武大光科激光原理四個(gè)實(shí)驗(yàn)

PAGEPAGE31實(shí)驗(yàn)一大功率氦氖激光器的安裝與調(diào)試實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹客ㄟ^對(duì)He-Ne激光器的安裝與調(diào)試熟悉氣體激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理。學(xué)會(huì)調(diào)整光學(xué)諧振腔的基本方法。要求將激光器調(diào)整到有最佳輸出狀態(tài)?！緦?shí)驗(yàn)原理】氦--氖激光器是一種原子氣體激光器，它主要由放電管、光學(xué)諧振腔、激勵(lì)源三部分組成。激光器的結(jié)構(gòu)因放電管和諧振腔鏡片的連接方式不同而有內(nèi)腔式、外腔式、半內(nèi)腔式之分。（1）外腔式（2）半內(nèi)腔式內(nèi)腔式為兩鏡片與放電管分離。對(duì)于全外腔的激光器，它的腔是可調(diào)的，反射鏡片和放電管的窗片都暴露在空氣中，雖然生產(chǎn)廠都已進(jìn)行了防塵封蔽措施，但是隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，塵埃、水汽等還是會(huì)侵入，污染反射鏡片和窗片，使激光器輸出功率下降，直至不出光。激光器在使用過程中，由于其本身的熱漲冷縮及外界振動(dòng)等原因，都會(huì)使腔變形，也影響著激光器的模式，輸出功率穩(wěn)定性等指標(biāo)。因此，使用者應(yīng)該學(xué)會(huì)必要的維護(hù)技術(shù)和調(diào)整技術(shù)。激光器結(jié)構(gòu)示意圖見實(shí)驗(yàn)圖1：實(shí)驗(yàn)圖1激光器結(jié)構(gòu)示意圖【實(shí)驗(yàn)操作與現(xiàn)象】1．檢修指南：(1)激光器不出光時(shí)檢查程序：電源一放電管一氣體顏色一反射鏡一布儒斯特窗一諧振腔一毛細(xì)管電源激光器被點(diǎn)燃，激光放電管輝光放電，如一個(gè)霓虹燈一樣。如果不能輝光放電，首先檢查電源是否有問題。電源出了毛病，則需要修理電源或更換電源。放電管其次檢查放電管。放電管破裂而漏氣或鋁電極嚴(yán)重濺射損壞都會(huì)點(diǎn)不著。有時(shí)雖然能夠點(diǎn)燃，但放電也不穩(wěn)定，一閃一閃的，這是電源與放電管匹配不好而至。放電管的參數(shù)有了變化或者電源出了毛病，都會(huì)出現(xiàn)放電不穩(wěn)定。氣體顏色如果能夠點(diǎn)燃，并能穩(wěn)定放電，而由于管內(nèi)工作物質(zhì)的成分發(fā)出變化，也導(dǎo)致無激光輸出。氦氖激光器正常輝光放電是橙紅色。主要觀察陽極和陰極附近的放電顏色。顏色變蘭或蘭紫色，則放電管侵蝕入了空氣。顏色呈乳白色，則是放電管去氣不徹底或侵入水氣。以上情況都屬放電管損壞，必須更換新管芯。反射鏡激光器的反射鏡片嚴(yán)重污染，也會(huì)使激光器無激光輸出。反射鏡是在光學(xué)基片上鍍上多層介質(zhì)膜，有很高的反射率。其反射率的高低，直接影響著激光功率大小。反射鏡受到污染，反射率大大下降，腔內(nèi)光損耗增加，使激光淬滅。長(zhǎng)期使用的激光器，可以明顯的觀察反射鏡上有一個(gè)小白斑，這點(diǎn)正是激光的作用點(diǎn)。這是由于激光器腔內(nèi)功率非常高，空氣中的塵埃，水汽在激光束的作用下，游離到反射鏡上，使之局部污染，停止激光振蕩。這種局部污染的反射鏡，只要轉(zhuǎn)動(dòng)一下反射鏡，改變一下激光作用點(diǎn)的位置，還可以繼續(xù)使用。布儒斯特窗布儒斯特窗處于激光腔內(nèi)，它表面狀態(tài)的好壞，對(duì)激光功率大小影響非常靈敏。它的外表面落上灰塵或異物，也會(huì)導(dǎo)致激光淬滅。這種情況出現(xiàn)，應(yīng)該對(duì)窗片進(jìn)行清潔處理。諧振腔激光器由于諧振腔失調(diào)而不出激光是一種很常見的情況，在長(zhǎng)時(shí)間使用中，激光器每次點(diǎn)燃，實(shí)際是對(duì)激光器加熱，關(guān)閉又使激光器冷卻，熱膨冷縮會(huì)使腔發(fā)生較大的變化，使些諧振腔失調(diào)，此種情況需調(diào)整諧振腔。振動(dòng)或誤碰調(diào)腔旋紐等，也都會(huì)弓[起激光器失調(diào)，導(dǎo)致不出光。失調(diào)引起不出光的激光器是可以通過調(diào)整來恢復(fù)的。毛細(xì)管長(zhǎng)期使用也會(huì)使放電管發(fā)生變形，破壞毛細(xì)管的直度，最終都會(huì)使激光不出激光。由于毛細(xì)管是靠機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐，在一般情況下不會(huì)導(dǎo)致無激光輸出。(2)激光器輸出功率低檢查程序：在使用過程中，激光器功率降低，可以從以下方面查原因：氣體顏色一布儒斯特窗一反射鏡一諧振腔一毛細(xì)管氣體顏色首先觀察放電管的放電顏色，來判斷氣體成份有無變化。顏色不正常，說明有雜質(zhì)氣體混入，使激活介質(zhì)的增益降低，功率也隨之下降。這種情況一般無法恢復(fù)原功率指標(biāo)。也有這種情況：由于長(zhǎng)時(shí)間不使用，顏色有些不正常，主要反映在陰極放電出口處，看上去顏色有些發(fā)淡。則可經(jīng)過一段時(shí)間的點(diǎn)燃后，恢復(fù)到原來顏色。布儒斯特窗和反射鏡片其次查看反射鏡片和布儒斯特窗片有無污染，在長(zhǎng)期的使用過程中，由于環(huán)境的影響，必然會(huì)受到空氣中塵埃的污染。所以，有必要對(duì)反射和窗片進(jìn)行適當(dāng)?shù)那鍧嵦幚?，以保持該激光器有較高的功率輸出及保證其它良好性能指標(biāo)。諧振腔和毛細(xì)管檢查激光器是否失調(diào)(反射鏡失調(diào)或放電毛細(xì)管直度失調(diào))。失調(diào)的激光器，其輸出激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑周圍衍射光比較強(qiáng)，并且不對(duì)稱。因此，可以觀察激光束照射在光屏上的光斑圖樣來判斷失調(diào)情況。2，清潔處理(1)膜片清潔處理：吹撣拉擦膜片上落上異物，可取下防塵罩，用吹氣球從膜片的側(cè)面吹。用這種方法可以把一般的浮物吹掉，但要特別注意吹氣球的清潔，否則會(huì)越吹越臟。膜片上異物也可以用清潔的棉球(醫(yī)用脫脂綿)輕輕的撣。這時(shí)操作需要旋下激光器端面上的擋板，然后旋下鏡片架，用棉球撣。棉球卷在一個(gè)小棒上，卷的要疏松。撣時(shí)，棉球從膜片的一邊移動(dòng)到另一邊，切勿來回?fù)?。棉球用過一次后必須換一個(gè)沒有用過的位置或換新棉球。這種方法可以去掉附著比較牢的異物。還有一種方法是：將一張鏡頭紙放在膜片上，滴上清洗液，然后用手沿膜片表面的水平方向輕輕的，緩慢的拉鏡頭紙。由于清洗液的作用，使鏡頭紙緊緊的在膜片表面運(yùn)動(dòng)，把污物帶走。