激光器结构调试实验

激光器结构调试实验
激光器结构调试实验

实验一 He-Ne激光器的结构调试

一、实验目的

1.了解氦氖激光器的基本结构。

2.掌握氦氖激光器的工作原理。

3.学会用十字叉丝进行激光器的调节,以及其他相关调试方法。

二、实验设备

全外腔He-Ne激光器、激光电源、十字叉丝、激光功率计。

三、实验原理

从1960年代激光器问世以来,各种类型的激光器相继研制成功,并因它所具有的独特的性能――高亮度、良好的方向性,单色性,相干性被广泛应用于工业、农业、国防、计量、医疗等行业。其中气体激光器是目前种类最多,应用最广泛的一类激光器。而氦氖激光器又在气体激光器中最具有代表性,它制作容易,运作可靠,所以我们就以氦氖激光器为典型实例进行结构分析和实验。

激光器一般具有三个组成部分:工作物质(增益介质),谐振腔(光学共振腔),激励能源。其结构示意图如图1所示。

图1

氦氖激光器的工作物质为纯度大于99.99%的氦气和氖气。其中氖气是能激发出激光的气体,而氦气则是提供光放大条件(产生粒子数反转)的气体。他们按一定的比例,一定的压强充入用玻璃制作的放电管内。为了提高能量使气体点燃,在其上面安装阳极和阴极。

谐振腔主要由腔体、反射镜、毛细管构成,他们的组合,共同保证光在腔体内振荡放大,最终获得激光输出。其技术要求是:毛细管(放电管)的直度,两个反射镜的平行度和反射镜片与毛细管的垂直度。毛细管不仅直度要求严格,其内径尺寸也有特殊要求。反射镜共有两片,其一片是全反的凹面镜,反射率优于99.85%;另一片是一定透过率的平面镜,反射率约98.5%。

氦氖激光器的激励能源一般是直流高压电,称之为氦氖激光器电源。它将市用220V交流电变换成直流高压,并根据气体放电的特点,实现高压电的正常运转。氦氖激光器的电参数是:启辉(点燃)电压,工作电压和最佳工作电流。启辉电压高于工作电压,实验用的激光器的启辉电压为4500V,工作电压约1200V,最佳工作电流约5mA.

调整方法:

对激光器进行调整,实际就是有针对性地调整其毛细管直度、两个反射镜之间的平行度、毛细管与反射镜的垂直度(以下简称直度、平行度、垂直度),使激光器处于最佳状态,获得满意的性能指标。以下介绍几种方法:

(1)十字光靶法(自准直法)

这种方法适用于调整反射镜片与毛细管轴的垂直度失调而导致不出光的激光器。调整工具称之为十字光靶,它是由一个光屏和照明小灯组成。光屏用铝板或铁板制成,大小约有6cmX6cm,一面涂有白漆,在中间打一个约1mm的小孔,并以小孔为中心点画一个黑色十字叉丝线。使用时,这个白屏必须用灯照明,因此可将一个灯泡安装在旁边,组成一体,便于使用,如图2。临时急用时,可用一张较厚的白纸片做成光屏,用台灯或手电照明,也成为一个简单的光靶。

图2

首先将激光器点燃,使放电管辉光放电。将十字面对激光器输出端,距离在10cm 左右。用眼睛通过光靶上的小孔去观察毛细管的轴心,如图3所示。

如果太亮,可以在光靶与眼睛之间放入滤光片或带上防护镜,颜色为浅红色或浅绿色。如果被调的激光器功率较大,为保护眼睛,可在腔内插入挡板,挡板放在不调整的那一段腔内的布窗与镜片之间。也可以放入透明的绿光片等,只要放在腔内就可以抑制激光振荡,防止在调整时突然出光,直射眼睛。

图3

光靶的小孔对准毛细管的轴,并移动光靶的位置,用眼睛观察,选找毛细管中心的亮点(关键之处)。通过光靶从端面镜观察毛细管时,很容易看到毛细管内径的亮斑,不要误认毛细管内孔的亮斑为亮点。看此亮点的要点是:必须沿着毛细管轴心看;必须看毛细管内孔的圆处。如果这个亮点直径小于0.5毫米,则它就是毛细管的轴心,如图4。当看到小亮点后,轻微移动光靶,让亮点处在毛细管亮斑的中心。此时不必管十字叉丝像所处的位置,只要达到图4所示状态,即说明已将光靶的小孔放在毛细管的轴

线上了。

图4 图5

继续从小孔观察反射镜片上被灯照明的十字叉丝像,此时光靶的小孔已放在毛细管轴线上了,若反射镜与毛细管轴处于失调状态,即不垂直,此时所观察到的镜片上的十字丝像的交点偏离亮点,见图5所示。这时就需要调整反射镜了。

反射镜是通过旋钮进行调整。旋钮安装在激光器的端面上,一般设计成正交调节,即调节两个旋钮时,反射镜片分别绕X轴和Y轴摆动。

在调节时,只是旋动,切忽施加压力。调节其中一端的一个旋钮,可观察到十字叉丝的垂直线水平移动,调节垂直线与中心亮点位置重合,在调另一个旋钮,此时十字丝像的水平线垂直移动,也应使它与中心亮点重合,如图6所示。注意:在快重合时,眼睛微移,以观察不到两点为止,这样即使出光也不会照亮眼睛。反复调至到十字叉点与小亮点重合,垂直度就调好了。

图6

如果该激光器只是一端失调,即应出光。如激光器两端都失调时,用上述方法分别调整两端。在调整时,由于观察误差,很难一次调整成功出光。所以在两端都失调的情况下,一般需要反复调节多次。

(2)扫描法:

这种方法也是上述方法的继续。及至激光器只有一端失调时,但失调度又不大,或者已用十字光靶法将十字丝像调到与亮点重合,还不出激光,则用扫描法进行调节。

操作时,两个旋钮同时调节。一个旋钮在原位缓慢的来回旋动或来回步进旋动,

另一个旋钮在原位较快速的来回旋动。这就相当于镜片与管轴在基本垂直的位置上扫动,寻找最佳垂直位置,使之出光。在扫动过程中,一旦有激光闪出,就应马上停止旋动。然后,再用功率计监视,仔细反复调整旋钮,使输出激光功率升高。

