專業(yè)試驗(yàn)試驗(yàn)四氦氖多譜線激光器試驗(yàn)講義1

多譜線氮氖激光器

實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)講義大恒新紀(jì)元科技股份有限公司版權(quán)所有不得翻印多譜線氮氖激光器在增益管長(zhǎng)為1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔內(nèi)插入色散棱鏡選擇譜線的方法，在可見光區(qū)分別使氖原子的九條譜線產(chǎn)生激光振蕩。實(shí)驗(yàn)要求掌握He-Ne多譜線激光線器的工作原理及腔型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；學(xué)習(xí)外腔式激光器及腔內(nèi)帶棱鏡激光器的調(diào)節(jié)方法；測(cè)量各條激光譜線的波長(zhǎng)；找出各條譜線的最佳放電電流及測(cè)量最大輸出功率。一、 實(shí)驗(yàn)原理一臺(tái)激光器除激勵(lì)電流外主要由兩部分組成，一是增益介質(zhì)；二是諧振腔。對(duì)He-Ne激光器而言增益介質(zhì)就是在兩端封有布儒斯特窗的毛細(xì)管內(nèi)按一定的氣壓充以適當(dāng)比例的氦氖氣體，當(dāng)氦氖混合氣體被電流激勵(lì)時(shí)，與某些譜線對(duì)應(yīng)的上下能級(jí)的粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益。介質(zhì)增益與毛細(xì)管長(zhǎng)度、內(nèi)徑粗細(xì)、兩種氣體的比例、總氣壓以及放電電流等因素有關(guān)。對(duì)諧振腔而言腔長(zhǎng)要滿足頻率的駐波條件，諧振腔鏡的曲率半徑要滿足腔的穩(wěn)定條件?？傊坏膿p耗必須小于介質(zhì)的增益，才能建立激光振蕩。由于介質(zhì)的增益具有飽和特性，增益隨激光強(qiáng)度增加而減小。初始建立激光振蕩時(shí)增益大于損耗，隨著激光的增強(qiáng)而增益逐漸減小直到增益等于損耗時(shí)才有持續(xù)穩(wěn)定的振蕩。穩(wěn)定振蕩時(shí)的增益叫閾值增益，初始的增益叫小信號(hào)增益。小信號(hào)增益與閾值增益之差越大，腔內(nèi)的激光強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)小信號(hào)增益很低的激光譜線是否能獲得激光振蕩， 關(guān)鍵在于諧振腔的損耗能降低到什么程度。1、在可見光區(qū)激光譜線的小信號(hào)增益系數(shù)在氦氖混合氣體的增益管中氖原子的3S2能級(jí)對(duì)2Pi（2Pi是2Pi,2P2,…，2P8，2Pio九個(gè)能級(jí)的簡(jiǎn)稱，3S2-2P9的躍遷是違禁的）九個(gè)能級(jí)之間能夠產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益，九條譜線的小信號(hào)增益系數(shù)Go如表1所示。測(cè)量時(shí)各譜線的放電電流值不相同；表中相對(duì)增益系數(shù)是用用光譜相對(duì)強(qiáng)度研究氦氖放電管的增益特性的裝置測(cè)得的，各譜線的放電電流相同。表1He-Ne3&-2Pi譜線的小信號(hào)增益系數(shù)躍遷能級(jí)激光波長(zhǎng)九/A小信號(hào)增益系數(shù)Go/cm-1相對(duì)增益系數(shù)G0，丸/G0.6333S2-2Pi73O4.83_57.0X1050.113S2-2P264OI.O70.413S2-2P36351.850.113S2-2P46328.17_46.5X1041.003S2-2P56293.740.183S2-2P66118.O1_41.0X1040.163S2-2P76O46.13_53.5X100.063S2-2P85939.31_53.0X100.053d2Pio5433.65_51.5X100.032、諧振腔的穩(wěn)定條件激光器的諧振腔是由兩塊相距為L(zhǎng),曲率半徑分別為球面的反射鏡組成。要使腔內(nèi)近軸傳播的光線多次來回反射不會(huì)逸出腔外，腔鏡的曲率半徑級(jí)腔長(zhǎng)必須滿足Oc丄丄Li (1)<R人尺丿對(duì)平凹腔來說，若R2=x，穩(wěn)定條件為Ov(1-L/Ri)<1，貝U凹面鏡的曲率半徑必須大于腔長(zhǎng)。