實(shí)驗(yàn)6、7 激光器實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)六

氦氖激光束光斑大小和發(fā)散角的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.加深對(duì)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；3.掌握測(cè)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(chǎng)高斯分布的特性及激光束發(fā)散角的意義。【實(shí)驗(yàn)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(gè)重要參數(shù)。Z激光束橫向光場(chǎng)分布:r1.0定義：振幅下降到中心振幅的點(diǎn)離中心的距離或光強(qiáng)下降為中心光強(qiáng)【實(shí)驗(yàn)儀器與裝置】氦氖激光器反射鏡反射鏡狹縫硅光電池光功率指示儀【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】打開(kāi)氦氖激光器電源，用小孔屏調(diào)整外腔激光器輸出鏡與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(cè)量狹縫，取，縫寬小于光斑大小的1/10，接好光功率指示儀。測(cè)量并記錄z值。3.移動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)，使狹縫和硅光電池接收器同時(shí)掃過(guò)光束，移動(dòng)的方向應(yīng)與光傳播方向垂直，每隔0.1～0.2mm，記錄光功率指示儀的讀值，測(cè)量激光束的光強(qiáng)橫向分布。測(cè)量一次。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄】

每隔0.2mm測(cè)一數(shù)據(jù)

位置（mm）光強(qiáng)光斑位置Z＝腔長(zhǎng)L＝【計(jì)算與比較】凹面鏡曲率半徑激光波長(zhǎng)束腰半徑計(jì)算值測(cè)量值光斑半徑發(fā)散角調(diào)節(jié)過(guò)程中應(yīng)避免激光直射人眼，以免對(duì)眼睛造成危害。2.注意激光高壓電源，以免觸電或短路。3.測(cè)量過(guò)程中應(yīng)減小震動(dòng)，避免光斑在狹縫口晃動(dòng)。4.禁止用手觸及光學(xué)零件的透光表面。5.激光器電源約6mA左右為宜。【注意事項(xiàng)】待調(diào)激光器激光器左右準(zhǔn)直小孔實(shí)驗(yàn)七

氦氖激光器的模式分析【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饧す饽Ｊ降男纬杉疤攸c(diǎn)，加深對(duì)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；3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和分析，掌握激光束模式分析的基本方法?！緦?shí)驗(yàn)原理】激光器的振蕩模式:縱模——描述激光器輸出的光頻率

橫?！枋龃怪庇诩す鈧鞑シ较虻钠矫鎯?nèi)光場(chǎng)分布情況

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(cè)量設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)正是通過(guò)它將彼此頻率差異甚小（幾十至幾百M(fèi)Hz），用眼睛和一般光譜儀器都分不清的各個(gè)不同縱模、不同橫模展現(xiàn)成頻譜圖來(lái)進(jìn)行觀測(cè)的。共焦球面掃描干涉儀（簡(jiǎn)寫(xiě)為FPS）是一個(gè)無(wú)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和腔長(zhǎng)相等，R1=R2=L。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壓電陶瓷上?！緬呙韪缮鎯x】共焦球面掃描干涉儀：

間隔圈壓電陶瓷環(huán)壓電陶瓷加上鋸齒波電壓后，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部一個(gè)反射鏡做周期性運(yùn)動(dòng)，從而改變腔長(zhǎng)L而實(shí)現(xiàn)光譜掃描。由于長(zhǎng)度的變化量很小，僅為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，它不會(huì)改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)。共焦球面干涉儀的性能指標(biāo)：①自由光譜范圍根據(jù)諧振器相干輸出的條件，相干極大輸出的波長(zhǎng)值和腔長(zhǎng)值有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。一定幅度的電壓改變腔長(zhǎng)，就可以使激光器具有的所有不同的波長(zhǎng)（頻率）的模次依次相干極大的透過(guò)，形成掃描。但若入射光波長(zhǎng)范圍超過(guò)某一限定時(shí)，外加電壓雖可使腔長(zhǎng)線性變化，但一個(gè)確定的腔長(zhǎng)可能使幾個(gè)不同波長(zhǎng)的模同時(shí)產(chǎn)生相干極大輸出，即幾種不同的模式被同時(shí)掃出，疊加在一起，造成模序的重疊。自由光譜范圍：就是指掃面干涉儀所能掃出的不重序的最大波長(zhǎng)差或最小頻率差。波長(zhǎng)和在該處可分辨的最小波長(zhǎng)間隔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分辨率極限之比：R:反射率=99%③精細(xì)常數(shù)F：②分辨本領(lǐng)：實(shí)驗(yàn)值在實(shí)驗(yàn)中就是一個(gè)模的半值寬度。理論值【實(shí)驗(yàn)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

【實(shí)驗(yàn)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(guò)，調(diào)整掃描干涉儀上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再細(xì)調(diào)方位螺絲，以使從干涉儀腔鏡反射的最亮的光點(diǎn)回到光闌小孔的中心附近，這時(shí)表明入射光束和掃描干涉儀的光軸基本重合。2.將放大器的接收部位對(duì)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(kāi)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

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（r1=1m,r2=∞）的腔長(zhǎng)(實(shí)驗(yàn)測(cè)量),

計(jì)算相鄰縱模（2式）和橫模（3式）的頻率差（理論

值）。7.以計(jì)算所得的自由光譜范圍在示波器上定標(biāo)，測(cè)出自由光譜范圍相對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺長(zhǎng)度，計(jì)算出二者的比值——每厘米代表的頻率間隔值。由示波器上顯示的縱模、橫模波形測(cè)出縱模頻率間隔、橫模頻率間隔，和理論值進(jìn)行比較。測(cè)出根據(jù)實(shí)驗(yàn)公式（14式）計(jì)算精細(xì)常數(shù)F,和理論比較。6.根據(jù)干涉儀的曲率半徑（l=r=20mm）計(jì)算出干涉儀的由光譜范圍（12式）。根據(jù)干涉儀的反射率(R=99%)計(jì)算出精細(xì)常數(shù)F（15式）。改變鋸齒波的前后沿，得到一個(gè)較長(zhǎng)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，使鋸齒波直線段看到清楚的2-3個(gè)干涉序，下降段是前面的重復(fù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量必要要在同一沿下。上圖中的譜線1與譜線5，譜線2與譜線6，譜線3與譜線7，譜線4與譜線8之間所對(duì)應(yīng)的頻率間隔為自由光譜范圍理論值是：3.75G，實(shí)驗(yàn)值看在示波器上是幾厘米，得到每厘米代表多少G，從而為讀橫、縱模頻率間隔定標(biāo)）?？v模間隔：譜線1與譜線3的間距。橫模間隔：譜線1與譜線2的間距。【實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄】測(cè)量值理論值

示波器讀數(shù)（cm）頻率（Hz）自由光譜范圍

無(wú)

最小可分辨頻率間隔

無(wú)縱模頻率間隔

橫模頻率間隔

精細(xì)常數(shù)F

/=

干涉儀曲率半徑r＝腔長(zhǎng)l=20mm干涉儀反射率