(3)跟踪法:

此方法适用于垂直度失调,但失调度不大,有激光输出的情况。激光器虽然有激光输出,但功率并不高,再分别调节反射镜时,功率也不升高,达不到原功率指标。这是因为两个反射镜的平行度虽然已调好,但垂直度仍有很小的失调,此时虽有激光输出,但功率低,如图7。

图7

在调节反射镜时,无论调到哪一端,都会使功率下降。因为只要调节,首先破坏了两反射镜的平行度,则功率就会下降,仅调一端反射镜解决不了反射镜与毛细管轴的垂直度问题。

在此状态下,观察输出光斑图样,其图样不呈圆形,又不均匀,也不对称。

在上述情况,激光器的垂直度失调不大时,很难判断其失调的方位。由于有激光输出,可以用功率计监视调节。首先调节激光器尾端的一个旋钮,顺时针方向旋转一个小角度,有意破坏其平行度,同时观察激光功率,使输出功率下降到原来调时功率值的1/4。然后再调节激光器前端所对应的那个旋钮,如果后端调节的是反射镜绕X 轴转动的那个旋钮,则前端也应调节反射镜绕X轴转动的那个旋钮。实际是用前端镜片跟踪后端的镜片,来恢复两镜片的平行度。此时观察输出的功率值,如功率比原功率低,说明垂直度更差了,应改为逆时针旋动后端旋钮,前端再跟踪调节。如功率呈上升趋势,则继续跟踪调节,直至垂直度最佳,而平行度不被破坏,使功率达到最大

值。用同样的方法调节另外的那对旋钮,使功率上升到最高值。要获得最佳的垂直度,需要用该方法对两组旋钮反复进行调整,最后达到激光功率最大。此时光斑图样也达到最佳,光强呈高斯型分布。

四、实验内容

1.按照实物和结构示意图认识激光器的三大组成部分。

2.开启激光器电源,使毛细管中的气体点燃,如谐振腔是正常状态,则有激光输出。

3.调节一端的反射镜旋钮,使之失调,即两个反射镜的平行度遭到破坏,则光不能在介质中来回反射放大,不能产生激光。

4.采用自准直(十字光靶法)调光实验。

5.继续调节,氦氖激光器的输出功率最大。

实验一 半导体激光器P-I特性曲线测量

实验一半导体激光器P-I特性曲线测量 一、实验目的: 1.了解半导体光源和光电探测器的物理基础; 2.了解发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)的发光原理和相关特性; 3.了解PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性; 4.掌握有源光电子器件特性参数的测量方法; 二、实验原理: 光纤通信中的有源光电子器件主要涉及光的发送和接收,发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)是最重要的光发送器件,PIN光电二极管和APD光电二极管则是最重要的光接收器件。 1.发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD): LED是一种直接注入电流的电致发光器件,其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子,属自发辐射跃迁。LED为非相干光源,具有较宽的谱宽(30~60nm)和较大的发射角(≈100°),常用于低速、短距离光波系统。 LD通过受激辐射发光,是一种阈值器件。LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射,而且输出光发散角窄,与单模光纤的耦合效率高(约30%—50%),辐射光谱线窄(Δλ=0.1-1.0nm),适用于高比特工作,载流子复合寿命短,能进行高速(>20GHz)直接调制,非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件,对于处于泵浦条件下的原子系统,当满足粒子数反转条件时将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。在半导体激光器中,这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂使费密能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值),就实现了粒子数反转,由此在有源区产生了光增益,在半导体内传播的输入信号将得到放大。如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈,就可以得到稳定的激光输出。 (1) LED和LD的P-I特性与发光效率: 图1是LED和LD的P-I特性曲线。LED是自发辐射光,所以P-I曲线的线性范围较大。 LD有一阈值电流I th ,当I>I th 时才发出激光。在I th 以上,光功率P随I线性增加。 图1:LD和LED的P-I特性曲线 (a) LD的P-I特性曲线 (b) LED的P-I特性曲线

光的偏振 实验报告.doc

光的偏振 实验仪器: 光具座、半导体激光器、偏振片、1/4波片、激光功率计。 实验原理: 自然光经过偏振器后会变成线偏振光。偏振片既可作为起偏器使用,亦可作为检偏器使用。 马吕斯定律:马吕斯指出:强度为I0的线偏振光,透过检偏片后,透射光的强度(不考虑吸收)为I=I0cos2。(是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角。) 当光法向入射透过1/4波片时,寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍。当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和云母的光轴面成θ角,出射后成椭圆偏振光。特别当θ=45°时,出射光为圆偏振光。 实验1、2光路图: 实验5光路图: 实验步骤: 1.半导体激光器的偏振特性: 转动起偏器,观察其后的接受白屏,记录器功率最大值和最小值,以及对应的角度,求出半导体激光的偏振度。 2。光的偏振特性——验证马吕斯定律: 利用现有仪器,记录角度变化与对应功率值,做出角度与功率关系曲线,并与理论值进行比较。 5.波片的性质及利用: 将1/4波片至于已消光的起偏器与检偏器间,转动1/4波片观察已消光位置,确定1/4波片光轴方向,改变1/4波片的光轴方向与起偏器的偏振方向的夹角,对应每个夹角检偏器转动一周,观察输出光的光强变化并加以解释。

实验数据: 实验一: 实验二: 实验五: 数据处理: 实验一: 计算得半导体激光的偏振度约为 故半导体激光器产生的激光接近于全偏振光。实验二: 绘得实际与理论功率值如下:

