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光电子技术实验 实验一 CO2激光器的功率测量 实验目的： 了解CO2激光器的基本原理、结构和功率输出特性，并掌握CO2 激光器的操作规程和功率测量方法。 实验原理： 1、CO2激光器工作原理： CO2激光器的工作物质为CO2气体， 辅助气体为N2、He、Xe、H2。CO2分子中，激光跃迁能够在多组振动能级间实现，其中较强的激光谱线对应着001——100带和001——020带的激光跃迁。图1为与这两个带有关的CO2分子和N2分子的部分能级图。 001——100带和001——020带的激光跃迁的上能级是001振动能级 ，它是反对称振动模式的最低激发态。激光跃迁下能级分别为100（对称振动模式的最低激发态）和020（弯曲振动模式的次最低激发态）。001——100跃迁产生10.6的辐射，001——020跃迁产生9.6的辐射。由于它们有共同的上能级，因此这两种跃迁是互相竞争的。001——00的跃迁几率比001——020的跃迁几率大得多，因此对应于001——100跃迁的激光振荡更易实现，常用CO2激光的波长即为10.6。 事实上，纯CO2激光器的输出功率很低，仅毫瓦量级。加入N2、He、Xe、H2等辅助气体后，可使激光输出大大增强，这些辅助气体的作用:（1）N2：N2分子气体是CO2激光器的主要辅助气体，起共振能量转移的作用，增大CO2分子001能级的激发速率，显著的加大了粒子数反转分布的程度。（2）He：He的热导率高，He气对CO2 气体有冷却作用，有利于激光下能级 100和020 的抽空，因而可增加激光跃迁能级间的粒子数反转分布的程度。（3）Xe：Xe的电离电位低，Xe的加入可以增加激光管内工作气体的电离度及CO2分子的能量转换效率。（4）H2：H2有利于激光下能级100和低能级0110的抽空，从而增大粒子数反转分布的程度。 2、CO2激光器结构 最常用的CO2激光器的结构为封离型，由放电管、水冷管和储气管三层结构所组成，如图2所示。常用CO2激光器腔长一般为50cm 、80cm 、 100 cm 和150cm等。腔长比较长的CO2激光器还可以做成折叠形管以缩小外形尺寸。 3、CO2激光器的功率输出特性 封离型CO2激光器的输出功率与放电管长度成线性关系，平均每米长度可获得连续输出功率为40~ 50瓦。气体温度对CO2激光器输出特性影响很大，温度升高将降低粒子数反转量，使输出功率减小，因此CO2激光器须用冷却水冷却。放电电流小时，气体温度不高，增加放电电流可以提高激光上能级的激发速率，从而加大粒子数反转分布，使输出功率增大； 当电流增加到很大时，气体温度很高，反而会使粒子数反转量减小，使输出功率降低。 实验内容： CO2激光器的操作方法: 打开冷水管，使出水口稍高于进水口，排走管内空气。或打开自循环水开关，使通水指示灯、通电指示灯亮。 使激光输出端对准待照射物体。 开启激光电源，调电压使毛细管放电，出激光。 测量CO2激光器输出功率: 开启功率计电源，预热30分钟，调零，置适当量程。 使激光束入射到探头，1分钟后读数（探头响应时间为20秒）。 作激光输出功率与输入电压之间关系曲线。 注意事项： CO2激光器工作电压高达万伏，注意接地线以保人身安全。 CO2激光为10.6红外辐射,不可正对观察,亦要防止漫反射。 由于CO2激光医疗机有聚焦装置，接收探头距离激光出射端不可过近，以免烧坏探头。 思考题： 1、简述CO2激光器工作原理。 2、CO2激光器的工作气体由哪些气体组成，各起什么作用? 3、简述CO2激光器的操作规程和注意事项。 实验二 激光横向位错干涉法 一、实验目的： 了解激光横向位错干涉法的基本原理，观察激光横向位错干涉条纹的特点。通过实验了解激光横向位错干涉法在判断和调节激光准直方面的应用。 二、实验原理： 图1为用激光横向位错干涉法判断激光准直的实验装置的水平俯视图。选取空间直角坐标系，水平面为，为铅垂方向，z为激光传播方向。铅垂y方向在平行平面板的平面内，平行平面板可以绕y方向旋转，其法线保持在xz水平面内。从He－Ne激光器出来的光束经一对准直透镜射到一块平行平面板上，当反射线和激光方向成一定角度θ时，从平板前、后两个表面反射的光束就会发生横向位移，反应在观察屏x/y上 就是两个圆形光斑的圆心在x/ 方向错开一定的距离S。横向位错宽度S是随着θ角而变化的。θ等于0o时，S等于0。当θ从0o到50o变化时，S逐渐增大并在50o左右取极大值；当θ再从50o增加时，S又逐渐减小。横向位错宽度S还与平行平面板的厚度d有关，厚度d增加，横向位错宽度S也增加。一般选择平板厚度为1～2厘米比较适宜。 如果经过准直透镜的激光