對(duì)于對(duì)稱腔，Ri=R2=R,穩(wěn)定條件為(1-L/R)2<1，則反射鏡的曲率半徑必須大于腔長(zhǎng)的一半。由于相對(duì)小的曲率半徑對(duì)應(yīng)相對(duì)大的發(fā)射角，通常反射鏡的曲率半徑選擇2?5倍腔長(zhǎng)。3、激光振蕩條件建立激光振蕩必須滿足光在增益介質(zhì)中來回運(yùn)行一次得到的增益足以補(bǔ)償運(yùn)行中的損耗，用公式表示為rir2exo2LaG-：a=1 (2)式中ri和r2分別為諧振腔兩鏡片上的反射率，La為增益介質(zhì)長(zhǎng)度，G為建立穩(wěn)定激光時(shí)介質(zhì)單位長(zhǎng)度的增益，叫閾值增益系數(shù)。aa為增益介質(zhì)內(nèi)的損耗，包括衍射損耗。兩鏡片總的反射率r與投射率t及吸收散射損耗as的關(guān)系有(3)4、諧振腔反射鏡

諧振腔反射鏡鍍有多層光學(xué)介質(zhì)膜。實(shí)驗(yàn)使用反射率高達(dá) 99.9%。而損耗小于0.1%的高質(zhì)量介質(zhì)膜，使低增益激光譜線實(shí)現(xiàn)振蕩成為可能。 介質(zhì)膜反射率帶寬(即波長(zhǎng)范圍)通常為1000A左右，實(shí)驗(yàn)中涉及的九條激光譜線覆蓋的波長(zhǎng)范圍約2000A，需使用兩種或三種不同波長(zhǎng)范圍的反射膜片。5、腔內(nèi)棱鏡在諧振腔中插入色散棱鏡P,如圖1所示。由于棱鏡分光作用，對(duì)不同波長(zhǎng)其偏向角不同，諧振腔只能對(duì)其中一條譜線滿足振蕩條件，而其它波長(zhǎng)由于偏離諧振腔光軸，損耗大于增益不能起振。若要改變振蕩譜線，需把棱鏡和諧振腔調(diào)準(zhǔn)到使該譜線滿足振蕩條件的位置。棱鏡調(diào)諧波長(zhǎng)的方式基本上有兩種，一種是棱鏡的入射角不變，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同出射角，調(diào)諧波長(zhǎng)時(shí)，棱鏡保持不動(dòng)，只改變諧振腔反射鏡的方位，使相應(yīng)波長(zhǎng)的光束沿原路返回實(shí)現(xiàn)振蕩。另一種是棱鏡出射角不變，反射鏡相對(duì)棱鏡不動(dòng)，當(dāng)改變波長(zhǎng)時(shí)，使棱鏡和反射相對(duì)入射光做整體轉(zhuǎn)動(dòng)。后一種也可采用半棱鏡結(jié)構(gòu)，在半棱鏡的出射面上鍍有全反射介質(zhì)膜，取代諧振腔反射鏡。用半棱鏡優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)元件損耗小，缺點(diǎn)是棱鏡的角色散和角分辨減小了一半。本實(shí)驗(yàn)采用第二種方式的全棱鏡結(jié)構(gòu)。圖1色散棱鏡的作用(1) 關(guān)于棱鏡材料與加工在可見光波段He-Ne激光譜線的增益是很小的，每厘米約為 10-3?10-5量級(jí)。在諧振腔內(nèi)插入色散棱鏡必然會(huì)增加腔內(nèi)損耗，因此在選擇棱鏡材料和加工時(shí)要盡可能減少損耗。棱鏡材料要求透明度高，色散大，熔石英的透明度很好，在可見光區(qū)每厘米長(zhǎng)度的吸收率小于0.001，但色散不理想，可用在增益小而譜線間隔相對(duì)大的短波長(zhǎng)區(qū)。重火石玻璃在可見光區(qū)吸收比熔石

英大好幾倍，但色散也比熔石英大幾倍，可用在6328A附近譜線間隔密集而增益系數(shù)相對(duì)大的光譜區(qū)。棱鏡表面加工光潔度在頂角A附件要求達(dá)到I級(jí)(2)棱鏡頂角的設(shè)計(jì)為了減少光束在棱鏡界面上的反射損耗，光束在棱鏡界面上的入射角應(yīng)