操作時(shí)注意清洗液要滴的適量，在鏡頭紙離開膜片前，清洗液必須揮發(fā)完，以鏡頭紙拉出后膜片上不留有清洗液為佳。硬膜片是可以用高質(zhì)量的鏡頭紙或棉球擦洗的。一般是將半張優(yōu)質(zhì)鏡頭紙，折成幾折，成為約10X10mm2大小的紙塊，用鑷子或止血鉗夾住，加上適量的溶劑。溶劑應(yīng)是分析純的，常用丙酮或者乙醇和乙醚(3：1)的混合物，用帶有清洗劑的紙塊從膜的一端慢慢的、力量適度的擦到另一邊。一塊鏡頭紙只擦用一次。(2)布儒斯特窗的清潔處理：布窗是用高質(zhì)量的光學(xué)玻璃或石英制成。布窗內(nèi)面已經(jīng)封在放電管里，不在有外界污染問題。而另一表面暴露在空氣中，在長(zhǎng)期的使用過程中，會(huì)有灰塵或異物落在表面，使光功率下降，甚至沒有激光輸出。所以有必要對(duì)它進(jìn)行清潔處理。它的處理方法是：小心取下防塵罩。防塵罩是用透明塑料膠片卷制而成，并用膠帶紙將卷口粘牢，應(yīng)首先取下膠帶紙，從卷口處小心揭開。用清潔的脫脂棉球或疊好的鏡頭紙塊，放上適量的清洗液擦洗(與清洗硬膜片相似)。每擦一次后要更換一次棉球和鏡頭紙，千萬不能來回擦。在擦洗過程中，注意不要讓金屬鑷子或硬物碰傷布窗。清潔布窗應(yīng)在有激光振蕩情況下進(jìn)行，并使用功率計(jì)監(jiān)視。這樣可以根據(jù)觀察窗片上對(duì)激光束散射光的強(qiáng)弱來判斷是否清潔。當(dāng)觀察到的散射光極弱，甚至幾乎觀察不到時(shí)，則說明已經(jīng)擦干凈了，隨之功率也會(huì)增高。處理完后，迅速裝上防塵罩。3調(diào)整方法：對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)整，實(shí)際就是有針對(duì)性的調(diào)整其毛細(xì)管直度、兩個(gè)反射鏡之間的平行度、毛細(xì)管與反射鏡的垂直度(以下簡(jiǎn)稱直度、平行度、垂直度)，使激光器處于最佳狀態(tài)，獲得滿意的性能指標(biāo)。以下介紹幾種方法：(1)十字光靶法(自準(zhǔn)直法)這種方法是用于調(diào)整反射鏡片與毛細(xì)管軸的垂直度失調(diào)而導(dǎo)致不出光的激光器。調(diào)整工具稱之為十字光靶，它是由一個(gè)光屏和照明小燈組成。光屏用鋁板或鐵板制成，大小約有6cmX6cra，一面涂有白漆，在中間打一個(gè)約lmm的小孔，并以小孔為0點(diǎn)畫一個(gè)黑色十字叉絲線。使用時(shí)，這個(gè)白屏必須用燈照明，因此可將一個(gè)燈泡安裝在旁邊，組成一體，便于使用，見實(shí)驗(yàn)圖2。實(shí)驗(yàn)圖2臨時(shí)急用時(shí)，可用一張較厚的白紙片畫一個(gè)黑色十字叉絲線，并扎一個(gè)約1mm的小孔做成光屏，用臺(tái)燈或手電照明，也成為一個(gè)簡(jiǎn)單的光靶。首先將激光器點(diǎn)燃，使放電管輝光放電。將十字光靶放在失調(diào)端，十字屏對(duì)著激光器，距離在10cm左右。用眼睛通過光靶上的小孔去觀查毛細(xì)管的軸心,見實(shí)驗(yàn)圖3。如果太亮，可以在光靶與眼睛之間放入濾光片或戴上防護(hù)鏡，顏色為淺紅色或淺綠色。如果被調(diào)的激光器功率較大，為保護(hù)眼睛，可在腔內(nèi)插入擋板，擋板放在不調(diào)整的那一端腔內(nèi)的布窗與鏡片之間。也可以放入透明的濾光片等，只要放在腔內(nèi)就可以抑止激光振蕩，防止在調(diào)整時(shí)突然出光，直射眼睛。實(shí)驗(yàn)圖3光靶的小孔對(duì)準(zhǔn)毛細(xì)管的軸，并移動(dòng)光靶的位置，用眼睛觀察，尋找毛細(xì)管中心的亮點(diǎn)(關(guān)鍵之處)。通過光靶從端面觀察毛細(xì)管時(shí)，很容易看到毛細(xì)管內(nèi)徑的亮斑，所要觀察的亮點(diǎn)是在毛細(xì)管孔徑內(nèi)的亮斑，不要誤認(rèn)毛細(xì)管內(nèi)孔的亮班為亮點(diǎn)?？创肆咙c(diǎn)的要點(diǎn)是：必須沿著毛細(xì)管軸心看：必須看毛細(xì)管內(nèi)孔的遠(yuǎn)處。這個(gè)亮點(diǎn)直徑小于0．5毫米。它就是毛細(xì)管的軸心，見實(shí)驗(yàn)圖4。當(dāng)看到小亮點(diǎn)后，輕微移動(dòng)光靶，使亮點(diǎn)處在毛細(xì)管亮斑的中心。此時(shí)不必管十字叉絲像所處的位置，只要達(dá)到實(shí)驗(yàn)圖5所示狀態(tài)，既說明已將光靶的小孔放在毛細(xì)管的軸線上了。實(shí)驗(yàn)圖4實(shí)驗(yàn)圖5光靶的位置不動(dòng)，繼續(xù)從小孔觀察反射鏡片上被燈照明的十字絲象。見上圖所示。此時(shí)光靶的小孔已放在毛細(xì)管軸線上了，光靶的位置不能移動(dòng)，若反射鏡與毛細(xì)管垂直，即光靶的十字絲交點(diǎn)也在軸線上，與亮點(diǎn)重合。如反射鏡片與毛細(xì)管軸處在失調(diào)狀態(tài)，即不垂直時(shí)，所觀察到的鏡片上的十字絲像交點(diǎn)偏離亮點(diǎn)，見圖上右所示。這時(shí)就需要調(diào)整反射鏡了。反射鏡是通過旋紐進(jìn)行調(diào)整。旋紐安裝在激光器的端面上，一般設(shè)計(jì)成正交調(diào)節(jié)，即兩個(gè)旋紐調(diào)節(jié)時(shí)，分別使反射鏡片繞X軸和Y軸擺動(dòng)。出光端的旋鈕探出在外面，可直接用手旋動(dòng)。后端的旋鈕在殼內(nèi)，使用螺絲刀調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)時(shí)，只是旋動(dòng)，切勿施加壓力。調(diào)節(jié)其中上端的一個(gè)旋紐，可觀察到十字絲像的垂直線水平移動(dòng)，調(diào)至垂直線與中心亮點(diǎn)重合，再調(diào)另一個(gè)旋紐，此時(shí)十字絲像的水平線垂直移動(dòng)，也使它與中心亮點(diǎn)重合，見實(shí)驗(yàn)圖7。注意：在快重合時(shí)，眼睛微移，以觀察不到亮點(diǎn)為止，這樣即使出光，也不會(huì)照射眼睛。反復(fù)調(diào)至到十字叉點(diǎn)與小亮點(diǎn)重合，垂直度就調(diào)好了。實(shí)驗(yàn)圖6如果該激光器只是一端失調(diào)，即應(yīng)出光。如激光器兩端都失調(diào)時(shí)，用上述方法分別調(diào)整兩端。在調(diào)整時(shí)，由于觀察誤差，很難一次調(diào)整成功出光。所以在兩端都失調(diào)的情況下，一般需要反復(fù)調(diào)節(jié)多次。(2)掃描法：這種方法也是上種方法的繼續(xù)。已知激光器只有一端失調(diào)時(shí)，但失調(diào)度不大，或者已用十字光靶法將十字絲像調(diào)到與亮點(diǎn)重合，還不出激光，則用掃描法進(jìn)行調(diào)節(jié)。操作時(shí)，兩個(gè)旋紐同時(shí)調(diào)節(jié)。一個(gè)旋紐在原位緩慢的來回旋動(dòng)或來回步進(jìn)旋動(dòng)，另一旋紐在原位較快速的來回旋動(dòng)。