【正文】 光學(xué)與激光實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)講義華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院光學(xué)與激光實(shí)驗(yàn)?zāi)? 錄實(shí)驗(yàn)一 氦氖多譜線(xiàn)激光器 E3實(shí)驗(yàn)二 腔內(nèi)選頻單縱模HeNe激光器 E14實(shí)驗(yàn)三 HeNe激光器諧振腔調(diào)整及外參數(shù)測(cè)量 E23實(shí)驗(yàn)四 聲光調(diào)制鎖模激光器 E37實(shí)驗(yàn)一 氦氖多譜線(xiàn)激光器在增益管長(zhǎng)為1m的外腔式HeNe激光器中，用腔內(nèi)插入色散棱鏡選擇譜線(xiàn)的方法，在可見(jiàn)光區(qū)分別使氖原子的九條譜線(xiàn)產(chǎn)生激光振蕩。實(shí)驗(yàn)要求掌握HeNe多譜線(xiàn)激光線(xiàn)器的工作原理及腔型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；學(xué)習(xí)外腔式激光器及腔內(nèi)帶棱鏡激光器的調(diào)節(jié)方法；測(cè)量各條激光譜線(xiàn)的波長(zhǎng)；找出各條譜線(xiàn)的最佳放電電流及測(cè)量最大輸出功率。一、 實(shí)驗(yàn)原理一臺(tái)激光器除激勵(lì)電流外主要由兩部分組成，一是增益介質(zhì)；二是諧振腔。對(duì)HeNe激光器而言增益介質(zhì)就是在兩端封有布儒斯特窗的毛細(xì)管內(nèi)按一定的氣壓充以適當(dāng)比例的氦氖氣體，當(dāng)氦氖混合氣體被電流激勵(lì)時(shí)，與某些譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)的上下能級(jí)的粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益。介質(zhì)增益與毛細(xì)管長(zhǎng)度、內(nèi)徑粗細(xì)、兩種氣體的比例、總氣壓以及放電電流等因素有關(guān)。對(duì)諧振腔而言腔長(zhǎng)要滿(mǎn)足頻率的駐波條件，諧振腔鏡的曲率半徑要滿(mǎn)足腔的穩(wěn)定條件。總之腔的損耗必須小于介質(zhì)的增益，才能建立激光振蕩。由于介質(zhì)的增益具有飽和特性，增益隨激光強(qiáng)度增加而減小。初始建立激光振蕩時(shí)增益大于損耗，隨著激光的增強(qiáng)而增益逐漸減小直到增益等于損耗時(shí)才有持續(xù)穩(wěn)定的振蕩。穩(wěn)定振蕩時(shí)的增益叫閾值增益，初始的增益叫小信號(hào)增益。小信號(hào)增益與閾值增益之差越大，腔內(nèi)的激光強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)小信號(hào)增益很低的激光譜線(xiàn)是否能獲得激光振蕩，關(guān)鍵在于諧振腔的損耗能降低到什么程度。在可見(jiàn)光區(qū)激光譜線(xiàn)的小信號(hào)增益系數(shù)在氦氖混合氣體的增益管中氖原子的3S2能級(jí)對(duì)2Pi（2Pi是2P1，2P2，…，2P8，2P10九個(gè)能級(jí)的簡(jiǎn)稱(chēng)，3S22P9的躍遷是違禁的）九個(gè)能級(jí)之間能夠產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益，九條譜線(xiàn)的小信號(hào)增益系數(shù)G0如表1所示。