进行重叠发现二者的图线几乎完全重合,马吕斯定律得到验证。实验五:见“实验数据”中的表格

总结与讨论: 本次实验所用仪器精度较高,所得数据误差也较小。 当光法向入射透过1/4波片时,寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍。当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和云母的光轴面成θ角,出射后成椭圆偏振光。特别当θ=45°时,出射光为圆偏振光,这就是实验五中透过1/4波片的线 偏光成为不同偏振光的原因。XX大学生实习报告总结 3000字 社会实践只是一种磨练的过程。对于结果,我们应该有这样的胸襟:不以成败论英雄,不一定非要用成功来作为自己的目标和要求。人生需要设计,但是这种设计不是凭空出来的,是需要成本的,失败就是一种成本,有了成本的投入,就预示着的人生的收获即将开始。 小草用绿色证明自己,鸟儿用歌声证明自己,我们要用行动证明自己。打一份工,为以后的成功奠基吧! 在现今社会,招聘会上的大字板都总写着“有经验者优先”,可是还在校园里面的我们这班学子社会经验又会拥有多少呢?为了拓展自身的知识面,扩大与社会的接触面,增加个人在社会竞争中的经验,锻炼和提高自己的能力,以便在以后毕业后能真正的走向社会,并且能够在生活和工作中很好地处理各方面的问题记得老师曾说过学校是一个小社会,但我总觉得校园里总少不了那份纯真,那份真诚,尽管是大学高校,学生还终归保持着学生身份。而走进企业,接触各种各样的客户、同事、上司等等,关系复杂,但你得去面对你从没面对过的一切。记得在我校举行的招聘会上所反映出来的其中一个问题是,学生的实际操作能力与在校的理

氦氖激光器的调腔实验

氦氖激光器的调腔实验 (北京师范大学物理系) 摘要:本实验分别通过准直法和十字叉丝法来调节谐振腔两端腔镜的位置,使得两个腔镜平行且和毛细管垂直,发射激光,并通过统调法获得最强激光。 理论: 激光器由激励电流、增益介质和谐振腔组成,如图1。对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体,当氦氖混合气体被电流激励时,与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转,使介质具有增益。 介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件,谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。总之腔的损耗必须小于介质的增益,才能建立激光振荡。由于介质的增益具有饱和特性,增益随激光强度增加而减小。初始建立激光振荡时增益大于损耗,随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。 图1 激光器原理图 实验内容: 1.清洗镜头 在清洗镜头时候可以通过腔镜的具体情况选择合适的清洗方法,首先应用洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物,对于软膜我们采用拖曳的方法,首先将镜头放置在水平的桌面上,取一张镜头纸并将光滑一面放置在镜头上,并且在此之前确保不会用手去接触光滑面,在擦镜纸上接触镜头的部位滴一到两滴丙酮试剂,轻轻拖曳擦镜纸的一端直到整张擦镜纸擦过镜头。

图2 软膜清洗法 对于硬膜,洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物之后,将镜头着对折,如图,用止血钳夹住擦镜纸,露出一段,在露出一端上滴一到两滴丙酮,轻甩之后擦 拭镜头,擦拭的过程保证擦拭方向永远朝着一个方向,不来回擦拭。 图3 硬膜清洗法 2.准直法调腔 用具:He-Ne激光器、准直激光器、贴有白纸的立板。 步骤: (1)通过上述方法清洗完镜头和布儒斯特窗后,打开准直激光器; (2)首先调节准直激光器的上下高度和俯仰角度,使得准直激光器打出来的光与毛细管的中心在同一水平线上; (3)将准直激光器固定在谐振腔一端的前段,将激光穿透整个毛细管,此时可以调节准直激光器的横向位移和左右偏移动,直到穿透的光打在对面的白 纸上呈现同心圆环状; (4)装上阴极反射镜,调整反射镜的左右偏转和俯仰,使反射回的激光与出来的激光重合出现在准直激光器镜头上的正中心; (5)装上阳极反射镜,调整反射镜的左右偏转和俯仰,使反射回的激光出现规则的明暗变化;

半导体激光器pi特性测试实验

太原理工大学现代科技学院 课程实验报告 专业班级 学号 姓名 指导教师

实验名称 半导体激光器P-I 特性测试实验 同组人 专业班级 学号 姓名 成绩 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P (平均发送光功率)-I (注入电流)曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管(LD )或简称半导体激光器,它通过受激辐射发光,(处于高能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E 1,这个过程称为光的受激辐射。所谓一模一样,是指发射光子和感应光子不仅频率相同,而且相位、偏振方向和传播方向都相同,它和感应光子是相干的。)是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同,导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW )辐射,而且输出光发散角窄(垂直发散角为30~50°,水平发散角为0~30°),与单模光纤的耦合效率高(约30%~50%),辐射光谱线窄(Δλ=0.1~1.0nm ),适用于高比特工作,载流子复合寿命短,能进行高速信号(>20GHz )直接调制,非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时,应选阈值电流I th 尽可能小,I th 对应P 值小,而且没有扭折点的半导体激光器,这样的激光器工作电流小,工作稳定性高,消光比(测试方法见实验四)大, ……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………

实验报告——半导体激光器输出光谱测量

实验报告——半导体激光器输出光谱测量 实验时间:2017.03.04 一、实验目的 1、了解半导体激光器的基本原理及基本参数; 2、测量半导体激光器的输出特性和光谱特性; 3、了解外腔选模的机理,熟悉光栅外腔选模技术; 4、熟悉压窄谱线宽度的方法。 二、实验原理 1.半导体激光器 激光(LASER)的全称 light amplification by stimulated emission of radiation 意为通过受激发射实现光放大。 激光器的基本组成如下图: 必要组成部分无外乎:谐振腔、增益介质、泵浦源。 在此基础上,激光产生的条件有二: 1)粒子数反转 通过外界向工作物质输入能量,使粒子大部分处于高能态,而非基态。 2)跃迁选择定则 粒子能够从基态跃迁到高能态,需要两个能级之间满足跃迁选择定则,电子相差 的奇数倍角动量差。 世界上第一台激光器是1960年7月8日,美国科学家梅曼发明的红宝石激光器。 1962年世界上第一台半导体激光器发明问世。 2.半导体激光器的基本原理 半导体激光器工作原理是激励方式,利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜,组成谐振腔,使光振荡、反馈、产生光的辐射放大,输出激光。 没有杂质的纯净半导体,称为本征半导体。 如果在本征半导体中掺入杂质原子,则在导带之下和价带之上形成了杂质能级,分别称为施主能级和受主能级。 有施主能级的半导体称为n型半导体;有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下,热能使n型半导体的大部分施主原子被离化,其中电子被激发到导带上,成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子,在价带中形成空穴。因此,n 型半导体主要由导带中的电子导电;p型半导体主要由价带中的空穴导电。 若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压,p区接正极,n区接负极。正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反,它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍

5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告

近代物理实验报告 指导教师: 得分: 实验时间: 2009 年 03 月 17 日, 第 三 周, 周 三 , 第 5-8 节 实验者: 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜 同组者: 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙 实验地点: 综合楼 501 实验条件: 室内温度 ℃, 相对湿度 %, 室内气压 实验题目: 氦氖激光器的模式分析 实验仪器:(注明规格和型号) 扫描干涉仪;高速光电接收器;锯齿波发生器;示波器; 半外腔氦氖激光器及电源;准直用氦氖激光器及电源;准直小孔。 实验目的: (1) 了解扫描干涉仪原理,掌握其使用方法; (2) 学习观测激光束横模、纵模的实验方法。 实验原理简述: 1. 激光器模式的形成 激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。如果用某 种激励的方式,使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布,由于 自发辐射的作用,将有一定频率的光波产生,并在谐振腔内传播,被 增益介质增强、放大。形成持续振荡的条件是:光在谐振腔内往返一 周的光程差为波长的整数倍,即 q q uL λ=2 满足此条件的光将获得极大的增强。 每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布λq ,叫一个纵模,q 称为纵模 序数。纵模的频率为 uL c q q 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为 uL c q 21= ?=?ν 因此可以得知, 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。

当光经过放电毛细管时,每反馈一次就相当于一次衍射,多次反复衍射,就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布,称为一个横模。模式指激光器内能够发生稳定光振荡的形式,每一个膜,既是纵模,又是横模,纵模描述了激光器输出分立频率的个数,横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定,光束的发散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。,一个膜由三个量子数表示,通常记作TEM mnq 。 横模序数越大,频率越高。不同横模间的频率差为: ?? ??????????????--?+?=?2/121,)1)(1(arccos )(12''R L R L n m uL c n m mn πν 相邻横模频率间隔为: ?? ??????????????--?=?=?=?+?2/12111)1)(1(arccos 1'R L R L q n m πνν 相邻横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数,分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定,腔长与曲率半径的比值越大,分数值就越大。 另外, 激光器中产生的横模个数,除了与增益有关外,还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关。 2. 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫 描。 2.1 共焦球面扫描干涉仪的机构和工作原理 共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔,由两块球形凹面反射镜 构成,两块镜的曲率半径和腔长相等(即R 1=R 2=l ,构成共焦 腔)。其中一块反射镜固定不动,另一块反射镜固定在可随 外电压变化而变化的压电陶瓷环上。如右图所示,由低膨胀 系数材料制成的间隔圈,用以保持两球形凹面反射镜R 1、R 2 总处于共焦状态。 当一束波长为λ的光近轴入射到 干涉仪内时,在忽略球差的条件 下,在共焦腔中经四次反射形成 一条闭合路径,光程近似为4l , 如右图所示 编号为1和1’ 的两组透光强分别为: 1222201]sin )12(1)[1(--+-=βR R R T I I 和 121'I R I = β为往返一次所形成的相位差,即

5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告

近代物理实验报告 指导教师: 得分: 实验时间: 2009 年 03 月 17 日, 第 三 周, 周 三 , 第 5-8 节 实验者: 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜 同组者: 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙 实验地点: 综合楼 501 实验条件: 室内温度 ℃, 相对湿度 %, 室内气压 实验题目: 氦氖激光器的模式分析 实验仪器:(注明规格和型号) 扫描干涉仪;高速光电接收器;锯齿波发生器;示波器; 半外腔氦氖激光器及电源;准直用氦氖激光器及电源;准直小孔。 实验目的: (1) 了解扫描干涉仪原理,掌握其使用方法; (2) 学习观测激光束横模、纵模的实验方法。 实验原理简述: 1. 激光器模式的形成 激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。如果用某种激励的方式,使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布,由于自发辐射的作用,将有一定频率的光波产生,并在谐振腔内传播,被增益介质增强、放大。形成持续振荡的条件是:光在谐振腔内往返一周的光程差为波长的整数倍,即 q q uL λ=2 满足此条件的光将获得极大的增强。 每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布λq ,叫一个纵模,q 称为纵模序数。纵模的频率为 uL c q q 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为 uL c q 21= ?=?ν 因此可以得知, 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。

当光经过放电毛细管时,每反馈一次就相当于一次衍射,多次反复衍射,就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布,称为一个横模。模式指激光器内能够发生稳定光振荡的形式,每一个膜,既是纵模,又是横模,纵模描述了激光器输出分立频率的个数,横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定,光束的发散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。,一个膜由三个量子数表示,通常记作TEM mnq 。 横模序数越大,频率越高。不同横模间的频率差为: ?? ??????????????--?+?=?2 /121,)1)(1(arccos )(12' 'R L R L n m uL c n m mn πν 相邻横模频率间隔为: ?? ? ?????????????--?=?=?=?+?2 /12111)1)(1(arccos 1' R L R L q n m πνν 相邻横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数,分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定,腔长 与曲率半径的比值越大,分数值就越大。 另外, 激光器中产生的横模个数,除了与增益有关外,还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关。 2. 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫描。 2.1 共焦球面扫描干涉仪的机构和工作原理 共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔,由两块球形凹面反射镜构成,两块镜的曲率半径和腔长相等(即R 1=R 2=l ,构成共焦腔)。其中一块反射镜固定不动,另一块反射镜固定在可随外电压变化而变化的压电陶瓷环上。如右图所示,由低膨胀系数材料制成的间隔圈,用以保持两球形凹面反射镜R 1、R 2总处于共焦状态。 当一束波长为λ的光近轴入射到干涉仪内时,在忽略球差的条件下,在共焦腔中经四次反射形成一条闭合路径,光程近似为4l ,如右图所示 编号为1和1’ 的两组透光强分别为: 1 222201]sin )12(1)[1(--+-=βR R R T I I 和 121'I R I = β为往返一次所形成的相位差,即 λπβ/22?=ul

