Las激光调腔实验

Las-Ⅲ型激光调腔实验仪

实验指导书

实验目的：

1． 了解激光原理、光学谐振腔的结构。

2． 掌握谐振腔的模式稳定原则，并学会用其设计一个稳定的激光谐振腔。

3． 掌握实际调腔的操作方法。

实验原理：

1．激光原理与光学谐振腔

激光实际上是一种受激辐射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ）。由爱因斯坦关系式 ννπνh n c h B A f B f B ===3

321212211128 （1） 及黑体辐射普朗克公式

1

-=

KT h e h E ν

ν （2） 可得光子简并度n 为：

212121213

38A W A B c h n ===ννρν

πρ （3） 其中νρ为单色能量密度。

非轴向模

从上式我们在物理上很容易理解，因为受激辐射产生相干光子，而自发辐射产生非相干光子。从（3）式出发，如果我们能创造一种情况，使腔内某一特定模式（或少数几个模式）的νρ大大增加，而其他所有模式的νρ很小，就能在这一特定（或少数几个）模式内形成很高的光子简并度n 。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定（或几个）模式内，而不是均匀分配在所有模式内。这种情况可以用以下的方法实现：（如图1所示）

将一个充满物质原子的长方体空腔去掉侧壁，只保留两个端面壁。如果端面腔壁对光有很高的反射系数，则沿垂直端面的腔轴方向传播的光（相当于少数几个模式）在腔内多次反射而不逸出腔外，而所有其他方向的光则很容易逸出腔外。此外，如果沿腔轴传播的光在 每次通过腔内物质使不是被原子吸收（受激吸收），而是由于原子的受激辐射而得到放大，那么腔内轴向模式的νρ就能不断的增强，从而在轴向模内获得极高的光子简并度。这就是激光器的基本思想。

我们通常所说的激光器都是指激光自激振荡器。由激光增益系数g 和损耗系数α的定义可知：

()())(1z I dz z dI z g =

， ())(1)(z I dz z dI z -=α 若同时考虑增益和损耗，则有 []dz z I I g z dI )()()(α-=，

假如有微弱光（光强为0I ）进入一无限长放大器。起初光强)(z I 按小信号放大规律增长，但是随)(z I 的增加，增益系数由于饱和效应而减小，所以)(z I 的增长会逐渐减缓。最后当()α=I g 时，)(z I 不再增加并达到一个稳定的极限值m I ，由前述条件可知()ααs

m I g I -=0，0g 为小信号增益系数。 可见，m I 只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关。特别是，不管初始光强多么微弱，只要放大器足够长，就总是能形成确定大小的光强m I ，这实际上就是自激振荡的概念，它表明，当激光放大器的长度足够长时，它可能成为一个自激振荡器。

实际上，我们不可能也没必要把激活物质的长度无限增加，只要在具有一定长度的光放大器两端放置如上所述的光谐振腔，就可以使轴向光波模在反射镜间往返传播，就等效于增加了放大器长度。

综上所述，一个激光器应包括光放大器和光谐振腔两部分，对于光腔的作用，至少应该归结为两点：模式选择和提供轴向光波模的反馈。在本实验中的光放大器为氦－氖激光管，光谐振腔要求用已提供的各种参数的镜片来设计完成。

2．模式稳定原则。

在激活物质两端恰当的放置两个反射镜片，就构成一个最简单的光学谐振腔。光学谐振腔的分类大致为：

⎪⎪

⎪⎧⎪⎧非稳腔

稳定腔开腔闭腔光学谐振腔

由于稳定腔的几何偏折损耗很低，在绝大多数中小功率的器件中都采用稳定腔。稳定腔的模式理论也是腔模式理论中比较成熟的部分，具有最广泛、最重要的实践意义。

本实验中采用的是一种开放式的共轴球面稳定腔，由两块具有公共轴线的球面镜构成。

由已经学习过的腔内光线往返传播的矩阵表示方法（参看《激光原理》相关内容），可知道，在满足下列条件时，傍轴光线能在腔内往返多次而不至于横向逸出腔外，从而达

到提供光波模反馈的目的： ()1212

<⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+D A 将A 、D 的式子代入可得出：

1

11021<⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-

2,1,11

021=-=<

i 上式即为共轴球面腔的模式稳定原则。式中，当凹面镜向着腔内时，R 取正值，而当凸面镜向着腔内时，R 取负值。

通常来说，21g g 的值越接近1表示介质的利用率越高，越接近0表示越难以调整出光，在设计选择时应注意综合考虑。

设计举例：

例：设计一氦-氖激光器的谐振腔，并调整腔镜的角度使其能出光，测输出光的功率。 解：

1） 选择腔的类型。

通过计算（请自行选择计算方法）可选择平凹腔。

2） 选择凹面镜曲率半径。

选择R2m 为腔镜

3） 将选好的腔镜和激光管等仪器按下图所示摆放至导轨上，调整水平线位置。

4） 进行腔镜的出光调整。

如图2所示，十字屏中心有一小孔，用照明光源照亮十字屏。通过小孔沿光轴观察放电管，移动十字屏位置，在放电管端头找到放电管中心的光点，如图3（a）所示。然后调节腔镜，并观察十字线的像，使其交点与放电管中心光点重合，调节到如图3（c）所示状态后（标志着腔镜已经与放电管轴线垂直），将十字屏、照明光源换到激光腔另外一端，按照以上调节方法，同样调节到如图3（c）所示状态，即可能有激光输出。否则，可重复以上步骤，反复调节，直至输出红色激光。可以使用光功率计（自备）检测输出激光强度，微调两腔镜，以达到最佳输出光强。

实验任务：

1．设计课题：

利用已提供的实验仪器及材料，设计一个氦－氖激光器谐振腔，并调整使其输出激光，并测出其输出功率。

2．设计要求：

要求详细写出选择腔镜类型和腔镜半径的计算选择过程并说明选择理由。

思考题：

1．试分别求出平凹、双凹、凹凸共轴球面腔的稳定条件。

2．综合整个实验过程中遇到的问题，试考虑什么样的腔最适合实际使用。

注意事项：

因本实验带有一定的危险性、复杂性，希望同学们仔细阅读以下注意事项并严格遵守，在实验中听从实验指导老师的安排，小心细心耐心的完成实验。

1．勿用手指或其他粗糙纸制品擦拭激光管的布氏窗面、腔镜面，如有有污迹确需去除，请报请实验指导老师处理。

2．在连接激光管电源时切记看清正负极，并且看清是否连接良好（金属连接部分不要外露），正负极接反会导致激光管迅速损坏，激光电源输出电压很高，连接部分外露会导致触电情况发生。

3．调腔使激光输出后不要用眼直视激光束，以免灼伤眼睛。事先选择好合适的激光管放置位置，使其出光后避免激光照射到其他实验同学的眼睛或面部，在实验区域附近不要乱放置不必要的反光物。

4．在调节出光的过程中，不要将电源电流调得太大，以免瞬间出光时灼伤眼睛；

调节过程中应有意识的使自己的瞳孔稍小，减少激光射入到视网膜的能量，一旦看到有红光出现，就不要再直视激光管内，而应改成使用白屏接收并细微调节直至输出稳定的激光。