測(cè)量時(shí)各譜線(xiàn)的放電電流值不相同；表中相對(duì)增益系數(shù)是用用光譜相對(duì)強(qiáng)度研究氦氖放電管的增益特性的裝置測(cè)得的，各譜線(xiàn)的放電電流相同。表1 HeNe 3S22Pi譜線(xiàn)的小信號(hào)增益系數(shù)躍遷能級(jí)激光波長(zhǎng)小信號(hào)增益系數(shù)G0/cm1相對(duì)增益系數(shù)3S22P11053S22P23S22P33S22P41043S22P53S22P61043S22P71053S22P81053S22P10105 諧振腔的穩(wěn)定條件激光器的諧振腔是由兩塊相距為L(zhǎng)，曲率半徑分別為球面的反射鏡組成。要使腔內(nèi)近軸傳播的光線(xiàn)多次來(lái)回反射不會(huì)逸出腔外，腔鏡的曲率半徑級(jí)腔長(zhǎng)必須滿(mǎn)足 （1）對(duì)平凹腔來(lái)說(shuō)，若R2＝∞，穩(wěn)定條件為0(1L/R1)1，則凹面鏡的曲率半徑必須大于腔長(zhǎng)。對(duì)于對(duì)稱(chēng)腔，R1＝R2＝R，穩(wěn)定條件為(1L/R)21，則反射鏡的曲率半徑必須大于腔長(zhǎng)的一半。由于相對(duì)小的曲率半徑對(duì)應(yīng)相對(duì)大的發(fā)射角，通常反射鏡的曲率半徑選擇2～5倍腔長(zhǎng)。 激光振蕩條件建立激光振蕩必須滿(mǎn)足光在增益介質(zhì)中來(lái)回運(yùn)行一次得到的增益足以補(bǔ)償運(yùn)行中的損耗，用公式表示為 （2）式中r1和r2分別為諧振腔兩鏡片上的反射率，La為增益介質(zhì)長(zhǎng)度，G為建立穩(wěn)定激光時(shí)介質(zhì)單位長(zhǎng)度的增益，叫閾值增益系數(shù)。aa為增益介質(zhì)內(nèi)的損耗，包括衍射損耗。兩鏡片總的反射率r與投射率t及吸收散射損耗as的關(guān)系有 （3） 諧振腔反射鏡諧振腔反射鏡鍍有多層光學(xué)介質(zhì)膜。％。％的高質(zhì)量介質(zhì)膜，使低增益激光譜線(xiàn)實(shí)現(xiàn)振蕩成為可能。介質(zhì)膜反射率帶寬（即波長(zhǎng)范圍）通常為1000左右，實(shí)驗(yàn)中涉及的九條激光譜線(xiàn)覆蓋的波長(zhǎng)范圍約2000，需使用兩種或三種不同波長(zhǎng)范圍的反射膜片。 腔內(nèi)棱鏡在諧振腔中插入色散棱鏡P，如圖1所示。由于棱鏡分光作用，對(duì)不同波長(zhǎng)其偏向角不同，諧振腔只能對(duì)其中一條譜線(xiàn)滿(mǎn)足振蕩條件，而其它波長(zhǎng)由于偏離諧振腔光軸，損耗大于增益不能起振。若要改變振蕩譜線(xiàn)，需把棱鏡和諧振腔調(diào)準(zhǔn)到使該譜線(xiàn)滿(mǎn)足振蕩條件的位置。棱鏡調(diào)諧波長(zhǎng)的方式基本上有兩種，一種是棱鏡的入射角不變，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同出射角，調(diào)諧波長(zhǎng)時(shí)，棱鏡保持不動(dòng)，只改變諧振腔反射鏡的方位，使相應(yīng)波長(zhǎng)的光束沿原路返回實(shí)現(xiàn)振蕩。另一種是棱鏡出射角不變，反射鏡相對(duì)棱鏡不動(dòng)，當(dāng)改變波長(zhǎng)時(shí)，使棱鏡和反射相對(duì)入射光做整體轉(zhuǎn)動(dòng)。后一種也可采用半棱鏡結(jié)構(gòu)，在半棱鏡的出射面上鍍有全反射介質(zhì)膜，取代諧振腔反射鏡。