6雷射光稳定性分析.PDF

6. 雷射光穩定性分析 一、 目的： 瞭解雷射光原理。量測分析雷射光的 (1) 光功率；(2) 偏振態； (3) 相干長度等 性質。另外也測試光亮度計的準確度。 二、原理： 雷射是一種準直性好、相干性高的準單頻光，它比一般傳統光源優秀。雷射光的 應用使得各種干涉、繞射現象容易達到，也使得全像技術能夠被推廣。可是近年 來一些新實驗對雷射的穩定性有相當嚴苛要求。因此我們有必要對雷射的穩定性 做探討。雷射的性質包括：(1) 光功率；(2) 光頻率；(3) 偏振態； (4) 相干長 度等，我們將以現有的設備盡我們的能力去量測雷射的穩定性。 圖一、He 與 Mg 原子內的電子能階 先介紹雷射的原理。分佈在原子與分子周邊的電子是處在一種不連續的能量狀 態，一般稱之為能階。圖一所示是 He 與 Mg 原子的電子能階圖，其他原子分子 的能階也是類似如此。在常溫下原子與分子多處於所謂的基態，即所有周邊電子 都處在可能的最低能階態。光照射到物質時會與物質發生交互作用，圖二所示是 1 光子與物質作用的 3 種基本過程。第一：若電子處在高能階而較低能階有空位， 則電子會自發的躍遷到該較低能階並輻射出一光子 (圖二、a) ，其光子的能量為 兩能階的差。第二：光照射到物質，若光子的能量正好等於兩能階的差，而低能 階上有電子但高能階上無電子，則電子會吸收光子躍遷上去 (圖二、b) 。第三： 若我們用某些方法 (例如在氣體中持續放電) 使物質處在粒子數反轉狀態 (電子 待在生命期較長的高能階而低能階有很多空位) ，當有光子 (能量等於兩能階差) 經過時就會誘發高能階粒子躍遷到低能階 (圖二、c) 。其中第三種就是物質產生 雷射的機制 。圖三是He-Ne 雷射的能階躍遷圖 ，其過程是先用電極產生氣體放 電將 Ne 的基態電子激發到生命期較長的 3S 軌域，然後再被誘發躍遷到 2P 軌域 放出 6328Å 的光子。圖三顯示電子躍遷的同時也會放出其他能量的光子，例如 ， 3.39μ及 1.15μ的光子 ，在實際的雷射中這些其他能量的光是需要被抑制的。 圖二、光子與物質作用的 3 種基本過程 圖三、He-Ne 雷射能階躍遷圖 2 圖四是雷射的光學共振腔架構，被激發達到粒子數反轉的工作物質被置於光學共 振腔中 ，共振腔的一邊是全反射鏡，另一邊是部份反射鏡 (例：95%) 。最初工作 物質會向四面八方輻射出各種自發輻射 (圖五、a) ，然後光開始在兩個反射鏡間 振盪 。由於工作物質處於粒子數反轉狀態，某一長生命期的能階上有很多電子， 於是出現誘發輻射，被誘發的輻射具有極佳的相干性與方向性 (圖五、b) 。雷射 光在共振腔中振盪時，會因誘發輻射而增亮，也會因光束輸出及其他各種因素而 衰減，其淨效應的增益值若是大於 1 ，雷射光會越來越亮。當亮到某個程度，雷 射光淨效應的增益值會趨於 1 ，此時雷射進入穩定操作狀態 (圖五、c) 。 圖四、雷射光學共振腔 圖五、雷射振盪 圖六、實際的雷射光學共振腔結構 圖七、輸出雷射光的頻率 圖六是實際的 He-Ne 雷射光學共振腔結構 ，注意其中的 Brewster 窗口，它讓 TM 光波完全透射而 TE 光波被大量反射掉，於是只有 TM 光波產生雷射振盪 。圖七、 a 顯示誘發輻射的頻寬，圖七、b 顯示光學共振腔的共振頻率 (形成駐波的頻 慮) ，圖七、c 顯示誘發輻射在光學共振腔內的共振頻率，也就是雷射的頻率。 3 一般的雷射頻率會因各種原因而漂動 。 三、儀器裝置及步驟：(穩定性量測可用 He-Ne 雷射與半導體雷射) (1) 用精準的光功率計測試雷射光功率從剛開機到穩定的功率變化： 觀察 1小時，最初 5 分鐘每 20 秒記錄 1 次平均值以及出現過的最大與最 小值，之後每 1分