是布儒斯特角9b,同樣從棱鏡出射的光束也是布儒斯特角，如圖 2所示。從圖中光線的幾何關(guān)系可知棱鏡頂角A應(yīng)滿足(5)(5)A=2入=2arctann°式中入為棱鏡材料內(nèi)的布儒斯特角，no為棱鏡所用波段中心波長(zhǎng)的折射率。實(shí)驗(yàn)中提供了兩塊棱鏡供選用，一塊為熔石英，棱鏡頂角為 A=68055另一塊為重火石玻璃，棱鏡頂角為A=61o52',中心波長(zhǎng)均為6328A，各種波長(zhǎng)都以6328A的布儒斯特角9b,633為出射角，各種波長(zhǎng)相應(yīng)的入射角9入可用下式求得:arcsin:丿n^sin[arcsin:丿n^sin[A—arcsinZ33(6)式中m表示相應(yīng)波長(zhǎng)的折射率，其數(shù)值是根據(jù)文獻(xiàn)【2】給出的特征波長(zhǎng)折射率，用內(nèi)插法求得。兩塊棱鏡的數(shù)據(jù)分別由表2和表3給出。圖2棱鏡光路表2重火石玻璃棱鏡激光波長(zhǎng)與入射角的關(guān)系(A=61o52')波長(zhǎng)入/A折射率nx入射角9x入射角改變量7304.831.6554857o35'-1o29'6401.071.6680259o0'46351.851.6684659o2.6'-14

6328.171.6686759o4'06293.741.6689759o6'+2'6118.011.6705259o17'+13'6046.131.6709959o20'+16'5939.311.6721059o28'+24'5433.651.6780660o10'+1o6'表3熔石英棱鏡激光波長(zhǎng)與入射角關(guān)系(A=68o55')波長(zhǎng)rm rm折射率nx入射角9x入射角改變量L/2一R—L/27304.831.4549355o16'-16'6401.071.4570655o31'-1.5'6351.851.4572155o32'-0.5'6328.171.4572855o32.5'06293.741.4573955o33.3'0.8'6118.011.4579255o37'5'6046.131.4580855o38'6'5939.311.4584655o41'9'5433.651.4603955o54'22'圖3實(shí)驗(yàn)裝置示意P為色散棱鏡，SP為棱鏡轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的最小分度為T。Mi,M2,M3為諧振腔反射鏡，分別裝在兩個(gè)調(diào)節(jié)自由度的鏡架上。如圖4所示，圖中M表示裝在鏡架上的反射鏡，a，b為把鏡架支撐在基座上的彈簧螺絲，A，B，C為鏡架微調(diào)螺絲，一般不調(diào)C,調(diào)節(jié)A鈕時(shí)鏡片M以CB連線為水平軸作微小轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)B鈕時(shí)M以CA為垂直軸作微小轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4反射鏡調(diào)節(jié)架Mi，M2組成輔助腔，Mi為凹面全反射鏡，曲率半徑一般選擇 2?3m，M2為平面鏡，反射率要求不嚴(yán)格，一般大于97%。首先在Mi和M2之間調(diào)0出6328A激光，為調(diào)整棱鏡P和反射鏡M3提供準(zhǔn)直光線。Mi和M3構(gòu)成帶棱鏡的可調(diào)諧波長(zhǎng)的諧振腔。M3的曲率半徑一般選擇3m以上。反射率取決于譜線增益及對(duì)輸出功率的要求，反射率大于99.7%的鏡片，適用于波長(zhǎng)大于6ii8A的譜線，對(duì)波長(zhǎng)最短的三條譜線，反射率要求達(dá)■O到99.9%，尤其是5433A譜線增益最低，對(duì)調(diào)節(jié)精度的要求也是最高的。W表示激光功率計(jì)，最小量程iOuW，最大量程50mW。WDG表示W(wǎng)DG-30型光柵單色儀，用來鑒別激光波長(zhǎng)。波長(zhǎng)精度為iA，入縫處用毛玻璃減光，出縫處可用目鏡直接觀測(cè)。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1、諧振腔的調(diào)整諧振腔的調(diào)整偏差諧振腔的調(diào)整要使腔的光軸與放電毛細(xì)管的管軸基本重合，其偏差直接影響激光功率的大小。為了便于分析，把諧振腔的調(diào)整偏差分解為平行度偏差S1和垂直度偏差S2兩部分。以對(duì)稱腔為例，腔鏡Mi,M2的曲率中心，其連線為諧振腔的光軸，光軸相對(duì)管軸的距離為 r，假設(shè)允許的最大偏差rm為毛細(xì)管直徑D的1/10，則平行度偏差Si可用Mi或M2鏡的偏斜角表示卄*DI?！?（7）RR腔鏡的曲率半徑R越大，允許的平行度偏差越小，對(duì)調(diào)節(jié)的精度要求越高。