用半棱鏡優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)元件損耗小，缺點(diǎn)是棱鏡的角色散和角分辨減小了一半。本實(shí)驗(yàn)采用第二種方式的全棱鏡結(jié)構(gòu)。圖1 色散棱鏡的作用（1） 關(guān)于棱鏡材料與加工可見(jiàn)光波段HeNe激光譜線(xiàn)的增益是很小，每厘米約為103～105量級(jí)。在諧振腔內(nèi)插入色散棱鏡必然會(huì)增加腔內(nèi)損耗，因此在選擇棱鏡材料和加工時(shí)要盡可能減少損耗。棱鏡材料要求透明度高，色散大，熔石英的透明度很好，但色散不理想，可用在增益小而譜線(xiàn)間隔相對(duì)大的短波長(zhǎng)區(qū)。重火石玻璃在可見(jiàn)光區(qū)吸收比熔石英大好幾倍，但色散也比熔石英大幾倍。棱鏡表面加工光潔度在頂角A附件要求達(dá)到I級(jí)。（2） 棱鏡頂角的設(shè)計(jì)為了減少光束在棱鏡界面上的反射損耗，光束在棱鏡界面上的入射角應(yīng)是布儒斯特角θb，同樣從棱鏡出射的光束也是布儒斯特角，如圖2所示。從圖中光線(xiàn)的幾何關(guān)系可知棱鏡頂角A應(yīng)滿(mǎn)足 （5）式中為棱鏡材料內(nèi)的布儒斯特角，n0為棱鏡所用波段中心波長(zhǎng)的折射率。實(shí)驗(yàn)中提供了兩塊棱鏡供選用，一塊為熔石英，棱鏡頂角為A＝68186。55′，另一塊為重火石玻璃，棱鏡頂角為A＝61186。52′，,633為出射角，各種波長(zhǎng)相應(yīng)的入射角θλ可用下式求得： （6）式中nλ表示相應(yīng)波長(zhǎng)的折射率，其數(shù)值是根據(jù)文獻(xiàn)【2】給出的特征波長(zhǎng)折射率，用內(nèi)插法求得。兩塊棱鏡的數(shù)據(jù)分別由表2和表3給出。圖2 棱鏡光路表2 重火石玻璃棱鏡激光波長(zhǎng)與入射角的關(guān)系（A＝61186。52′）波長(zhǎng)λ/折射率nλ入射角θλ入射角改變量57186。35′1186。29′59186。0′4′′′59186。4′059186。6′+2′59186。17′+13′59186。20′+16′59186。28′+24′60186。10′+1186。6′表3 熔石英棱鏡激光波長(zhǎng)與入射角關(guān)系（A＝68186。55′）波長(zhǎng)折射率nλ入射角θλ入射角改變量55186。16′16′55186。31′′55186。32′′′0′′55186。37′5′55186。38′6′55186。41′9′55186。54′22′二、 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，圖中Las是氦氖氣體放電管，增益區(qū)長(zhǎng)1m，氦氖比例為5:1，總氣壓為250Pa，放電管兩端封窗為熔石英材料。圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意P為色散棱鏡，SP為棱鏡轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的最小分度為1′。M1，M2，M3為諧振腔反射鏡，分別裝在兩個(gè)調(diào)節(jié)自由度的鏡架上。如圖4所示，圖中M表示裝在鏡架上的反射鏡，a，b為把鏡架支撐在基座上的彈簧螺絲，A，B，C為鏡架微調(diào)螺絲，一般不調(diào)C，調(diào)節(jié)A鈕時(shí)鏡片M以CB連線(xiàn)為水平軸作微小轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)B鈕時(shí)M以CA為垂直軸作微小轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4 反射鏡調(diào)節(jié)架M1，M2組成輔助腔，M1為凹面全反射鏡，曲率半徑一般選擇2～3m，M2為平面鏡，反射率要求不嚴(yán)格，一般大于97％。