激光原理与技术

实验

赵 江

讲 编 审 义

激光安全十项基本事项

1. 除非在特殊情况下，使用激光器一般都必须在密闭室内空间。

2. 不要直视激光光束，对大功率红外或紫外的不可见光尤其要注意。

3. 操作激光时不要戴手表、手饰等反射较强的饰物。

4. 任何时候都不要忘记戴防护镜。

5. 对不可见的激光关闭后应用 IR 或 UV 卡检查一下是否真的关闭。

6. 激光器工作时要将不用的光导入到光束垃圾桶。

7. 对自制的光路部分最好用一个防护罩罩起来。

8. 保持光路高度在人的视线以下，工作时弯腰、低头、或拣地上的东西都是非常危险的。

9. 在激光工作地点的门口和室内贴上警示标签。

10. 所有激光器操作人员必须经过培训。

目 录

实验一 激光谐振腔的调试.......................................................................................... 1

实验二 氦氖激光束光斑大小和发散角测量.............................................................. 7

实验三 共焦球面扫描干涉仪与氦氖激光束的模式分析........................................ 12

实验四 脉冲固体激光器的调试与参数测量............................................................ 25

实验五 电光调Q和倍频实验 ................................................................................... 35

实验六 半导体激光器系列实验................................................................................ 47

实验七 半导体激光器端面泵浦和腔内倍频实验.................................................... 54

实验一 激光谐振腔的调试

一、实验目的

1．掌握激光谐振腔结构，并学会稳定激光谐振腔的设计

2．掌握谐振腔调试方法及技术

二、实验仪器

Las—Ⅲ型调腔实验仪

三、实验原理

1．激光的自激振荡和光学谐振腔

激光的原意是受激辐射的光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。

由爱因斯坦关系式 ：

A218 h 3

n h 3Bc 21 （1.1）

B12f1 B21f2

及黑体辐射普朗克公式：

E

e

可得光子简并度n为：

n h h KT （1.2） 1 B21 W21 （1.3） 3A21A218 h

c3

其中 为单色能量密度。

由于受激辐射产生相干光子，而自发辐射产生非相干光子。从（1.3）式出发，要产生激光就需要提高光子简并度，使受激辐射远远强于自发辐射。同样，如果能使腔内某一特定模式（或少数几个模式）的 大大增加，而其他所有模式的 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。这种状态可以通过激光谐振腔来实现（如图1-1所示）。

将一个充满工作物质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工作物质时，由于受激辐射而使光场得到放大，那么腔内轴向模式的 就不断

增强，从而在轴向模内获得极高的光子简并度。这就是构成激光器的基本思想。

非轴向模

图1-1光谐振腔的选模 轴向模

由于谐振腔内存在损耗，激光要实现振荡输出必须满足自激振荡条件即：激光的增益系数G大于等于损耗系数 。考虑增益饱和，增益系数可表示为：

G0

G z Iz1 Is （1.4）

其中Is为饱和光强，G0为z=0处的小信号增益系数。

若有弱光（光强为I0）进入一无限长放大器。起初光强I(z)按小信号放大规律增长，但是随I(z)的增加，增益系数由于饱和效应而减小，所以I(z)的增长会逐渐减缓。最后当G I 时，I(z)不再增加并达到一个稳定的极限值：

IIm G0 s （1.5）

Im只与放大器本身的参数有关，而与初始光强无关。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Im，这就是自激振荡。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，不可能也没必要把激活物质的长度无限增加，只要将具有一定长度的光放大器放到谐振腔中，就可以使轴向光波模在反射镜间往返传播，这样就等效于增加了放大器长度。因此，光学谐振腔的作用就是一方面形成正反馈，另一方面进行模式选择。

可见，一个激光器的基本结构包括光放大器（激光工作物质）、谐振腔和外界激励三部分。在本实验中的光放大器为氦－氖激光管，谐振腔要求用已提供的各种参数的镜片来设计完成。

2．谐振腔的稳定性和激光输出模式

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。光学谐振腔主要分为闭腔、气体波导腔和开腔。而实际中主要使用的开腔根据谐振腔的稳定性条件又分为稳定腔、非稳腔和临界腔。

运用光线往返矩阵分析共轴两镜光学谐振腔，可知，在满足条件：

0 1

L L 1 R 1 （1.6） R1 2

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正反馈的目的，

其中L为光学谐振腔的腔长，R1,R2分别为两个镜面的曲率半径。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。引入g参数可将（1.6）式化为：