這就相當(dāng)于鏡片與管軸在基本垂直的位置上掃動(dòng)，尋找最佳垂直位置，使之出光。在掃動(dòng)過程中，一旦有激光閃出，就馬上停止旋動(dòng)。這時(shí)只要調(diào)節(jié)快速旋動(dòng)的那個(gè)旋紐，即可找出最佳垂直位置，達(dá)到有激光輸出。然后，再用功率計(jì)監(jiān)視，仔細(xì)反復(fù)調(diào)整旋紐，使輸出激光功率升高。(3)跟蹤法：此方法適用于垂直度失調(diào)，但失調(diào)度不大，有激光輸出的情況。激光器雖然有激光輸出，但功率并不高，在分別調(diào)節(jié)反射鏡時(shí)，功率也不升高，達(dá)不到原功率指標(biāo)。這是因?yàn)閮蓚€(gè)反射鏡的平行度雖然已調(diào)好，但垂直度有很小的失調(diào)，此時(shí)雖有激光輸出，但功率低，如實(shí)驗(yàn)圖8。實(shí)驗(yàn)圖8在調(diào)節(jié)反射鏡時(shí)，無論調(diào)到那一端，都會(huì)使功率下降。因?yàn)橹灰{(diào)節(jié)，首先破壞了兩反射鏡的平行度，則功率就會(huì)下降，僅僅調(diào)一端反射鏡解決不了反射鏡與毛細(xì)管軸的垂直度問題。在此狀態(tài)下，觀察輸出光斑圖樣，其圖樣不呈圓形，又不均勻，也不對(duì)稱。在上述情況，激光器的垂直度失調(diào)不大時(shí)，很難判斷其失調(diào)的方位。由于有激光輸出，可以用功率計(jì)監(jiān)視調(diào)節(jié)。首先調(diào)節(jié)激光器尾端的一個(gè)旋紐，順時(shí)指針方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，有意破壞其平行度，同時(shí)觀察功率，使輸出功率下降到原來調(diào)時(shí)功率值的1／4。然后再調(diào)節(jié)激光器前端所對(duì)應(yīng)的那個(gè)旋紐，如后端調(diào)節(jié)的是反射鏡繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的那個(gè)旋紐，前端也調(diào)節(jié)反射鏡片繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的那個(gè)旋紐。實(shí)際是用前端鏡片跟蹤后端的鏡片，來恢復(fù)兩鏡片的平行度。此時(shí)觀察輸出的功率值，如功率比原功率低，說明垂直度更差了，應(yīng)改為逆時(shí)針旋動(dòng)后端旋紐，前端再跟蹤調(diào)節(jié)。如功率是上升的趨勢(shì)，則繼續(xù)跟蹤調(diào)節(jié)，直至垂直度最佳，而平行度也不被破壞，使功率達(dá)到最大值。用同樣的方法調(diào)節(jié)另外的那對(duì)旋紐，使功率上升到最高值。要獲得最佳垂直度，需要用該方法對(duì)兩組旋紐反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，最后達(dá)到激光功率最大。此時(shí)光斑圖樣也達(dá)到最佳，光強(qiáng)呈高斯型分布。(4)激光準(zhǔn)直法：該方法是較完整的調(diào)整方法。它對(duì)直度和垂直度都進(jìn)行了調(diào)整，可靠性高，很容易使激光器達(dá)到最佳狀態(tài)。a．準(zhǔn)直光路實(shí)驗(yàn)圖9給出調(diào)整準(zhǔn)直光路。實(shí)驗(yàn)圖9它是由一個(gè)小型氦氖激光管，小孔光欄和光屏組成。小孔光欄放在氦氖激光準(zhǔn)直管的出口端，使光束從小孔穿過。光闌孔為1—1.5mm。光屏放在遠(yuǎn)端大約1米遠(yuǎn)，屏上畫一個(gè)十字線，使光束射到光屏的十字線交點(diǎn)上。這條激光準(zhǔn)直線與工作臺(tái)面基本平行，高度與被調(diào)激光器出光軸的高度差不多，以便能使激光b．激光器放入光路無激光輸出的失調(diào)激光器，先把兩端的反射鏡取下，將激光器架放在準(zhǔn)直光路中，左右移動(dòng)激光器和調(diào)節(jié)激光器底腳螺絲使激光器上下移動(dòng)，觀察毛細(xì)管前端，讓激光束通過布儒斯特窗進(jìn)入毛細(xì)管。再移動(dòng)后端，同時(shí)觀察光屏上的光斑圖樣。首先應(yīng)該在光屏上看見穿過的光斑，并移動(dòng)時(shí)要同時(shí)注意到前后端。開始在光屏上的光圖樣很散，不規(guī)則，也不在遠(yuǎn)處光屏十字中心。則繼續(xù)移動(dòng)激光器架，使光斑圖樣變小并向十字線交點(diǎn)移動(dòng)。如果毛細(xì)管本身是直的，在進(jìn)一步仔細(xì)移動(dòng)激光器架，使光屏上的光斑成為衍射環(huán)狀，見圖。斑是一環(huán)一環(huán)的，外環(huán)與內(nèi)環(huán)對(duì)稱，亮度也均勻，此時(shí)激光器就被準(zhǔn)直好了。不必執(zhí)行下一步“毛細(xì)管調(diào)直”。c．毛細(xì)管調(diào)直如果毛細(xì)管不直，光屏上的光斑圖樣也不會(huì)好，需要調(diào)整一下毛細(xì)管的支撐點(diǎn)，使光斑呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)圖10狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)圖10毛細(xì)管是由四個(gè)可調(diào)的支架支撐，出廠時(shí)已用激光準(zhǔn)直調(diào)好，一般不必大動(dòng)。支撐架側(cè)面上下有兩個(gè)可調(diào)螺釘，用小螺絲刀插入旋動(dòng)。調(diào)上面，毛細(xì)管左右移動(dòng)，調(diào)下面，毛細(xì)管上下移動(dòng)。調(diào)節(jié)時(shí)，切勿施加壓力，以免支架彈性變形，影響最佳狀態(tài)的調(diào)整。在調(diào)節(jié)時(shí)，有個(gè)別支點(diǎn)若不隨調(diào)節(jié)移動(dòng)，可用手輔助加點(diǎn)力。四個(gè)支點(diǎn)反復(fù)調(diào)節(jié)，后端的支點(diǎn)比前端的支點(diǎn)靈敏。調(diào)到光屏上的光斑圖為最。d．安裝反射鏡毛細(xì)管被準(zhǔn)直好后，安裝上后端的反射鏡片，一般是全反的凹面鏡。放好后，調(diào)節(jié)鏡片旋紐，使反射光束通過毛細(xì)管返回到光欄的小孔處。當(dāng)光束中心進(jìn)入小孔光欄后，可以觀察到這條準(zhǔn)直光有閃耀現(xiàn)象，認(rèn)為此鏡片的垂直度已經(jīng)很好。光閃耀現(xiàn)象是由于放入的鏡片與準(zhǔn)直激光管輸出端鏡片構(gòu)成一個(gè)振蕩空腔，即F—P腔。在這個(gè)腔的作用下，激光束在此腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩，光束有強(qiáng)弱變化。