激光原理实验

激光原理实验

指导老师 陈钢

1 实验目的： 加深对激光原理理论概念的认识和理解，培养实验动手能力。

2 实验内容：

（1）谐振腔参数认识、调节，调节外腔式He-Ne 激光器，使其激光输出，并达到最大值，记录相关实验结果，包括工作电流和激光功率；

（2）光学谐振腔的稳定范围；

（3）激光输出功率随激光管在腔内位置变化的关系；

（4）波长选择，通过选频元件，调出可能的5条谱线，记录波长和相对功率；

（5）横模特征观测与判断。

此5个内容，第一个大家都要做一遍，其余四个选两个做，但最好分配好，把每个内容都做到。

3 实验原理：

实验从调整基本装置开始，这部分内容老师讲解。只要调整好基本装置，就可以开始下面的各项实验。

3.1 光学稳定性

He-Ne 激光器的光学谐振腔是根据激活介质Ne 以及所要求的光束质量而设计的。 稳定性的目标就是要获得尽可能好的光束输出，也就是基模高斯光束TEM 00模式。 一般来说，要获得高功率输出和较好的光束质量是两个相矛盾的要求，因为高功率输出需要较大的激活体积，而基模运转时的激活体积却被限制在他所要求的模体积之内。这也就说明了为什么平凹腔对He-Ne 激光器是最佳的结构。

3.2 光学谐振腔的稳定范围；

实验可以这样进行，在激光稳定运转过程中，通过改变球面镜的位置，直到激光不能产生为止。球面镜位置改变的具体方法为：把球面镜调节支架上的固定螺丝轻微松动，同时又使得它能够在轨道上保持静止不动。位置改变过程尽量保持不要破坏激光的振荡。重新固定调节支架到新的位置，并且通过调节球面镜的垂直和水平调节螺丝，使得激光功率重新达到最大值。重复这些过程，直到达到一个不能获得激光震荡的新位置为止。测量此时两面镜子的距离，并与由稳定性条件给出的最大距离L 进行比较。

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201

11g g L L g and g R R ≤≤=-=- 在实验中输出镜为平面镜，g

3.3 激光输出功率随激光管在腔内位置变化的关系；

实验的测量方法如下，松开激光管支架的固定螺丝，使得它的位置可以在轨道上改变。第一步准直已经调节好了，在这个实验中要保证激光管支架的机械轴要和准直光给出的光轴

重合。你将看到激光的输出功率随着激光管不断靠近球面镜而下降的现象。这个结果的讨论基于，谐振腔的光束半径轨迹必须考虑特定的毛细管的直径。

3.4 波长选择

波长选择主要出于两点：其一是激光器含有不希望出现的波长，这主要是激光器单色性的要求；其二激光器本身会抑制许多波长的激光振荡，这些激光只有在其他波长的激光不能振荡时才能产生。第二点很明显，在He-Ne激光器中，同时存在许多可见光波段的激光和一些红外激光的振荡。由于这些可见波段的激光都来自于同一个上能级，因此它们之间相互竞争，因此阈值最低的谱线首先获得振荡，并且不断占有反转的粒子数，不断增强，以至于其他波长的激光不能起振。不同的波长可以通过波长选择过程来实现振荡，分列如下。

3.4.1 利特罗棱镜

基本的调整和平凹腔类似。利特罗棱镜代替平面镜必须满足两个条件，其一是棱镜的色散作用，其二是象平面镜一样作为激光谐振腔的腔镜。严格来说，它应该能尽可能地选择所有He-Ne激光器中的波长，因此其表面的镀膜应该适合所有波长范围。波长的调谐通过倾斜棱镜来实现。理想情况下，一旦棱镜的镀膜面垂直与谐振腔的光轴，相应的被选择的谱线就可以振荡，然而事实并非如此。我们可以看到，即使棱镜倾斜了一些，而较强的红色激光仍能够振荡，尽管谐振腔的光路已经改变了。谐振腔内的激光束也发生了漂移，尽管损耗增大了，但是较强的红色谱线还是能够得到足够的放大，从而使得其他谱线不能振荡。光束漂移，即谐振腔内光束位置的改变，可以用来把较强的红色激光调到一个激光即将熄灭的边缘位置，继续倾斜棱镜，此时可能的橙色激光谱线就可以振荡。为了使光束漂移，可以轻微旋转激光输出镜的调整旋钮并重新调整到激光输出达到最大值的位置。此时光束改变了它在谐振腔内的方向。毛细管的虹膜效应会限制光束位置偏离的太远。实验的目标就是理解棱镜的波长选择功能，同时理解频移的概念。