0 g1g2 1 （1.7） 其中：gi 1 LRi (i 1,2)满足（1.7）式条件的两镜共轴球面腔为稳定腔。当谐振腔满足g1g2 1或g1g2 0时，该两镜共轴球面腔为非稳定腔。当g1g2 1或g1g2 0时，该两镜共轴球面腔为临界腔。如图1-2所示。

图1-2 激光谐振腔稳区图

通常来说，g1g2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。

由于稳定腔的几何偏折损耗很低，它广泛应用于在绝大多数中小功率的器件中。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圆形球面镜构成。由激光的腔模理论可知，开放式激光谐振腔决定激光模式。即当谐振腔确定后，该激光器可能输出的模式也就确定下来。一般来说，圆形球面镜腔镜面上的光场分布为拉盖尔——高斯函数，因此该谐振腔输出的高阶横模模斑图的角向和径向上有截线，而基模为高斯分布，输出的光束为高斯光束。如图1-3所示。

TEM00

TEM01

TEM02

TEM10TEM20TEM30

图1-3 圆形球面镜腔横模的模斑图

3．谐振腔的准直原理

激光器要实现自激振荡输出激光，必须使激光谐振腔两腔镜近似平行。只有这样激光谐振腔的几何偏折损耗才小，才容易出光。所以需要对激光谐振腔进行调节。调节的方法主要有两种：十字小孔成像准直法（自准直法）和激光束准直调腔法。本实验使用第一种方法。

如图1-4所示，在照亮的十字中心有一小孔，通过小孔观察放电管，在放电管端头可以看到放电管中心的亮点，若此亮点均匀而且圆，则说明小孔处在放电管的轴线上。反射镜会对照亮的十字成象。调节反射镜，使十字在反射镜上的像的十字交点与放电管中心亮点重合，则说明反射镜与放电管的轴线垂直。经过对输出镜和全反镜的反复调节可出红色激光。

图1-4 调腔实验原理图

四、实验内容和数据处理

1. 激光谐振腔的设计

设计一个稳定腔，并调整腔镜的使其能出光。

可选的器件：

a. 氦－氖激光管一只：长600mm 最大功率8mw

b. 反射镜片若干：凹面镜曲率半径分别为R=2m、R=3m及R ；镜片直径

20mm；凹面镜反射率为99.7％，平面镜反射率为98.4％

c. 一根长为1m的导轨

d. 激光电源一台

e.