圖6給出垂直度S2的示意，鏡Mi,M2的曲率中心分別為G,C2，分布在管軸的兩側(cè)，位移量為r',新的光軸為C；C2連線，這時(shí)Mi與M2是相互平行的，只是光軸與管軸有一交角，假設(shè)毛細(xì)管長(zhǎng)等于腔長(zhǎng) L,光軸允許的最大偏差在鏡片上用rm表示，由圖中幾何關(guān)系可知L/2諧振腔垂直度偏差SL/2諧振腔垂直度偏差S2可用鏡片的偏角R—L/20表示用（8）式中的rm代入（9）式得（10）式表明當(dāng)腔鏡的曲率半徑比腔長(zhǎng)大時(shí)，允許的垂直度偏差比平行度偏差大。如果腔鏡的調(diào)節(jié)感量（或精度）比允許的垂直度偏差小，當(dāng)激光器調(diào)出激光后，還可以經(jīng)過精心的調(diào)節(jié)使垂直度偏差減小， 從而使激光功率增強(qiáng)。（2） 直腔激光器的調(diào)節(jié)方法直腔指腔內(nèi)沒有插入色散棱鏡的激光腔（如圖7（a）所示），調(diào)節(jié)時(shí)用到一種叫光靶的調(diào)整工具。光靶的結(jié)構(gòu)是一個(gè)帶手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字線并有小燈照明，十字線的中心開有直徑約為 0.8mm的小孔。調(diào)整時(shí)讓刻有十字線的一面對(duì)著激光器的一端，讓眼睛從光靶的背面通過小孔觀察處于放電狀態(tài)的毛細(xì)管，能夠看見在反射鏡膜片透光的背景上有一個(gè)直徑約為2-3mm的放電毛細(xì)管截面，顏色比周圍背景亮。如果小孔處在毛細(xì)管軸線附近，在毛細(xì)管的截面內(nèi)還應(yīng)看見一個(gè)更亮的只有針尖大的亮點(diǎn)，這就是放電毛細(xì)管的軸心。如圖4.7（b）所示，上下左右調(diào)整光靶的位置，使小亮點(diǎn)處在毛細(xì)管截面的中心，這是光靶的小孔就處在毛細(xì)管的軸線上了。圖7直諧振腔的調(diào)節(jié)下一步的調(diào)節(jié)要使反射鏡的光軸與這條軸線重合，如果反射鏡的法線與管軸偏離不遠(yuǎn)，在視場(chǎng)內(nèi)就可以看見通過反射鏡的十字線虛像。調(diào)節(jié)反射鏡架上兩個(gè)俯仰A和偏轉(zhuǎn)B螺絲（見圖4）,使十字像的中心與毛細(xì)管截面中心亮點(diǎn)重合。這時(shí)反射鏡的法線與放電管軸線重合。用同樣的方法調(diào)節(jié)另一端反射鏡。如果上述步驟操作準(zhǔn)確，激光就會(huì)出現(xiàn)。若不出激光可多次重復(fù)上述步驟。仍無效時(shí)可如下操作，來回微調(diào)A鈕使十字線沿毛細(xì)管軸心上下掃描，當(dāng)兩鏡片接近時(shí)可觀察到軸心亮點(diǎn)變亮，把A鈕固定在使軸心最亮的位置上，用同樣的方法調(diào)B鈕。再調(diào)另一面反射鏡，只要出現(xiàn)中心亮點(diǎn)變亮的現(xiàn)象，調(diào)出激光就不難了。激光出現(xiàn)后移去光靶，放上功率計(jì)，再仔細(xì)調(diào)節(jié)兩個(gè)反射鏡架上的 A，B鈕，直到激光功率最強(qiáng)。這時(shí)兩鏡片在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)是相互平行的，但很可能諧振腔的垂直度偏差還有較大的余量可供改善。使S2減小的方法如下：設(shè)Ml,M2鏡架上的調(diào)節(jié)螺絲分別為Ai，Bi和A2,B2，假設(shè)先調(diào)使腔鏡繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰螺絲A，令A(yù)i為主動(dòng)，則A2為隨動(dòng)，若順時(shí)針方向微調(diào)Ai，使激光功率下降少許(不超過十分之一)，再調(diào)A2,若激光功率上升說明順時(shí)針方向微調(diào)Ai是正確的，以上步驟可以繼續(xù)操作，直到調(diào)A2時(shí)激光功率不再上升。若一開始調(diào)A2激光功率不上升，應(yīng)改為逆時(shí)針微調(diào)Ai,重復(fù)上述方法。然后換調(diào)使腔鏡繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的螺絲B。