3.4.2 双折射晶体（BFT）

基本的调整和平凹腔类似。双折射晶体必须放置在谐振腔内光束尽可能平行的一点上。该点对BFT的选择效应的利用基于观察准直光。如果BFT没有放到这点，就会产生沿光轴不同角度的发散光，这将导致激光束内不同的相移，同时偏振方向也比较模糊。但是这个影响比较低。对于比较弱的谱线，附加损耗将会形成，可以通过改善BFT在谐振腔的位置来使得附加损耗最小化。如果较弱的谱线不能够振荡，必须检查放置的位置，并重新调整。所有的光学面包括BFT的表面必须非常干净。BFT必须调整到和光轴夹角为布儒斯特角。放电电流不能大于5mA。

调谐元件由一块天然的石英平板够成，厚度约为1mm。当把BFT放置到谐振腔内时，它将导致光束的偏移，因此有必要重新进行基本的对准调整。也有一种可能就是放入BFT 而不用重新调整，步骤如下：把激光功率调整到最大，把BFT转架转到垂直与光轴的位置，围绕光轴旋转BFT平板到一个位置，此时激光振荡重新获得，再次调节激光器到理想位置，然后把BFT平板朝布儒斯特角方向转。这个过程需要几个步骤，每一步完成后重新调整激光器。当接近布儒斯特角附近时，激光强度有明显的增加，也可以通过观察BFT表面反射光束达到一个较小值来确定这个位置。如果此时平板围绕光轴旋转，则主要的谱线632.8nm 将出现3-4次，选择最好的一个位置并重新调整激光器到最佳运行状态。当在主要的谱线

611.8nm的橙色谱线以及635.2nm对于镜面污染引起的附加损耗比较敏感，如果不能实现这两条谱线的振荡，必须把镜面重新清洁，特别是激光管的窗口和BFT的表面，由于暴露在空气中，加上激光束电场对其表面的作用，很容易引起污染。一旦橙色的谱线振荡，重新调整激光器并把BFT的角度旋转到布儒斯特角。注意当轻微转动平板时谱线会消失并再现。

3.5 模式选择

利用一个短焦透镜（f=30-50mm），激光输出光束可以被扩束然后映射到一个屏幕上。激光的横模特性将表现为圆形镜的横模特征。高阶模可以通过适量微调谐振腔而得到。如果这个方法不能观察到，可以通过强制方法来获得高阶模。众所周知，高阶模的特性是电场强度在平面内有振幅为零的结线。这种“小圆环”很容易获得，只要在谐振腔内插入一个细线状的物体（例如一根头发丝）。因此我们就可以在屏上观察到类似横模分布的分散的光强分布。

由于激光亮度较大，肉眼观测有时不能成功，可以利用我们自己制作的一套简单的图像采集和显示系统，用摄像头获取激光光斑图像，并做三位分析，此时如果存在高阶模，则很容易观测出来，通过和理论模式比较，判断属于那个模式，分析其原因。

4数据记录：

所有数据必须认真记录在本子上，需要图片的可以用数码相机拍摄（自己带或老师提供），模式分辨的图片集中保存在老师的电脑上，实验结束后给大家。

5实验报告：

做完实验后认真撰写实验报告，结合激光原理理论，把每部分的实验原理重新写详细，实验内容、步棸、结果、讨论等都要完整。