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 …… 此处隐藏：7658字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……