令Bi主動(dòng)，B2為隨動(dòng)，方法如前述，當(dāng)激光功率達(dá)到最大時(shí)，激光腔的光軸與管軸在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)達(dá)到了最佳狀態(tài)。帶色散棱鏡的激光腔調(diào)節(jié)方法如圖3所示，現(xiàn)在Mi和M2之間調(diào)出激光并使輸出激光達(dá)到最強(qiáng)，再按以下要求操作：棱鏡臺(tái)的調(diào)整棱鏡臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，這是利用小型分光計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)改裝

的，若自行設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用正交調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。圖中0表示棱鏡平臺(tái)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以從度盤上讀出，讀數(shù)精度為1。度盤下面還有使平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的微調(diào)螺絲，圖中未畫出。平臺(tái)的傾斜用x,y,z螺絲調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)軸的空間方位由基腳螺絲P,Q,V調(diào)節(jié)。棱鏡臺(tái)的放置須使PQ的連線與激光束方向平行，并在V0方向移動(dòng)，使棱鏡臺(tái)的轉(zhuǎn)軸與激光束相交。調(diào)棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸應(yīng)與放電管布儒斯特窗的入射面垂直，即分別使棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸與布儒斯特窗上的透射光線和反射光線垂直。用一塊平面鏡放置在棱鏡平臺(tái)上，鏡面與xy連線正交，使激光正入射在平面鏡上，調(diào)x或y螺絲使光束沿原路返回，將棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)180°若反射光不與入射光重合，說明棱鏡臺(tái)的轉(zhuǎn)軸不垂直于激光束。分別調(diào)平臺(tái)上的螺絲x或y及轉(zhuǎn)臺(tái)的基腳螺絲P或Q各使反射光與入射光的差距減少一半，反復(fù)使棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180°,用上述方法調(diào)節(jié)，直至平面鏡的反射光追蹤從布儒斯特窗上的反射光落于遠(yuǎn)處某點(diǎn)的光斑（參考圖9,只把圖中的棱鏡改為平面鏡）。調(diào)棱鏡臺(tái)的基腳螺絲V使兩光斑重合。圖9棱鏡調(diào)節(jié)示意ii）色散棱鏡的調(diào)節(jié)棱鏡的調(diào)節(jié)如圖9所示，三棱鏡有兩個(gè)通光面，用Ni,N2表示。兩通光面的夾角為棱鏡頂角A，另一界面為毛面，圖中用粗線表示。放置棱鏡要注意以下幾點(diǎn)：使入射界面Ni與棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸o大致重合，以便在轉(zhuǎn)動(dòng)鏡臺(tái)時(shí)入射光點(diǎn)的位置基本不變；使入射光線靠近棱鏡頂角A,光線在棱鏡中的光程較短，可減少棱鏡材料吸收散射等損耗，但要防止光束從棱鏡頂角前漏過；使棱鏡界面與棱鏡平臺(tái)三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲的連線基本垂直；由于反射鏡M3安裝在棱鏡平臺(tái)上，可移動(dòng)的范圍有限，放置棱鏡時(shí)要考慮出射光的方向與M3的方位相符。調(diào)節(jié)棱鏡兩個(gè)通光面的法線，使之與棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸垂直。使 Ni面對(duì)準(zhǔn)激光束，調(diào)節(jié)與Ni面有關(guān)的平臺(tái)螺絲x或