接著再裝入前端的反射鏡片，調(diào)節(jié)該鏡片，使其反射的準(zhǔn)直光束返回到光欄小孔處。將激光器電源接通，點(diǎn)燃放電管，激光器可出激光，如無光則只要稍調(diào)一下前端鏡片，使返回光點(diǎn)在小孔附近掃描，即可能調(diào)出光。e統(tǒng)調(diào)與清潔處理如果布窗有污染，可對(duì)其進(jìn)行清潔處理。激光器出光后用功率計(jì)監(jiān)視著進(jìn)一步調(diào)前端的反射鏡，以及非常精細(xì)的調(diào)整毛細(xì)管的直度，使直度、平行度和垂直度都達(dá)到最佳狀態(tài)，得到功率最大。毛細(xì)管的調(diào)整方法“C”節(jié)。此時(shí)，調(diào)節(jié)前端的支點(diǎn)比后端的支點(diǎn)靈敏，兩端的支點(diǎn)比中間的支點(diǎn)靈敏。實(shí)驗(yàn)二氦氖多譜線激光器在增益管長(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。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2P1，2P2，…，2P8，2P10九個(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)G0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-Ne3S2-2Pi譜線的小信號(hào)增益系數(shù)躍遷能級(jí)激光波長(zhǎng)小信號(hào)增益系數(shù)G0/cm-1相對(duì)增益系數(shù)3S2-2P17304.837.0×10-50.113S2-2P26401.070.413S2-2P36351.850.113S2-2P46328.176.5×10-41.003S2-2P56293.740.183S2-2P66118.011.0×10-40.163S2-2P76046.133.5×10-50.063S2-2P85939.313.0×10-50.053S2-2P105433.651.5×10-50.03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（1）對(duì)平凹腔來說，若R2＝∞，穩(wěn)定條件為0<(1-L/R1)<1，則凹面鏡的曲率半徑必須大于腔長(zhǎng)。對(duì)于對(duì)稱腔，R1＝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)。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（2）式中r1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）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1000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2000，需使用兩種或三種不同波長(zhǎng)范圍的反射膜片。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色散棱鏡的作用關(guān)于棱鏡材料與加工可見光波段He-Ne激光譜線的增益是很小，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632.8nm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)。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θb，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）式中為棱鏡材料內(nèi)的布儒斯特角，n0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＝68o55′，另一塊為重火石玻璃，棱鏡頂角為A＝61o52′，中心波長(zhǎng)均為632.8nm，各種波長(zhǎng)都以632.8nm的布儒斯特角θb,633為出射角，各種波長(zhǎng)相應(yīng)的入射角θλ可用下式求得：（6）式中nλ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)λ/折射率nλ入射角θλ入射角改變量7304.831.6554857o35′-1o29′6401.071.6680259o0′-4′6351.851.6684659o2.6′-1.4′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)折射率nλ入射角θλ入射角改變量7304.831.4549355o16′-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′實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，圖中Las是氦氖氣體放電管，增益區(qū)長(zhǎng)1m，氦氖比例為5:1，總氣壓為250Pa，內(nèi)徑2.5mm，放電管兩端封窗為熔石英材料。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1′。M1，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M1，M2組成輔助腔，M1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M1和M2之間調(diào)出6328激光，為調(diào)整棱鏡P和反射鏡M3提供準(zhǔn)直光線。M1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6118的譜線，對(duì)波長(zhǎng)最短的三條譜線，反射率要求達(dá)到99.9％，尤其是5433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10μW，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1，入縫處用毛玻璃減光，出縫處可用目鏡直接觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求諧振腔的調(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δ1和垂直度偏差δ2兩部分。以對(duì)稱腔為例，腔鏡M1，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δ1可用M1或M2鏡的偏斜角表示（7）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5平行度偏差示意圖6垂直度偏差示意圖6給出垂直度δ2的示意，鏡M1，M2的曲率中心分別為，分布在管軸的兩側(cè)，位移量為r′，新的光軸為連線，這時(shí)M1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。