要參數(shù)。激光束的發(fā)散角和橫向光斑大小是激光應(yīng)用中的兩個重要參數(shù)。 0

2、 Z( )z 2020( )1()zz 022 ( ) zz 11240() (1)LRL 激光束橫向光場分布激光束橫向光場分布:00( )Ir00( )Err( )z 1 e21 e1.0( ) z 定義：振幅下降到中心振幅振幅下降到中心振幅1 e的點離中心的距離的點離中心的距離 或或光強(qiáng)下降為中心光強(qiáng)光強(qiáng)下降為中心光強(qiáng)21 e【實驗儀器與裝置實驗儀器與裝置】氦氖激光器氦氖激光器 反射鏡反射鏡 反射鏡反射鏡 狹縫狹縫 硅光電池硅光電池 光功率指示儀光功率指示儀 【實驗內(nèi)容及步驟實驗內(nèi)容及步驟】 打開氦氖激光器電源，用小孔屏調(diào)整外腔激光器輸出鏡與打開氦氖激光器電源，用小孔屏調(diào)整外腔激光器輸出鏡

3、與 反射鏡中心的平行度，產(chǎn)生激光振蕩。反射鏡中心的平行度，產(chǎn)生激光振蕩。 2. 調(diào)整標(biāo)尺及平面反射鏡使激光束照亮測量狹縫，調(diào)整標(biāo)尺及平面反射鏡使激光束照亮測量狹縫， 取取 ，縫寬小于光斑大小的，縫寬小于光斑大小的1/10， 接好光功率指示儀。測量并記錄接好光功率指示儀。測量并記錄z值值 。3 5zm 3. 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(yīng)與光傳播方向垂直，每隔移動的方向應(yīng)與光傳播方向垂直，每隔0.10.2mm，記，記 錄光功率指示儀的讀值，測量激光束的光強(qiáng)橫向分布。錄光功率指示儀的讀值，測量激光束的光強(qiáng)橫向分布。

4、 測量一次。測量一次。 【實驗結(jié)果記錄實驗結(jié)果記錄】光斑位置光斑位置 Z 腔腔 長長L【計算與比較計算與比較】632.8nm 1Rm 凹面鏡曲率半徑凹面鏡曲率半徑激光波長激光波長束腰半徑束腰半徑11240() (1)LRL ( ) z 2020( )1()zz 02 2 ( ) zz 調(diào)節(jié)過程中應(yīng)避免激光直射人眼，以免對眼睛造成危害。調(diào)節(jié)過程中應(yīng)避免激光直射人眼，以免對眼睛造成危害。2. 注意激光高壓電源，以免觸電或短路。注意激光高壓電源，以免觸電或短路。3. 測量過程中應(yīng)減小震動，避免光斑在狹縫口晃動。測量過程中應(yīng)減小震動，避免光斑在狹縫口晃動。4. 禁止用手觸及光學(xué)零件的透光表面。禁止用手

5、觸及光學(xué)零件的透光表面。5. 激光器電源約激光器電源約6mA左右為宜。左右為宜?！咀⒁馐马椬⒁馐马棥看{(diào)激光器激光器左右準(zhǔn)直小孔實驗七實驗七 氦氖激光器的模式分析氦氖激光器的模式分析【實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康摹?了解激光模式的形成及特點，加深對其物理概念的理解；了解激光模式的形成及特點，加深對其物理概念的理解；2. 了解共焦球面掃描干涉儀的原理、性能，掌握其使用方法；了解共焦球面掃描干涉儀的原理、性能，掌握其使用方法；3. 通過實驗觀測和分析，掌握激光束模式分析的基本方法。通過實驗觀測和分析，掌握激光束模式分析的基本方法。 【實驗原理實驗原理】 激光器的振蕩模式激光器的振蕩模式: :縱模縱模描述激光器

6、輸出的光頻率描述激光器輸出的光頻率 2qcqL 2qcL 橫模橫模描述垂直于激光傳播方向的平面內(nèi)光場分布情況描述垂直于激光傳播方向的平面內(nèi)光場分布情況 1 21222(1)arccos(1)(1)4mnqcLLqmnLRR 1 2121()arccos(1)(1)2mnm ncLLmnLRR 、共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成為激光技術(shù)中一種重要的測量設(shè)備。本實驗正是通過它將為激光技術(shù)中一種重要的測量設(shè)備。本實驗正是通過它將彼此頻率差異甚小（幾十至幾百彼此頻率差異甚?。◣资翈装費Hz），用眼睛和一般光），用眼睛和一般光譜儀器

