光学与激光实验.doc

光学与激光实验 实验讲义 华南师范大学 信息光电子科技学院  光学与激光实验 目 录 实验一 氦氖多谱线激光器 E-3 实验二 腔内选频单纵模He-Ne激光器 E-14 实验三 He-Ne激光器谐振腔调整及外参数测量 E-23 实验四 声光调制锁模激光器 E-37 实验一 氦氖多谱线激光器 在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。 实验原理 一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。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。稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。小信号增益与阈值增益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。 1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数 在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2Pi（2Pi是2P1，2P2，…，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。 测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数是用用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性的装置测得的，各谱线的放电电流相同。 表1 He-Ne 3S2-2Pi谱线的小信号增益系数 跃迁能级 激光波长 小信号增益系数 G0/cm-1 相对增益系数 3S2-2P1 7304.83 7.0×10-5 0.11 3S2-2P2 6401.07 0.41 3S2-2P3 6351.85 0.11 3S2-2P4 6328.17 6.5×10-4 1.00 3S2-2P5 6293.74 0.18 3S2-2P6 6118.01 1.0×10-4 0.16 3S2-2P7 6046.13 3.5×10-5 0.06 3S2-2P8 5939.31 3.0×10-5 0.05 3S2-2P10 5433.65 1.5×10-5 0.03 谐振腔的稳定条件 激光器的谐振腔是由两块相距为L，曲率半径分别为球面的反射镜组成。要使腔内近轴传播的光线多次来回反射不会逸出腔外，腔镜的曲率半径级腔长必须满足 （1） 对平凹腔来说，若R2＝∞，稳定条件为0(1-L/R1)1，则凹面镜的曲率半径必须大于腔长。对于对称腔，R1＝R2＝R，稳定条件为(1-L/R)21，则反射镜的曲率半径必须大于腔长的一半。由于相对小的曲率半径对应相对大的发射角，通常反射镜的曲率半径选择2～5倍腔长。 激光振荡条件 建立激光振荡必须满足光在增益介质中来回运行一次得到的增益足以补偿运行中的损耗，用公式表示为 （2） 式中r1和r2分别为谐振腔两镜片上的反射率，La为增益介质长度，G为建立稳定激光时介质单位长度的增益，叫阈值增益系数。aa为增益介质内的损耗，包括衍射损耗。两镜片总的反射率r与投射率t及吸收散射损耗as的关系有 （3） 谐振腔反射镜 谐振腔反射镜镀有多层光学介质膜。实验使用反射率高达99.9％。而损耗小于0.1％的高质量介质膜，使低增益激光谱线实现振荡成为可能。介质膜反射率带宽（即波长范围）通常为1000左右，实验中涉及的九条激光谱线覆盖的波长范围约2000，需使用两种或三种不同波长范围的反射膜片。 腔内棱镜 在谐振腔中插入色散棱镜P，如图1所示。由于棱镜分光作用，对不同波长其偏向角不同，谐振腔只能对其中一条谱线满足振荡条件，而其它波长由于偏离谐振腔光轴，损耗大于增益不能起振。若要改变振荡谱线，需把棱镜和谐振腔调准到使该谱线满足振荡条件的位置。棱镜调谐波长的方式基本上有两种，一种是棱镜的入射角不变，不同波长对应不同出射角，调谐波长时，棱