（8）諧振腔垂直度偏差δ2可用鏡片的偏角θ表示（9）用（8）式中的代入（9）式得（10）（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)。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δ2減小的方法如下：設(shè)M1，M2鏡架上的調(diào)節(jié)螺絲分別為A1，B1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)1為主動(dòng)，則A2為隨動(dòng)，若順時(shí)針方向微調(diào)A1，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)A1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)A1，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B1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M1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)整圖8棱鏡轉(zhuǎn)臺(tái)示意棱鏡臺(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o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VO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N1，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N1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N1面對(duì)準(zhǔn)激光束，調(diào)節(jié)與N1面有關(guān)的平臺(tái)螺絲x或y，使光束沿原路返回。再使N2面對(duì)準(zhǔn)激光束，只能選擇調(diào)第三個(gè)平臺(tái)螺絲z使光束沿原路返回。應(yīng)注意到調(diào)節(jié)螺絲x對(duì)N1，N2面都有影響，此螺絲一般不用。調(diào)M3鏡轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡臺(tái)，使M2輸出的光束以布儒斯特角入射到N1界面上，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可由棱鏡臺(tái)度盤讀出，也可從棱鏡界面反射光強(qiáng)最弱來判斷，角度確定后用棱鏡臺(tái)的固定螺絲鎖住。調(diào)整M3鏡臺(tái)的中部。在棱鏡頂角A的前方放置一個(gè)白紙屏，調(diào)節(jié)M3鏡架上兩個(gè)俯仰，水平螺絲，使光束沿原路返回。在調(diào)M3鏡的過程中，在白紙屏上可以看到從棱鏡的兩個(gè)側(cè)面上經(jīng)多次反射出的兩串光斑。當(dāng)兩串光斑各自重合于一點(diǎn)時(shí)，表明M3鏡準(zhǔn)確地使光束沿原路返回。取下輔助腔鏡M2，如果前面的調(diào)整步驟均達(dá)到要求，這時(shí)激光就可以在M1和M3之間振蕩。再細(xì)致調(diào)節(jié)M3鏡，使激光功率達(dá)到最強(qiáng)。轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡臺(tái)的微調(diào)螺絲，其它波長(zhǎng)的激光就會(huì)相繼出現(xiàn)。測(cè)量要求用單色儀測(cè)量多譜線激光器輸出的各條激光譜線的波長(zhǎng)。找出各條激光譜線輸出功率與放電電流的關(guān)系，記下最大激光功率值及相應(yīng)的最佳電流值。棱鏡和反射鏡的搭配。表4提供了二種棱鏡及三組反射鏡適用的波長(zhǎng)范圍。用玻璃棱鏡至少調(diào)出四條激光譜線是實(shí)驗(yàn)的基本要求。表4棱鏡及反射鏡適用的波長(zhǎng)范圍棱鏡材料反射鏡編號(hào)可調(diào)出的激光波長(zhǎng)/ZF2玻璃1，26401，6352，6328，6294，6118熔石英3，46328，6118，6046，5943，5433熔石英5，67305，6328實(shí)驗(yàn)三半導(dǎo)體激光器的P-I特性及調(diào)制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ぐ雽?dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。掌握半導(dǎo)體激光器的伏安特性、閾值特性和輸出特性。掌握半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性。二、實(shí)驗(yàn)原理1、半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器大多數(shù)用的是GaAs或Ga1-xAlxAs材料，p-n結(jié)激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。p-n結(jié)通常在n型襯底上生長(zhǎng)p型層而形成。在p區(qū)和n區(qū)都要制作歐姆接觸，使激勵(lì)電流能夠通過,這電流使結(jié)區(qū)附近的有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，還需要制成兩個(gè)平行的端面起鏡面作用，為形成激光模提供必須的光反饋。圖1中的器件是分立的激光器結(jié)構(gòu)，它可以與光纖傳輸線連接，如果設(shè)計(jì)成更完整的多層結(jié)構(gòu)，可以提供更復(fù)雜的光反饋，更適合單片集成光路。2、半導(dǎo)體激光器的閾值條件：當(dāng)半導(dǎo)體激光器加正向偏置并導(dǎo)通時(shí)，器件不會(huì)立即出現(xiàn)激光振蕩。小電流時(shí)發(fā)射光大都來自自發(fā)輻射，光譜線寬在數(shù)百唉數(shù)量級(jí)。隨著激勵(lì)電流的增大，結(jié)區(qū)大量粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，發(fā)射更多的光子。當(dāng)電流超過閾值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)從非受激發(fā)射到受激發(fā)射的突變。實(shí)際上能夠觀察到超過閾值電流時(shí)激光的突然發(fā)生，只要觀察在光功率對(duì)激勵(lì)電流曲線上斜率的急速突變，如圖2所示；這是由于激光作用過程的本身具有較高量子效率的緣故。