f. 激光管及镜片支架若干 十字屏及支架

g. 校准光源一个

2. 激光谐振腔的调节

a. 将选好的腔镜和激光管等仪器按图1-4所示摆放至导轨上，初步确定谐振腔的腔

长，调整各器件基本与水平线平行。

b. 将激光管的阳极用红导线、阴极（有铝筒的一端）用黑导线分别与激光电源连接，

认真检查电源输出线，正负极是否连接正确、良好，正负极接反会造成激光管迅速

损坏。

c. 打开激光电源开关，点燃激光管。此时，激光管辉光放电，激光管呈粉红色。 d. 将十字屏放在后腔镜（全反镜）端，十字屏对着激光器，距离反射镜10cm左右。

用眼睛通过光屏上的小孔去观察毛细管的轴心。由于此时激光管的轴心不一定与光

屏上的孔同轴，因此需要移动光屏的位置，同时用眼睛观察，寻找毛细管中心的亮

点。通过光屏从端面观察毛细管时，所要观察的亮点是在毛细管孔径内的亮斑，不

要误认为毛细管内孔的亮斑为亮点。看此亮点的要点是：必须沿着毛细管轴心看毛

细管内孔的远处。这个亮点直径小于0.5mm。它就是毛细管的轴心，如图1-5。找

到该亮斑后，轻微移动光靶，使亮点很圆，并处在毛细管亮斑的中心。最后，可适

当调节激光上的螺钉（注意一定要同时调节两个螺钉，并且要轻，以免挤破激光管）使该亮斑与其他区域对比度比较大。固定光屏。此时，不必管十字叉丝像所处的位

置。只要达到图1-5中的状态，说明已经将光屏的小孔放在毛细管的轴线上了。

毛细管

亮斑

亮点

图1-5 未调准时十字叉丝像的位置

e. 光屏位置不动，点燃小灯照亮十字屏上的十字叉丝，从小孔观察反射镜片上被灯照

亮的十字叉丝的像，此时光屏的小孔已经放在毛细管轴线上了，调节反射镜支架上

的X,Y方向的两个方位螺钉，十字叉丝象的交叉点落在亮点的中心。如图1-6所示。此时，说明光屏的十字叉丝交点也在激光管的轴线上，即反射镜与激光管内毛细管

的轴线垂直。

图1-6 调准时十字叉丝像的位置

f. 将十字屏移到前腔镜（输出镜）端，按d,e两步的方法，调节前腔镜，使它与激光

管内毛细管的轴线垂直。（注意：在快重合时，眼睛微移，以观察不到亮点为止。

这样即使出光也不会照射眼睛。也可以带上激光护目镜。）

g. 在调节时，由于观察误差，很难一次调整成功出光。所以一般需要反复调节多次。

即将白屏再移到后腔镜外，用以上方法再调后腔镜与放电管的轴线垂直。若不行又

调前腔镜。反复调节直到出光为止。

五、思考题

1、 采用哪种谐振腔更容易出光？

2、 结合谐振腔的模式理论考虑什么样的腔最适合实际使用？

3、 若调节出光后发现激光器多横模运转，可用什么方法使激光器单模输出？

4、 综合整个实验过程中遇到的问题，请谈谈你的调腔心得。

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，小心细心耐心地完成实验。

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，若有污迹确需去除，请报告实验指导老师处理。

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应有意识地使自己的瞳孔稍小，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。

5．实验结束后将电源连接线从激光管上拆下时，应先将电源关闭，将连接线在电源上一端先取下（捏住塑料部分），并将两极对接以放电，其后再将连在激光管上的一端取下，取下时请小心，不要左右摇晃，以免使电极折断。

赵江（编）

实验二 氦氖激光束光斑大小和发散角测量

一、实验目的

1．加深对基模高斯光束特点的理解

2. 掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法

3．深入理解基模激光束横向光场分布特性及激光束发散角的意义

二、实验仪器

WGL-4型氦氖激光器系列实验装置（包括He Ne激光器、反射式检流计、硅光电池、狭缝、微动位移台、45°反射镜、平面反射镜、卷尺、标尺等）

三、实验原理

激光束的发散角和横向光斑尺寸是激光的两个重要参数，激光束虽有方向性好的特点，但它不是理想的平行光，而具有一定大小的发散角。一般来说，激光的相干性越好，方向性越好。在激光干涉测长等实际应用过程中需要激光有高的相干性，因此可设置扩束镜来减小激光束的发散角，以提高相干性。

激光器内能够稳定存在的光场分布称为模式。通常将模式分为纵模和横模两类。纵模描述了激光器输出分立频率的个数；横模描述了在垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定，而光束发散角、光斑直径和能量的横向分布则由横模决定。激光的模式用符号TEMmnq来描述。TEM代表横向电磁场，m、n脚标表示沿垂直于传播方向某特定横模的阶数，q表示纵模的阶数。一般q可以很大而m、n都很小。在这里主要讨论横模，在圆形镜谐振腔中，横向的光场分布为拉盖尔-高斯函数。对于基横模的激光，它在横向的光场分布为高斯分布，而高阶模式横向的光场分布为拉盖尔-高斯分布。多横模的激光器发出的激光在横向的光场分布将是所有存在横模的叠加。一般来说，人们讨论的激光的发散角主要是针对基横模来说的。

1. 激光束的发散角

由于基模高斯光束光场在激光传播方向的横截面内呈高斯分布，所以这样的激光束也称为高斯光束。人们定义在光场传输方向上的某点处，当光场的复振幅降低到高斯光束中心复振幅的e时对应的点距光场中心的距离为该点光斑的半径。根据以上定义和基模高斯光束的光场表达式可以得到光斑半径的表达式：

上式可改写成双曲线方程： W(z) W0[1 ( z W02)] 122(2.1) W(z) z 1 2 W0 W 0 22(2.2)

可见，高斯光束的光斑半径满足双曲线方程如图2-1所示，式中其中 是激光波长。W(z)为z处的光斑半径，W0为高斯光束的光束截面最细处（腰斑）的光斑半径，也称为腰斑半径。一般可将柱坐标(r, ,z)的原点选在束腰截面的中心点，z为光束传播方向。

图2-1 激光束的发散角

由于高斯光束的光斑半径在光束的传播方向上是以双曲线的形式变化的，因此高斯光束是发散的。人们定义双曲线渐近线的夹角 为激光束的发散角，则有 lim2W(z)2 z z W0(2.3)