半导体激光器TEC温控实验

半导体激光器TEC温控实验 温度对半导体激光器的特性有很大的影响.为了使半导体激光器输出功率稳定,必须对其温度进行高精度的控制.TEC-10A利用PID模糊控制网络设计了温控系统,控制精度达到0.0625℃,与无PID控制网络相比,极大的提高了系统的瞬态特性,并且试验发现TEC-10A采用带有温控系统的半导体激光器的输出功率稳定性比没有温控系统的输出功率得到显著改善。 TEC-10A使用上位机软件,获得数据如下: 图1 目标温度设定为60度的加热曲线图 TEC-10A模糊自适应PID 算法比传统PID 算法具有更小的温度过冲和更高的控温精度,精度为±0.0625℃,达到稳定的时间小于70s。 TEC-10A的“模糊控制理论”是由美国加利福尼亚大学教授L.A.Zadeh 于1965 年首先提出的,至今只有40 余年的时间,它属于智能控制的范畴。那么到底什么是模糊控制?其实模糊控制是一种被精确定义的特殊的非线性控制,它利用类似人类的启发式知识对系统进行控制。模糊控制的基本原理框图如下图所示。 图2 模糊算法 首先建立模糊规则 根据上面的输入量的模糊化,确定了误差及误差变化的模糊集合,下面将建立模糊规则。模糊控制规则主要有两种形式:一种是经验归纳法,一种是采用数学的推理合成法。经验归纳法是根据操作者对控制经验的整理、加工而形成的控制规则,虽然具有主观臆断,但其中

必须经过对客观事实的合理归纳而形成。下面的表就是根据经验归纳法总结的模糊控制规则表。 下面是一些简单的一维和二维控制形式: “如果A,那么B”(IfAThen B);例如,如果激光器的温度很高,那么快速降温。“如果A,那么B,否则C”(If A Then B Else C);例如,如果激光器温度很低,那么快速加热,否则缓慢加热。 “如果A 且B,那么C”(If A And B Then C)。例,如果激光器温度很高且温度下降很慢,那么快速加热。 在实际操作中第三种形式较常见,“A”为偏差e,“B”为偏差变化量Ec。 TEC-10A的尺寸也是比较小的,如下图所示: 图3 TEC-10A具有较小尺寸 TEC-10A是一款高功率密度的TEC温度控制器,额定工作负载5A,峰值电流可达10A。此温度控制器可以连接专用调试器来进行参数的调节,参数调节完毕并保存后,撤去调试器,此温度控制器仍可以独立工作。可以通过专用RS232调试线和电脑进行通讯,以进行参数设

医学中常用的激光器

医学中常用的激光器 自第一台激光器问世后,人们对激光器件及技术进行了大量的研制工作,取得了相当可观的成果。目前能实现激光运转的工作物质达数百种以上,大体上分为气体、固体、半导体、染料等几大类。人们在探索激光产生机理的同时,扩展了激光的频谱范围,几千条谱线遍布于真空紫外到远红外的广阔光谱区域。激光方向性好、强度大,可以使被照物体在1/1000s内产生几千度的高温,瞬间发生汽化。由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物学效应,。各种不同的激光具有不同的特性和组织效应,正确认识激光的这些特点,是选择和合理利用激光的基础。 一.气体激光器 气体激光器,按工作物质的性质,大致可分成下列三种:(1)原子激光器:利用原子跃迁产生激光振荡,以氦氖激光器为代表。氩、氪、氙等惰性气体,铜、镉、汞等金属蒸气,氯、溴、碘等卤素,它们的原子均能产生激光。原子激光器的输出谱线在可见和红外波段,典型输出功率为10毫瓦数量级。 (2)分子激光器:利用分子振动或转动状态的变化产生辐射制成的,输出的激光是分子的振转光谱。分 子激光器以二氧化碳(CO 2)激光器为代表,其他还有氢分子(H 2 ),氮分子(N 2 )和一氧化碳(CO)分子等激光 器。分子激光器的输出光谱大多在近红外和远红外波段,输出功率从数十瓦到数万瓦。(3)离子激光器:这类激光器的激活介质是离子,由被激发的离子产生激光放大作用,如氩离子(激活介质为Ar+)激光器。氦镉激光器(激活介质为Cd+)等。离子激光器的输出光谱大多在可见光和紫外波段,输出功率从几毫瓦到几十瓦。 气体激光器是覆盖波谱范围最广的一类器件,能产生连续输出。其方向性、单色性也比其他类型器件好,加之制造方便、成本低、可靠性高,因此成为目前应用最广的一类器体。 1、氦氖激光器 氦氖激光器能输出波长为632.8nm的可见光,具有连续输出的特性。它的光束质量很好(发散角小,单色性好,单色亮度大)。激光器结构简单,成本低,但输出功率较小。氦氖激光器在工业、科研、国防上应用很广,医疗上主要用于照射,有刺激、消炎、镇痛、扩张血管和针灸等作用,广泛用于内科、皮肤科、口腔科及细胞的显微研究。 氦氖激光器有三种结构形式:内腔式、外腔式和半内腔式。它们均由放电管、谐振腔、激励电源等三部分组成。以内腔式为例,放电毛细管是产生气体放电和激光的区域,它的内径很小,约在1到几毫米。电极A为阳极,由钨杆或钼(或镍)筒制成。阴极K为金属圆筒,由铝、钼、钽等制成,它们均有足够的电子发射能力和抗溅射能力。组成谐振腔的两块反射镜紧贴于放电管两端,并镀以多层介质膜。其中一个为全反射镜,另一个则为部分反射镜,整个谐振腔在出厂前已调整完毕,因此使用简单、方便。放电管的管径比放电毛细管粗几十倍,用以保持氦氖气压比及加固谐振腔。为了避免放电管变形而引起激光输出下降,内腔管的长度不宜过大,一般不超过一米。外腔式激光器可以更换不同的反射镜,使输出功率最大,光束发散角最小。也可在反射镜和放电管之间插入光学元件,以研究激光器的输出特性,调制它的频率或幅度,并可制成单频大功率激光器。 2、二氧化碳激光器 二氧化碳激光器的能量转换效率达20~25%(氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几)。它的输出波长为10.6微米,属于远红外区,连续输出功率可达万瓦级,常用电激励,结构比较简单紧凑,使用 方便,是目前最常用的激光器之一,在医学上,CO 2激光器作为手术刀使用日益引起人们的重视。CO 2 激 光器也用于皮肤科、外科、神经外科、整形外科、妇科和五官科的手术,在癌症的治疗上也有一定成效。 最常见的封离型内腔式二氧化碳激光器的管壳是由硬质玻璃或石英材料制成的。常见为三层玻璃套管结构,其最内层是放电管,中间层是水冷套,外层是储气管。在内外层之间有气体循环通路,这是为了保证混合气体的均匀分布而设计的。其光学谐振腔通常用平凹球面腔。球面镜可用石英或其他光学玻璃做基片,然后,在表面上镀层金属膜。平面镜是输出窗片,要求它对10.6μm的激光有很好的透过率,且表面不易损伤,机械性能好等。一般中小功率的激光器常常采用锗单晶做输出片,大功率的用砷化镓