7、都分不清的各個不同縱模、不同橫模展現(xiàn)成頻譜圖譜儀器都分不清的各個不同縱模、不同橫模展現(xiàn)成頻譜圖來進(jìn)行觀測的。來進(jìn)行觀測的。共焦球面掃描干涉儀（簡寫為共焦球面掃描干涉儀（簡寫為FPS）是一個無源諧振腔，）是一個無源諧振腔，由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊鏡的曲率半徑由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊鏡的曲率半徑和腔長相等，和腔長相等，R1=R2=L 。反射鏡鍍有高反射膜，兩塊鏡中。反射鏡鍍有高反射膜，兩塊鏡中的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的壓電陶瓷上的壓電陶瓷上。【掃描干涉儀掃描干涉儀】共焦球面掃描干涉儀：共焦球面掃

8、描干涉儀： 間隔圈間隔圈 壓電陶瓷環(huán)壓電陶瓷環(huán) 壓電陶瓷加上鋸齒波電壓后，驅(qū)動內(nèi)部一個反射鏡做周期性運動，壓電陶瓷加上鋸齒波電壓后，驅(qū)動內(nèi)部一個反射鏡做周期性運動，從而改變腔長從而改變腔長L而實現(xiàn)光譜掃描而實現(xiàn)光譜掃描 。由于長度的變化量很小，僅為由于長度的變化量很小，僅為波長數(shù)量級，它不會改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)波長數(shù)量級，它不會改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)。共焦球面干涉儀的性能指標(biāo)：共焦球面干涉儀的性能指標(biāo)： 自由光譜范圍自由光譜范圍4cL 根據(jù)諧振器相干輸出的條件，相干極大輸出的波長值和根據(jù)諧振器相干輸出的條件，相干極大輸出的波長值和腔長值有一一對應(yīng)的關(guān)系。一定幅度的電壓改變腔長，腔長值有一一對應(yīng)的關(guān)系。一

9、定幅度的電壓改變腔長，就可以使激光器具有的所有不同的波長（頻率）的模次就可以使激光器具有的所有不同的波長（頻率）的模次依次相干極大的透過，形成掃描。但若入射光波長范圍依次相干極大的透過，形成掃描。但若入射光波長范圍超過某一限定時，外加電壓雖可使腔長線性變化，但一超過某一限定時，外加電壓雖可使腔長線性變化，但一個確定的腔長可能使幾個不同波長的模同時產(chǎn)生相干極個確定的腔長可能使幾個不同波長的模同時產(chǎn)生相干極大輸出，即幾種不同的模式被同時掃出，疊加在一起，大輸出，即幾種不同的模式被同時掃出，疊加在一起，造成模序的重疊。造成模序的重疊。自由光譜范圍：自由光譜范圍：就是指掃面干涉儀所能掃出的不重序的就是

10、指掃面干涉儀所能掃出的不重序的最大波長差或最小頻率差。最大波長差或最小頻率差。0R = F 波長波長 和在該處可分辨的最小波長間隔和在該處可分辨的最小波長間隔 的比值的比值 描述干涉儀譜線的細(xì)銳程度，為干涉儀的自由光譜范圍和描述干涉儀譜線的細(xì)銳程度，為干涉儀的自由光譜范圍和分辨率極限之比：分辨率極限之比： 2(1)FRR R:反射率反射率=99%精細(xì)常數(shù)精細(xì)常數(shù)F F：分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)：實驗值實驗值 在實驗中就是一個模的半值寬度。在實驗中就是一個模的半值寬度。理論值理論值【實驗儀器與裝置實驗儀器與裝置】 激光器 掃描干涉儀 放大器 放大器電源 激光電源 鋸齒波 發(fā)生器 示波器 Y X 小孔光闌