由式（2.3）可知，只要测得离束腰很远的z处的光斑大小2W(z)，便可算出激光束发散角（全角）。

2．激光束横向光场分布

如图1，激光束沿z轴传播，其基模的横向光场振幅E00随柱坐标值r的分布为高斯分布的形式

r2 E00 r E00 z exp 2 W(z) (2.4) 式中E00 z 是离束腰z距离处横截面内中心轴线上的光场振幅，W(z)是离束腰z处横截面的光斑半径，E00 r 则是该横截面内离中心r处的光场振幅。当r W(z)时，则E00 r 为E00 z 的e倍。实际测量中，测得的是光束横向光强分布，而光强等于振幅的平方，故将（2.4）式两边平方，得

r2 r2 I00 r E z exp 2 I00 z exp 2 2 2 W(z) W(z) 200(2.5)

图2-2中画出了光束横向振幅分布和光强分布，并且已将E00 z 和I00 r 归一化。在光束半径W(z)范围内集中了86.5%的光功率。

图2-2 高斯光束的振幅分布和光强分布

3．光束半径和发散角的测量

氦氖激光器结构简单、操作方便、体积不大、输出波长为632.8nm。本实验对氦氖激光束的光斑半径和发散角进行测量。所用的激光器可以是平凹腔内腔He Ne激光器也可以是平凹腔或平平腔的外腔He Ne激光器（外腔He Ne激光器需要自己调腔以形成振荡），其腔长若为L，凹面曲率半径为R，以平面镜作为输出镜。可得到其束腰处的光斑半径为 L R W0 W(0) 1 L (2.6)

由这个值，也可从算出激光束的发散角 。这种激光器输出光束的束腰位于谐振腔输出平面镜的位置。测量距束腰距离z约为3～5m处的光束半径。为了缩短测量装置的长度，采用了平面反射镜折返光路，实验测量装置如图2-3所示。测量狭缝连同其后面的硅光电池作为一个整体沿光束直径方向作横向扫描，由与硅光电池连接的反射式检流计给出各扫描点的光强横向分布。根据测得的数据作激光束光强横向分布曲线并求出光强下降到最大光强的e2（e = 2.718281828，e2= 0.13533 ）倍处的光斑半径W(z)，它就是激光光斑大小的描述。最后可根据式 2W z z算出光束发散角 。

四、实验内容和数据处理

1.调节外腔He Ne激光器

打开准直激光器开关，调节该激光器使它准直。用自准直法使半腔激光器的后腔镜面反射的光束完全进入小孔，这样后腔镜就跟光轴垂直。打开外腔激光的电源开关。再放入前腔片（要求分别用R2= 和R2=1m与后腔镜组成谐振腔，并测量各自的发散角 ），稍微转动镜片使激光器能够产生振荡，固定支架，并微调支架上的方位螺丝直到输出光能量最大并保持稳定输出。

2.测量前的准备

按图2-3摆好光路各部件，调整标尺及平面反射镜尽量使激光束垂直照射测量狭缝，取z值约3 4.5m，缝宽小于光斑大小，调节微动位移台上的千分尺到0，接好光功率指示仪。

图2-3 测量装置示意图

3.光强横向分布的测量

用卷尺测量z值。

移动微动平台，使狭缝和硅光电池接收器同时扫过光束，移动的方向应与光传播方向垂直。每隔0.5 1.5mm，记录反射式检流计的示值，重复测量三次，进行激光束的光强横向分布测量。

4.光斑半径W z 及发散角 的确定：

以平均值作出反射式检流计随测量位移之间的变化曲线，由曲线求出光斑半径W z ，并由 2W z z算出 值，用式（2.3）和（2.6）算出发散角理论值并与测量的 值进行比较。最后比较两种不同的谐振腔的发散角 之间的差别，看它是否与理论一致。

五、思考题

1.测量光束半径为何要选择距束腰距离z约为3 4.5m处？为了缩短测量装置的长度，本实验采用了平面反射镜折返光路，请你设计另外一种方法来测量光束直径。

2.本实验采用He Ne激光束来测量光束半径和发散角，所用的激光器是平凹型谐振腔He Ne激光器，请问应用本实验设备是否能对其他激光器如Nd:YAG激光器产生光束的半径和发散角进行测量？