实验40 用迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光器波长

实验40 用迈克尔逊干涉仪测量氦氖激光器波长 一、实验目的 1.了解迈克尔逊干涉仪的结构及调整方法,并用它测光波波长 2.通过实验观察等倾干涉现象 二、实验仪器 氦氖激光器、迈克尔逊干涉仪(250nm)、透镜、毛玻璃等。 迈克尔逊干涉仪外形如图一所示。 其中反射镜M1是固定的,M2可以在导轨上前后移动,以改变光程差。反射镜M2的移动采用蜗轮蜗杆传动系统,转动粗调手轮(2)可以实现粗调。M2移动距离的毫米数可在机体侧面的毫米刻度尺(5)上读得。通过读数窗口,在刻度盘(3)上可读到0.01mm;转动微调手轮(1)可实现微调,微调手轮的分度值为1×10-4mm。可估读到10-5mm。M1、M2背面各有3个螺钉可以用来粗调M1和M2的倾度,倾度的微调是通过调节水平微调(15)和竖直微调螺丝(16)来实现的。 图一图二 三、实验原理 1.仪器基本原理 迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图二所示。M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜。P1、P2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板,与M1、M2均成45°角。P1的一个表面镀有半反半透膜,使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光;P1称为分光板。当光照到P1上时,在半透膜上分成相互垂直的两束光,透射光(1)射到M1,经M1反射后,透过P2,在P1的半透膜上反射后射向E;反射光(2)射到M2,经M2反射后,透过P1射向E。由于光线(2)前后共通过P1三次,而光线(1)只通过P1一次,有了P2,它

们在玻璃中的光程便相等了,于是计算这两束光的光程差时,只需计算两束光在空气中的光程差就可以了,所以P 2称为补偿板。当观察者从E 处向P 1看去时,除直接看到M 2外还看到M 1的像M 1ˊ。于是(1)、(2)两束光如同从M 2与M 1ˊ反射来的,因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M 1′~M 2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。 2.干涉条纹的图样 本实验用He-Ne 激光器作为光源(见图三),激光S 射向迈克尔逊干涉仪,点光源经平面镜M 1、M 2反射后,相当于由两个点光源S 1ˊ和S 2ˊ发出的相干光束。S ˊ是S 的等效光源,是经半反射面A 所成的虚像。S 1′是S ′经M 1′所成的虚像。S 2′是S ′经M 2所成的虚像。由图三可知,只要观察屏放在两点光源发出光波的重叠区域内,都能看到干涉现象。如果M 2与M 1′严格平行,且把观察屏放在垂直于S 1′和S 2′的连线上,就能看到一组明暗相间的同心圆干涉环,其圆心位于S 1′S 2′轴线与屏的交点P 0处,从图四可以看出P 0处的光程差ΔL =2d ,屏上其它任意点P ′或P ″的光程差近似为 ?cos 2d L =? (1) 式中?为S 2′射到P ″点的光线与M 2法线之间的夹角。当λ?k d =?cos 2时,为明纹;当 2/)12(cos 2λ?+=?k d 时,为暗纹。 由图四可以看出,以P 0为圆心的圆环是从虚光源发出的倾角相同的光线干涉的结果,因此,称为“等倾干涉条纹”。?=0时光程差最大,即圆心P 0处干涉环级次最高,越向边缘级次越低。当d 增加时,干涉环中心级次将增高,条纹沿半径向外移动,即可看到干涉环从中心“冒”出;反之当d 减小,干涉环向中心“缩”进去。 图三 图四 由明纹条件可知,当干涉环中心为明纹时,ΔL =2d=k λ。此时若移动M 2(改变d),环心处条纹的级次相应改变,当d 每改变λ/2距离,环心就冒出或缩进一条环纹。若M 2移动距离为Δd ,相应冒出或缩进的干涉环条纹数为N ,则有