從定量分析，激光的閾值對(duì)應(yīng)于：由受激發(fā)射所增加的激光模光子數(shù)(每秒)正好等于由散射、吸收激光器的發(fā)射所損耗的光子數(shù)（每秒）。據(jù)此，可將閾值電流作為各種材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)導(dǎo)出一個(gè)表達(dá)式：（1）這里，是內(nèi)量子效率，是發(fā)射光的真空波長(zhǎng)，是折射率，是自發(fā)輻射線寬，是電子電荷，是光發(fā)射層的厚度，是行波的損耗系數(shù)，是腔長(zhǎng)，為功率反射系數(shù)。3、橫膜和偏振態(tài)半導(dǎo)體激光器的共振腔具有介質(zhì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，所以在共振腔中傳播光以模的形式存在。每個(gè)模都有自己的傳播常數(shù)和橫向電場(chǎng)分布，這些模就構(gòu)成了半導(dǎo)體激光器中的橫模。橫膜經(jīng)端面出射后形成輻射場(chǎng)。輻射場(chǎng)的角分布沿平行于結(jié)面方向和垂直于結(jié)面方向分別成為側(cè)橫場(chǎng)和正橫場(chǎng)。輻射場(chǎng)的角分布和共振腔的幾何尺寸密切相關(guān)，共振腔橫向尺寸越小，輻射場(chǎng)發(fā)射角越大。由于共振腔平行于結(jié)平面方向的寬度大于垂直于結(jié)平面方向的厚度。所以側(cè)橫場(chǎng)小于正橫場(chǎng)發(fā)散角，如圖3所示；側(cè)橫場(chǎng)發(fā)散角可近似表示為:，表示共振腔寬度。共振腔厚度通常只有左右，和波長(zhǎng)同量級(jí)，所以正橫場(chǎng)發(fā)射角較大，一般為30°～40°。輻射場(chǎng)的發(fā)散角還和共振腔長(zhǎng)度成反比，而半導(dǎo)體激光器共振腔一般只有幾百微米，所以其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體激光器和晶體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角。圖3半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角半導(dǎo)體激光器共振腔面一般是晶體的解理面，對(duì)常用的GaAs異質(zhì)結(jié)激光器，GaAs晶面對(duì)TE模的反射率大于對(duì)TM模的反射率。因而TE模需要的閾值增益低，TE模首先產(chǎn)生受激發(fā)射，反過來又抑制了TM模；另一方面形成半導(dǎo)體激光器共振腔的波導(dǎo)層一般都很薄，這一層越薄對(duì)偏振方向垂直于波導(dǎo)層的TM模吸收越大。這就使得TE模增益大，更容易產(chǎn)生受激發(fā)射。因此半導(dǎo)體激光器輸出的激光偏振度很高。偏振度計(jì)算公式（2）4、縱模特性激光二極管端面部分反射的光反饋導(dǎo)致建立單個(gè)或多個(gè)縱光學(xué)模。由于它類似于法布里—珀羅干涉儀的平行鏡面，激光器的端面也常稱為法布里——珀羅面。當(dāng)平行面之間為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，在激光器內(nèi)形成駐波。模數(shù)m可由波長(zhǎng)的數(shù)值得出。（3）式中， L是兩端面之間的距離，n是激光器材料的折射率，是發(fā)射在真空中的波長(zhǎng)，模的間隔由確定：（4）對(duì)應(yīng),模的間隔為（5）半導(dǎo)體激光器典型的光譜如圖4所示；通常同時(shí)存在幾個(gè)縱模，其波長(zhǎng)接近自發(fā)輻射峰值波長(zhǎng)。GaAS激光器的縱模間隔的典型值為為了實(shí)現(xiàn)單模工作，必須改進(jìn)激光器的結(jié)構(gòu)，抑制主模以外的所有其他模。圖4半導(dǎo)體激光器的光譜5.半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制的原理由圖6.2可以看出當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流密度大于后，開始發(fā)射激光。發(fā)射激光的強(qiáng)弱直接與驅(qū)動(dòng)電流的大小近似成正比關(guān)系。若把調(diào)制信號(hào)加到激光器電源上，即可以直接改變激光輸出光信號(hào)的強(qiáng)弱。這種方式簡(jiǎn)單，且能在高頻工作，并能保證有良好的線性工作區(qū)和帶寬，因此在光纖通信、光盤和光復(fù)印等方面得到廣泛應(yīng)用。圖6.3所示的是半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理的示意圖，其中圖（a）是電源示意圖，圖（b）是輸出光功率與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點(diǎn)處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào)制信號(hào)電流的同時(shí)加一適當(dāng)?shù)钠秒娏?，這樣就可以使輸出的光信號(hào)不失真。但是必須注意，把調(diào)制信號(hào)源與直流偏置隔離，避免直流偏置源對(duì)信號(hào)源產(chǎn)生影響，當(dāng)頻率較低時(shí)，可用電容和電感線圈串連來實(shí)現(xiàn)。輸出功率（a）電原理圖（b）調(diào)制特性曲線輸出功率（a）電原理圖（b）調(diào)制特性曲線圖5半導(dǎo)體激光器調(diào)制輸出光強(qiáng)信號(hào)輸出光強(qiáng)信號(hào)直流偏置直流偏置調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)t直流偏置半導(dǎo)體激光器t直流偏置半導(dǎo)體激光器調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置1．雙異質(zhì)結(jié)GaAlAs半導(dǎo)體激光器；2．半導(dǎo)體激光器電源；3．激光功率計(jì)；4．雙通道示波器；5．高速光電接收器6．信號(hào)函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟1．測(cè)量半導(dǎo)體激光器的輸出特性；2．半導(dǎo)體激光器調(diào)制；3．半導(dǎo)體激光器的偏振度測(cè)量。圖6半導(dǎo)體激光器P-I輸出特性測(cè)試光路將半導(dǎo)體激光器跟精密電源后面輸出旋鈕相連，紅線為正，黑線為負(fù)，改變電流大小，觀察半導(dǎo)體激光器LD電源電流表（mA）的注入電流。在平臺(tái)上放置半導(dǎo)體激光器調(diào)整架和功率指示計(jì)探頭，粗調(diào)各調(diào)整架的高度，使其高度大致相等。調(diào)節(jié)將精密電源旋鈕，增大直流源，選擇12欄光探頭的合適孔徑欄，以便于全部的激光功率進(jìn)入。