3.狭逢的大小对测量得到的光斑的半径以及光束发散角有影响吗？为什么？

4.分析该实验出现误差的原因，为了得到更精确的测量结果你可以对实验作何改进？

注意事项：

1．操作过程中切忌直接迎着激光传播方向观察。

2. 禁止用手触摸光学镜片或用口向镜面吹气以免污染镜面。

3．注意激光高压电源，以免触电和短路。

4．测量发散角时应减小地面和桌面的震动，以避免光斑在狭缝口晃动。

5. 测量时应使测量狭缝的宽度在光斑大小的1/10以下。

技术参数

氦氖激光器 ：

外腔氦氖激光器：

谐振腔曲率半径R1 1m

线宽 1500MHz

中心波长 632.8nm

R2 或1m（出光镜） 赵江（编）

实验三 共焦球面扫描干涉仪与氦氖激光束的模式分析

一、实验目的

1. 了解扫描干涉仪原理并掌握其使用方法

2. 加深对激光模式的理解

3. 掌握利用共焦扫描干涉仪分析激光模式的方法

二、实验仪器

WGL-6型氦氖激光器模式分析实验装置（包括：共焦球面扫描干涉仪、高速光电探测器及其电源、锯齿波发生器、示波器、氦氖激光器及其电源等）。

实验装置图如图3-1所示。

(a)仪器正面图

（b）仪器背面图

图3-1 WGL-6型实验装置图

三、实验原理

在激光器应用中，人们常常需要知道激光器的模式状况，如精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等不仅要求激光基横模而且要求单纵模运行的激光器。因此，进行模式分析是对激光器的一项基本而又重要的性能测试。

1.激光的模式：

激光器内能够发生稳定光振荡的形式称为模式。通常将模式分为纵模和横模两类。纵模描述了激光器输出分立频率的个数；横模描述了在垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定，而光束发散角、光斑直径和能量的横向分布则由横模决定。激光模式用符号TEMmnq来表示。TEM代表横向电磁场，m、n脚标表示沿垂

直于传播方向某特定横模的阶数，q表示纵模的阶数。一般q可以很大而m、n都很小。

（1）激光器的纵模

激光器由增益介质、谐振腔和外界激励三个基本部分组成。增益介质在足够强的外界激励下，将在某一对能级间形成粒子数反转分布。因此在自发辐射和受激辐射的作用下，将有一定频率的光波产生，并在腔内往返传播过程中被增益介质逐渐放大。理论上，在谐振腔内的光波以驻波的形式存在并且满足 L q

2 （3.1）

其中 为腔内折射率，L为腔长， 为光波长，q为整数，每个q值对应一种纵向稳定的电磁场分布，也叫一个纵模，q称作纵模序数。一般来说，q是一个很大的数,通常不需要知道它的具体数值,而关心的是这台激光器产生的纵向光场包括几个不同的q值,即激光器有几个不同的纵模。将式（3.1）变形得： q qc

2 L (3.2)

式中 q为每个纵模的频率。相邻两个纵模间距为：

满足式（3.2）的 q有无穷多个。

但一方面，由于增益介质只辐射一定频率的光波，另一方面由于能级有一定宽度，上能级的粒子具有一定的寿命以及发光原子的状态不同等因素的影响，使得输出激光的谱线有一定的宽度。加宽可分为均匀加宽（包括自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽）和非均匀加宽（主要是多普勒加宽）两大类，实际激光谱线宽度是由均匀加宽和非均匀加宽共同影响的。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小功率的He Ne激光器632.8nm谱线，以多普勒加宽为主，线型函数基本呈高斯分布，宽度约为1500MHz。因此只有落在谱线宽度范围内的纵模在增益介质中传播时，光场将获得不同程度的放大。此外，由于激光在腔内往返传输时，存在多种损耗而使光场减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、腔镜的透射损耗和衍射损耗等。由此可见，只有在增益曲线中，处于阈值以上的模式才能实现光放大，最终形成稳定的振荡。因此，在谐振腔内存在的驻波（模式）为有限个。例如L 1m的氦氖激光器，其相邻纵模频率差为1.5 10Hz。若其增益曲线的频宽为

91.5 10Hz，则可输出11个纵模。腔长L越短，则模间距越大，输出的纵模就越少。对于

98 c2 L (3.3) 增益频宽1.5 10Hz的激光，若L小于0.15m，则可得到单纵模输出。

谐振腔内的纵模的存在形式如图3-2所示，图中增益线宽内虽有五个纵模满足谐振条件，但只有三个纵模的增益大于损耗，能够振荡。对于纵模的观测，由于q值很大，相邻纵模频率差异很小，眼睛不能分辨，必须借用一定的检测仪器才能观测到。