半导体激光器实验报告

半导体激光器实验报告 课程:_____光电子实验_____ 学号: 姓名: 专业:信息工程 南京大学工程管理学院

半导体激光器 一.实验目的 (1)通过实验熟悉半导体激光器的光学特性 (2)掌握半导体激光器耦合、准直等光路的调节 (3)根据半导体激光器的光学特性考察其在光电技术方面的应用 二.实验原理 1.半导体激光器的基本结构 半导体激光器大多数用的是GaAs或Gal-xAlxAs材料。P-n结通常在n 型衬底上生长p型层而形成,在p区和n区都要制作欧姆接触,使激励 电流能够通过,电流使结区附近的有源区产生粒子数反转。 2.半导体激光器的阈值条件 当半导体激光器加正向偏置并导通时,器件不会立刻出现激光震荡,小电流时发射光大都来自自发辐射,随着激励电流的增大,结区大量粒 子数反转,发射更多的光子,当电流超过阈值时,会出现从非受激发射 到受激发射的突变。这是由于激光作用过程的本身具有较高量子效率的 缘故,激光的阈值对应于:由受激发射所增加的激光模光子数(每秒) 正好等于平面散射,吸收激光器的发射所损耗的光子数(每秒)。 3.横模和偏振态 半导体激光器的共振腔具有介质波导的结构,所以在共振腔中传播光以模的形式存在。每个模都由固有的传播常数和横向电场分布,这些 模就构成了激光器中的横模。横模经端面射出后形成辐射场,辐射场的 角分布沿平行于结面方向和垂直于结面方向分别成为侧横场和正横场。 共振腔横向尺寸越小,辐射场发射角越大,由于共振腔平行于结面方向 的宽度大于垂直于结面方向的厚度,所以侧横场小于正横场的发散角。 激光器的GaAs晶面对TE模的反射率大于对TM模的反射率,因而TE模需要的阈值增益低,TE模首先产生受激发射,反过来又抑制了TM 模,另一方面形成半导体激光器共振腔的波导层一般都很薄,这一层越

激光器激励原理

激光器激励原理 —固体激光器 1311310黄汉青 1311343张旭日辅导老师:

摘要:固体激光器目前是用最广泛的激光器之一,它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用,更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器,接着介绍一些典型的固体激光器,最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词:固体激光器基本原理基本结构应用 1引用 世界上第一台激光器—红宝石激光器(固体激光器)于1960年7月诞生了,距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃,并且对人类社会产生了巨大的影响。 固体激光器从其诞生开始至今,一直是备受关注。其输出能量大,峰值功率高,结构紧凑牢固耐用,因此在各方面都得到了广泛的用途,其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点,其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用,给我们的现实生活带了许多便利。 未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展: a)高功率及高能量 b)超短脉冲激光 c)高便携性 d)低成本高质量 现在,激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域,它标志着新技术革命的发展。诚然,如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比,你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段,更令人激动的美好前景将要来到。 2激光与激光器

2.1激光 2.1.1激光(LASER) 激光的英文名——LASER,是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写[1]。2.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件[2]: 1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质,其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构; 2)有外界激励源,将下能级的粒子抽运到上能级,使激光上下能级之间产生粒子数反转; 3)有光学谐振腔,增长激活介质的工作长度,控制光束的传播方向,选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 3固体激光器 3.1工作原理和基本结构 在固体激光器中,由泵浦系统辐射的光能,经过聚焦腔,使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能,让工作物质中形成粒子数反转,通过谐振腔,从而输出激光。 如图1所示,固体激光器的基本结构(有部分结构没有画出)。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成[4]。

半导体激光器P-I特性测试

实验一 半导体激光器P-I 特性测试实验 一、 实验目的 1. 学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理 2. 了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系 3. 掌握半导体激光器P (平均发送光功率)-I (注入电流)曲线的测试方法 二、 实验仪器 1. ZY12OFCom13BG 型光纤通信原理实验箱 1台 2. 光功率计 1台 3. FC/PC-FC/PC 单模光跳线 1根 4. 万用表 1台 5. 连接导线 20根 三、 实验原理 半导体激光二极管(LD )或简称半导体激光器,它通过受激辐射发光,(处于高 能级E 2的电子在光场的感应下发射一个和感应光子一模一样的光子,而跃迁到低能级E 1,这个过程称为光的受激辐射,所谓一模一样,是指发射光子和感应光子不仅频率相同,而且相位、偏振方向和传播方向都相同,它和感应光子是相干的。)是一种阈值器件。由于受激辐射与自发辐射的本质不同,导致了半导体激光器不仅能产生高功率(≥10mW )辐射,而且输出光发散角窄(垂直发散角为30~50°,水平发散角为0~30°),与单模光纤的耦合效率高(约30%~50%),辐射光谱线窄(Δλ=0.1~1.0nm ),适用于高比特工作,载流子复合寿命短,能进行高速信号(>20GHz )直接调制,非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。 对于线性度良好的半导体激光器,其输出功率可以表示为 P e =)(2th D I I q -ηω (1-1) 其中int int a a a mir mir D +=ηη,这里的量子效率η int ,表征注入电子通过受激辐射转化为光 子的比例。在高于阈值区域,大多数半导体激光器的ηint 接近于1。 1-1式表明,激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗,并随着电流而增大, 当注入电流I>I th 时,输出功率与I 成线性关系。其增大的速率即P-I 曲线的斜率,称为斜率效率 D e q dI dP ηω2 = (1-2) P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时,应选阈值电流I th 尽可能小, I th 对应P 值小,而且没有扭折点的半导体激光器,这样的激光器工作电流小,工作稳定性高,消光比(测试方法见实验四)大,而且不易产生光信号失真。并且要求P-I 曲线的斜率适当。斜率太小,则要求驱动信号太大,给驱动电路带来麻烦;斜率太大,则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点,微小的电流变化会导致光功率输出变化,是光纤通信中最重要的一种光源,半导体激光器可以看作为一种光学振荡器,要形成光的振荡,就必须要有光放大机制,也即激活介质处于粒子数反转分布,而且产生的增益足以抵消所