調(diào)整激光器的激光指向，使激光進(jìn)入功率指示計(jì)探頭，使顯示值達(dá)到最大。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電流旋鈕，逐步減小激光器的驅(qū)動(dòng)電流，并記錄下電流值和相應(yīng)的光功率值，每2mA測(cè)量一次。觀察半導(dǎo)體激光器輸出功率P的變化，重復(fù)2次，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)列表。繪出電流－功率（P—I）曲線，即為半導(dǎo)體激光器的電光特性曲線。確定半導(dǎo)體激光器的閾值電流。換臺(tái)半導(dǎo)體激光器，將信號(hào)函數(shù)發(fā)生器的信號(hào)（TTL）接入半導(dǎo)體激光器電源，把調(diào)制信號(hào)連接到示波器.利用高速光電探測(cè)器采集調(diào)制后的光束，將放大處理后的信號(hào)與示波器另一通道連接，對(duì)比兩信號(hào)的波形情況。測(cè)量輸入調(diào)制信號(hào)在1V、3V、10V三組電壓分別在3HZ，10HZ,30HA,100HZ,1kHz、3kHZ、10kHz條件下時(shí)，光輸出信號(hào)的電壓與頻率。10．根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析調(diào)制信號(hào)與輸出光強(qiáng)信號(hào)間是否存在線性關(guān)系?！舅伎碱}】半導(dǎo)體激光器與氦－氖激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理有何異同？半導(dǎo)體激光器的調(diào)制方式是內(nèi)調(diào)制還是外調(diào)制方式？實(shí)驗(yàn)四氦氖激光器模式測(cè)量相對(duì)一般光源，激光具有單色性好的特點(diǎn)。也就是說，它具有非常窄的譜線寬度，可由一條或多條離散的、很精細(xì)的譜線構(gòu)成。這些譜線就是激光器的模，每個(gè)模對(duì)應(yīng)一種穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布，即一個(gè)特定的光頻率。對(duì)于激光，相鄰兩個(gè)模的光頻率相差很小，因此需用分辨率較高的分光儀器來觀測(cè)。當(dāng)從沿光傳播方向和垂直光傳播方向兩個(gè)角度去觀測(cè)和分析每個(gè)模時(shí)，發(fā)現(xiàn)有許多不同的特征，為方便，每個(gè)模又可相應(yīng)地稱作縱模和橫模。在激光器的生產(chǎn)和應(yīng)用中，常常需要預(yù)先知道激光器的模式狀況，如精密測(cè)量、全息技術(shù)需要基橫模輸出的激光器，而激光穩(wěn)頻和激光測(cè)距不僅需要單橫模而且要求單縱模運(yùn)行的激光器。因此激光模式測(cè)量非常重要。本實(shí)驗(yàn)從幾支氦氖激光的頻譜結(jié)構(gòu)入手，分析研究不同縱橫模的場(chǎng)分布特征，并通過測(cè)量得出縱橫模個(gè)數(shù)、頻率間隔、模序數(shù)等參量。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解激光模的形成及特點(diǎn)，加深對(duì)其物理概念的理解。2、通過測(cè)試分析，掌握模式分析的基本方法。3、通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)共焦球面掃描干涉儀的原理、性能有足夠的了解，并學(xué)會(huì)正確使用。二、實(shí)驗(yàn)儀器：氦氖激光器，共焦球面掃描干涉儀，示波器，平臺(tái)，白屏，光電接收器三、實(shí)驗(yàn)原理1、激光的頻率特性我們知道，不同縱模對(duì)應(yīng)不同的頻率，那么，同一縱模序數(shù)內(nèi)的橫模又如何呢？同樣不同橫模也對(duì)應(yīng)著不同的頻率。橫模序數(shù)越大，頻率越高。通常我們也不需要求出橫模頻率，關(guān)心的只是不同橫模間的頻率差。激光原理課程中指出，對(duì)穩(wěn)定球面腔激光器，其模頻率的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：（1）式中，q為縱模序數(shù)，m、n為橫模序數(shù)。R1、R2分別為兩反射鏡的曲率半徑；L為腔長(zhǎng)，n為工作物質(zhì)的折射率。當(dāng)m=n=0時(shí)，稱為基橫模（TEM00）。當(dāng)m（或n）≠0時(shí)，稱為高階橫模。不同橫模（m、n不同）對(duì)應(yīng)不同的橫向光強(qiáng)分布，既有不同的光斑圖案。用目視方法和測(cè)量強(qiáng)度分布來分析橫模結(jié)構(gòu)，正是利用了不同橫模之間強(qiáng)度分布的差異。不同橫模（即m、n的取值不同）對(duì)應(yīng)著不同的振蕩頻率。其頻率間隔為：（2）式中，m=│m′-m│;n=│n′-n│。利用這種頻率差就可以精細(xì)地分析激光束的橫模結(jié)構(gòu)?？梢姡噜彊M模間距為：（3）He--Ne激光器的諧振腔若是平凹腔，即R2=，這樣，上式成為：（4）當(dāng)R1=R2=L（共焦腔）時(shí)，則有：（5）不同縱模對(duì)應(yīng)不同的縱向光場(chǎng)分布，但這種分布肉眼是無法分辨的，只能根據(jù)不同縱模所對(duì)應(yīng)的不同頻率來分析縱模結(jié)構(gòu)?？v模頻率為：（6）而相鄰縱模間的頻率間隔為：（7）由上面分析可知，對(duì)于共焦腔縱模間隔是橫模間隔的兩倍。2、共焦球面掃描干涉儀的工作原理及其性能指標(biāo)(1)、結(jié)構(gòu)原理共焦球面掃描干涉儀是由兩塊鍍有高反射膜、曲率半徑等于腔長(zhǎng)的反射鏡組成的。它們的近軸焦點(diǎn)重合，構(gòu)成一共焦系統(tǒng)。兩塊反射鏡中一塊固定不動(dòng)，另一塊固定在壓電陶瓷環(huán)上，壓電陶瓷環(huán)的長(zhǎng)度變化與其上所加電壓成正比。當(dāng)壓電陶瓷環(huán)用一定幅度的鋸齒波電壓調(diào)制時(shí)，腔長(zhǎng)作微小變動(dòng)，變化量是波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)。R1R1M1M2壓電陶瓷LR2圖1、共焦球面掃描干涉儀光路圖如圖1光在干涉儀內(nèi)反射四次構(gòu)成一閉合回路，因而相鄰兩束光的光程差為：(8)當(dāng)4L=k（k為正整數(shù)）時(shí)，干涉儀對(duì)入射光有最大透射率。當(dāng)改變干涉儀腔長(zhǎng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大透射頻率發(fā)生改變。因而我們可以觀察到光譜掃描。