11、小孔光闌 【實驗內(nèi)容及步驟實驗內(nèi)容及步驟】1. 調(diào)整光路。首先使激光束從光闌小孔通過，調(diào)整掃調(diào)整光路。首先使激光束從光闌小孔通過，調(diào)整掃描干涉儀上下、左右位置，使光束描干涉儀上下、左右位置，使光束正入射正入射孔中心，孔中心，再細(xì)調(diào)方位螺絲，以使從干涉儀腔鏡反射的再細(xì)調(diào)方位螺絲，以使從干涉儀腔鏡反射的最亮的最亮的光點回到光闌小孔的中心附近光點回到光闌小孔的中心附近，這時表明入射光束，這時表明入射光束和掃描干涉儀的光軸基本重合。和掃描干涉儀的光軸基本重合。2. 將放大器的接收部位對準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端。將放大器的接收部位對準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端。 3. 接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的電源開關(guān)。接

12、通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的電源開關(guān)。 4. 觀察示波器上展現(xiàn)的的頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干涉儀的觀察示波器上展現(xiàn)的的頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干涉儀的 方位螺絲，使譜線盡量強(qiáng)，噪聲盡量小。方位螺絲，使譜線盡量強(qiáng)，噪聲盡量小。 5. 根據(jù)平凹激光器（根據(jù)平凹激光器（r1=1m,r2= ）的腔長）的腔長(實驗測量實驗測量), 計算相鄰縱計算相鄰縱 模（模（2式）和橫模（式）和橫模（3式）的頻率差（式）的頻率差（理論理論 值值）。）。7. 以計算所得的自由光譜范圍在示波器上以計算所得的自由光譜范圍在示波器上定標(biāo)定標(biāo)，測出自由，測出自由光譜范圍光譜范圍相對應(yīng)的標(biāo)尺長度，計算出二者的比值相對應(yīng)的標(biāo)尺長度，計算出

13、二者的比值每厘每厘米代表的頻率間隔值米代表的頻率間隔值。由示波器上顯示的縱模、橫模波形。由示波器上顯示的縱模、橫模波形測出縱模頻率間隔、橫模頻率間隔測出縱模頻率間隔、橫模頻率間隔 ，和理論值進(jìn)行比較。，和理論值進(jìn)行比較。測出測出 根據(jù)實驗公式（根據(jù)實驗公式（14式）計算精細(xì)常數(shù)式）計算精細(xì)常數(shù)F,和理論比和理論比較。較。6. 根據(jù)干涉儀的曲率半徑（根據(jù)干涉儀的曲率半徑（l = r = 20mm）計算出干涉儀）計算出干涉儀的的由光譜范圍（由光譜范圍（12式）式）。根據(jù)干涉儀的反射率根據(jù)干涉儀的反射率 (R=99%)計算出計算出精細(xì)常數(shù)精細(xì)常數(shù)F（15式）。式）。 改變鋸齒波的前后沿，得到一個較長

14、的直線部分，上升部改變鋸齒波的前后沿，得到一個較長的直線部分，上升部分代表鋸齒波的電壓呈直線上升，調(diào)制鋸齒波的幅度，使分代表鋸齒波的電壓呈直線上升，調(diào)制鋸齒波的幅度，使鋸齒波直線段看到清楚的鋸齒波直線段看到清楚的2-3個干涉序，下降段是前面的個干涉序，下降段是前面的重復(fù)，實驗測量必要要在同一沿下。重復(fù)，實驗測量必要要在同一沿下。上圖中的譜線上圖中的譜線1與譜線與譜線5，譜線，譜線2與譜線與譜線6，譜線，譜線3與譜線與譜線7，譜線譜線4與譜線與譜線8之間所對應(yīng)的頻率間隔為自由光譜范圍理之間所對應(yīng)的頻率間隔為自由光譜范圍理論值是：論值是：3.75G，實驗值看在示波器上是幾厘米，得到每，實驗值看在示波器上是幾厘米，得到每厘米代表多少厘米代表多少G，從而為讀橫、縱模頻率間隔定標(biāo)）。，從而為讀橫、縱模頻率間隔定標(biāo)）?？v模間隔：縱模間隔：譜線譜線1與譜線與譜線3的間距。的間距。橫模間隔：橫模間隔：譜線譜線1與譜線與譜線2的間距。的間距。【實驗結(jié)果記錄實驗結(jié)果記錄】 q mn 干涉儀干涉儀曲率半徑曲率半徑r腔長腔長l = 20mm干涉儀反射率干涉儀反射