氦氖激光器模式分析

模式分析 一.氦-氖(He-Ne)激光器简介 氦氖激光器(或He-Ne激光器)由光学谐振腔(输出镜与全反镜)、工作物质(密封在玻璃管里的氦气、氖气)、激励系统(激光电源)构成。二电极通过毛细管放电激励激光工作物质,在氖原子的一对能级间造成集居数反转,产生受激辐射。由于谐振腔的作用,使受激辐射在腔内来回反射,多次通过激活介质而不断加强。如果单程增益大于单程损耗,即满足激光振荡的阈值条件时,则有稳定的激光输出。内腔式激光器的腔镜封装在激光管两端。 二.氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理 氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流(在电场作用下气体放电),放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞,电子的能量传给原子,促使原子的能量提高,基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰,氦原子的能量传递给氖原子,并从基态跃迁到激发的能级状态,而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压,电流连续不断供给,原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时,分别发出波长3.39μm,632.8nm,1.53μm三种激光,而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外,另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同,只输出一种较长的光波632.8nm的激光。 三.He-Ne激光器结构及谐振腔 He-Ne激光器的结构形式很多,但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。放电管是氦一氖激光器的心脏,它是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)气体,当电极加上高电压后,毛细管中的气体开始放电使氖原子受激,产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连,这里不发生气体放电,它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化,延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作。He-Ne激光管的阳极一般用钨棒制成,阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射,一般都把阴极做成圆筒状,然后用钨棒引到管外。He-Ne激光器由于增益低,谐振腔一般用平凹腔,平面镜为输出端,透过率约1%~2%,凹面镜为全反射镜。He-Ne激光管的结构形式是多种多样的,按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。 四.氦-氖(He-Ne)激光器的速率方程

实验一-半导体激光器系列实验

实验一-半导体激光器系列实验

实验一半导体激光器系列 实验

一、实验设备介绍 2.配套仪器的使用 WGD-6光学多道分析器的使用参考WGD-6光学多道分析器的使用说明书。 3.激光器概述 光电子器件和技术是当今和未来高技术的基础,引起世界各国的极大关注。其中半导体激光器的生产和应用发展特别迅猛,它已经成功地用于光通讯和光学唱片系统;还可以作为红外高分辨率光谱仪光源,用于大气测污和同位素分离等;同时半导体激光器可以成为雷达,测距,全息照相和再现、射击模拟器、红外夜视仪、报警器等的光源。半导体激光器,调频器,放大器集成在一起的集成光路将进一步促进光通 - 1 -

讯,光计算机的发展。 激光器一般包括三个部分: (1)激光工作介质 激光的产生必须选择合适的工作介质,可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在,对实现粒子数反转是非常有利的。现有工作介质近千种,可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外,非常广泛。 (2)激励源 为了使工作介质中出现粒子数反转,必须用一定的方法去激励原子体系,使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子,称为电激励;也可用脉冲光源来照射工作介质,称为光激励;还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出,必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。 (3)谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后,可实现粒子数反转,但这样产生的受激辐射强度很弱,无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔,实际是在激光器两端,面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射,一块大部分反射、 - 2 -

氦氖激光器实验论文

共焦球面扫描干涉仪调整及高斯光束变换与测量实验 刘岩1, 贾艳1 (1.东北师范大学,吉林长春 130000) 摘要:本文介绍了氦氖激光器的原理及其相关的基本结构,并系统的做了氦氖激光器系列实验中的共焦球面扫描干涉仪调整实验和高斯光束变换与测量实验。 关键词:氦氖激光器;共焦球面扫描;高斯光束;干涉仪 中图分类号:G3 文献标识码:A 引言 虽然在1917年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在,但在一般热平衡情况下,物质的受激辐射总是被收激吸收所掩盖,未能在实验中观察到。直到1960年,第一台红宝石激光器才面世,他标志了激光技术的诞生。激光器由光学谐振腔、工作物质、激励系统构成,相对一般光源,激光有良好的方向性,也就是说,光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上,但它也有一定的发散度。在激光的横截面上,光强是以高斯函数型分布的,故称作高斯光束。同时激光还具有单色性好的特点,也就是说,它可以具有非常窄的谱线宽度。受激辐射后经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉,最后形成一个或者多个离散的、稳定的谱线,这些谱线就是激光的模。在激光生产与应用中,如定向、制导、精密测量、焊接、光通讯等,我们常常需要先知道激光器的构造,同时还要了解激光器的各种参数指标。因此,激光原理与技术综合实验是光电专业学生的必修课程。 1 实验原理 1.1氦氖激光器原理与结构 氦氖激光器(简称He-Ne激光器)由光学谐振腔(输出镜与全反镜)、工作物质(密封在玻璃管里的氦气、氖气)、激励系统(激光电源)构成。对He-Ne 激光器而言增益介质就是在毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体,当氦氖混合气体被电流激励时,与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转,使介质具有增益。介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。对谐振腔而言,腔长要满足频率的驻波条件,谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。总之腔的损耗必须小于介质的增益,才能建立激光振荡。内腔式He-Ne激光器的腔镜封装在激光管两端,而外腔式He-Ne激光器的激光管、输出镜及全反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输出镜与全反镜之间平行度,使激光器工作时处于输出镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态。在激光管的阴极、阳极上串接着镇流电阻,防止激光管在放电时出现闪烁现象。氦氖激光器激励系统采用开关电路的直流电源,体积小,份量轻,可靠性高,可长时间运行。 图1 氦氖激光器原理图 1.2 高斯光束的基本性质 众所周知,电磁场运动的普遍规律可用Maxwell方程组来描述。对于稳态传输光频电磁场可以归结为对光现象起主要作用的电矢量所满足的波动方程。在标量场近似条件下,可以简化为赫姆霍兹方程,高斯光束是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解,它可以足够好地描述激光光束的性质。使用高斯光束的复参数表示和ABCD定律能够统一而简洁的处理高斯光束在腔内、外的传输变换问题。在缓变振幅近似下求解赫姆霍兹方程,可以得到高斯光束的一般表达式: () 2 2 2() [] 2() 00 , () r z kr i R z A A r z e e z ω ψ ω ω --- =?(1) 式中,A0为振幅常数;ω(z)定义为场振幅减小到最大值的e-1的r值称为腰斑,它是高斯光束光斑半径的最小值;ω(z)、R(z)、Ψ分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子,是描述高斯光束的三个重要参数,其具体表达式分别为:

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