（2）、性能指標(biāo)a、自由光譜區(qū)由式可知，干涉儀的諧振波長(zhǎng)是反射鏡間隔L的周期線性函數(shù)，當(dāng)間隔L變化時(shí)，波長(zhǎng)為的模可再次通過干涉儀，即干涉圖形改變一個(gè)干涉級(jí)次，若對(duì)上式微分，并取，即可得波長(zhǎng)的變化范圍為：(9)因?yàn)?，若以頻率表示，則頻率的變化范圍為：（10）（或F）稱為干涉儀的“自由光譜區(qū)”。若干涉儀置于空氣中，則折射率，則由L決定。它表征當(dāng)L改變使得干涉圖形變化一個(gè)級(jí)次時(shí)，所包含的頻譜范圍。在模式分析實(shí)驗(yàn)中，由于我們不希望出現(xiàn)兩種不同的模被同時(shí)掃出，故選用掃描干涉儀時(shí)，必須首先知道它的和待分析的激光器的頻率范圍，并使>，才能保證在頻譜上不重序，腔長(zhǎng)與模的波長(zhǎng)或頻率間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。b、儀器帶寬（）和分辨率（）儀器帶寬有時(shí)也叫分辨極限（以表示）是干涉儀透射峰的頻率寬度，即干涉儀能分辨的最小頻率差，等于譜線的頻率半寬度。對(duì)于波長(zhǎng)為的光，光譜儀器（對(duì)干涉儀也同樣適用）定義的分辨率是分辨極限和波長(zhǎng)的比值：（11）一般來說，反射鏡的反射率越高，調(diào)整的精度越高，腔內(nèi)損耗越小，則分辨率越高或說帶寬越小。為了分辨相隔甚近的譜線，要求干涉儀有足夠小的透過率帶寬。c、有效精細(xì)常數(shù)（）在干涉儀中常用的一個(gè)性能指標(biāo)是有效精細(xì)常數(shù)以表示。它的定義是：干涉儀的“自由光譜區(qū)”（，或）與分辨率極限（也叫儀器帶寬）的比值：，或（12）上式表征在自由光譜區(qū)內(nèi)可分辨的光譜單元的數(shù)目（譜線數(shù)目）。實(shí)際上精細(xì)常數(shù)要受到反射鏡加工質(zhì)量。儀器的工作孔徑以及儀器的調(diào)整精度等多方面因素的影響。掃描干涉儀的實(shí)際精細(xì)常數(shù)是靠實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。四、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖二所示放放大器電源鋸齒波發(fā)生器HeNe激光器HeNe激光電源前置透鏡干涉儀光電接收器放大器.圖2、實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置的說明本實(shí)驗(yàn)使用兩支具有不同模式的He—Ne激光器，以便了解不同模式狀況，從中學(xué)習(xí)模式分析的基本方法。實(shí)驗(yàn)用掃描干涉儀是利用壓電陶瓷環(huán)驅(qū)動(dòng)一塊鏡片，使鏡片在軸線方向作微小的周期性振動(dòng)，從而使各個(gè)激光模式依次透過干涉儀，光電接收器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)經(jīng)放大器放大后送到示波器的y軸，而把用來改變腔長(zhǎng)的鋸齒波電壓同時(shí)接到示波器的x軸輸入端。這樣示波器的橫向坐標(biāo)就是干涉儀的頻率變化，這時(shí)從示波器的熒光屏上就可看到透過干涉儀的激光模式頻譜，其圖形如圖三所示。TEMTEM00qTEM00q-1TEM00qTEM00q+1TEM00q-1TEMmnqTEMmnqTEM00q+1圖3、示波器熒光屏上顯示的激光頻譜圖五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、觀察橫模（A）通過遠(yuǎn)場(chǎng)光斑觀察橫模圖形接通He-Ne激光器電源，待激光器工作穩(wěn)定后，再進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)室空間的限制，為了觀察遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，可在光路上加一平面反射鏡，將光斑投射到遠(yuǎn)處白紙上，以便更清楚地觀察光斑圖形，注意區(qū)分橫模級(jí)次。改變工作電流（或者用其他方法改變諧振腔長(zhǎng)L）在此觀察遠(yuǎn)場(chǎng)光斑變化情況。（B）通過無源諧振腔觀察He-Ne激光器的橫模實(shí)驗(yàn)裝置如圖四：〖〖〗〖〗+-ABS圖4、觀察He—Ne激光器橫模裝置圖中A和B是兩支He-Ne激光管，A管用作光源，B管不接電源，僅用其諧振腔。由A發(fā)出的激光束透過小孔光欄射入B管，當(dāng)激光束與B管的毛細(xì)管軸線準(zhǔn)直后，當(dāng)B管后方的毛玻璃P上可接收到光束，若用顯微鏡M來觀察，這時(shí)在M的視場(chǎng)中可見到光斑在不斷的變化。由于A管管殼受溫度的影響，長(zhǎng)度不斷變化，諧振腔長(zhǎng)也發(fā)生相應(yīng)的變化，因而輸出的“激光頻率也發(fā)生變化”。而B管具有自己一套相應(yīng)的頻譜，當(dāng)A管輸出的激光與B管頻譜中任何頻率都不匹配時(shí),B管將無輸出。視場(chǎng)又呈現(xiàn)較暗的背景，若A管輸出的激光與B管頻譜中某個(gè)頻率匹配時(shí)，B管將從來自A管的光束中分解出相應(yīng)的激光束讓它通過。由于A管輸出的光束中頻率不斷變化，因而就能在B管中激起不同的橫模，在M的視場(chǎng)中看到不同的光斑圖形。2.用共焦球面掃描干涉儀測(cè)量He-Ne激光器的縱模和橫模的頻率間隔按圖2安裝所用儀器并將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)節(jié)到準(zhǔn)直狀況，而后裝上共焦球面掃描干涉儀的光電接收器探頭，并將其引出線連接示波儀的Y軸輸入端，同時(shí)把加在壓電陶瓷環(huán)上的鋸齒波電壓接到示波器的X軸輸入端，這樣示波器的橫向掃描則與干涉儀的腔長(zhǎng)掃描同步，示波器的橫向（X軸）坐標(biāo)就是干涉儀的頻率變化。將儀器面板上的扳鍵扳至“常態(tài)“位置，并調(diào)節(jié)儀器面板上的其他有關(guān)按鈕，在熒光屏上就會(huì)出現(xiàn)激光模式的穩(wěn)定頻率譜。必要時(shí)還可適當(dāng)調(diào)節(jié)鋸齒波電壓，以使熒光屏上能掃描出兩級(jí)光譜為宜，圖3所示的就是熒光屏上顯示的兩級(jí)頻譜圖。圖3中：是相鄰兩級(jí)光譜的兩個(gè)相似峰的間距是同一級(jí)相鄰峰的間距是相鄰兩縱模頻率間距。由于正比于自由光譜區(qū)；正比于相鄰縱模頻率間隔；頻率間隔正比于相鄰峰間距，因此，有：可以與相對(duì)應(yīng)的相鄰橫模頻率間隔為：（13）與相對(duì)應(yīng)的相鄰縱模頻率間隔為（14）上兩式中的，，均可從熒光屏上測(cè)得，而為干涉儀的“自由光譜區(qū)”，因此，由（13）和（14）式可求出激光儀相鄰橫模和縱模的頻率間隔。當(dāng)熒光屏上有高階模出現(xiàn)時(shí)，由上式還可以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（15）按式（2）和式（7）也可以得出高階