首先在M1和M2之間調(diào)出6328激光，為調(diào)整棱鏡P和反射鏡M3提供準(zhǔn)直光線(xiàn)。M1和M3構(gòu)成帶棱鏡的可調(diào)諧波長(zhǎng)的諧振腔。M3的曲率半徑一般選擇3m以上。反射率取決于譜線(xiàn)增益及對(duì)輸出功率的要求，％的鏡片，適用于波長(zhǎng)大于6118的譜線(xiàn)，對(duì)波長(zhǎng)最短的三條譜線(xiàn)，％，尤其是5433譜線(xiàn)增益最低，對(duì)調(diào)節(jié)精度的要求也是最高的。W表示激光功率計(jì)，最小量程10μW，最大量程50mW。WDG表示W(wǎng)DG30型光柵單色儀，用來(lái)鑒別激光波長(zhǎng)。波長(zhǎng)精度為1，入縫處用毛玻璃減光，出縫處可用目鏡直接觀(guān)測(cè)。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求 諧振腔的調(diào)整（1） 諧振腔的調(diào)整偏差諧振腔的調(diào)整要使腔的光軸與放電毛細(xì)管的管軸基本重合，其偏差直接影響激光功率的大小。為了便于分析，把諧振腔的調(diào)整偏差分解為平行度偏差δ1和垂直度偏差δ2兩部分。以對(duì)稱(chēng)腔為例，腔鏡M1，M2的曲率中心，其連線(xiàn)為諧振腔的光軸，光軸相對(duì)管軸的距離為r，假設(shè)允許的最大偏差rm為毛細(xì)管直徑D的1/10，則平行度偏差δ1可用M1或M2鏡的偏斜角表示 （7）腔鏡的曲率半徑R越大，允許的平行度偏差越小，對(duì)調(diào)節(jié)的精度要求越高。圖5 平行度偏差示意圖6 垂直度偏差示意圖6給出垂直度δ2的示意，鏡M1，M2的曲率中心分別為，分布在管軸的兩側(cè)，位移量為r′，新的光軸為連線(xiàn)，這時(shí)M1與M2是相互平行的，只是光軸與管軸有一交角，假設(shè)毛細(xì)管長(zhǎng)等于腔長(zhǎng)L，光軸允許的最大偏差在鏡片上用rm表示，由圖中幾何關(guān)系可知。 （8） 諧振腔垂直度偏差δ2可用鏡片的偏角θ表示 （9） 用（8）式中的代入（9）式得 （10）（10）式表明當(dāng)腔鏡的曲率半徑比腔長(zhǎng)大時(shí)，允許的垂直度偏差比平行度偏差大。如果腔鏡的調(diào)節(jié)感量（或精度）比允許的垂直度偏差小，當(dāng)激光器調(diào)出激光后，還可以經(jīng)過(guò)精心的調(diào)節(jié)使垂直度偏差減小，從而使激光功率增強(qiáng)。 （2） 直腔激光器的調(diào)節(jié)方法直腔指腔內(nèi)沒(méi)有插入色散棱鏡的激光腔（如圖7(a)所示），調(diào)節(jié)時(shí)用到一種叫光靶的調(diào)整工具。光靶的結(jié)構(gòu)是一個(gè)帶手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字線(xiàn)并有小燈照明。調(diào)整時(shí)讓刻有十字線(xiàn)的一面對(duì)著激光器的一端，讓眼睛從光靶的背面通過(guò)小孔觀(guān)察處于放電狀態(tài)的毛細(xì)管，能夠看見(jiàn)在反射鏡膜片透光的背景上有一個(gè)直徑約為2－3mm的放電毛細(xì)管截面，顏色比周?chē)尘傲痢Ｈ绻】滋幵诿?xì)管軸線(xiàn)附近，在毛細(xì)管的截面內(nèi)還應(yīng)看見(jiàn)一個(gè)更亮的只有針尖大的亮點(diǎn)，這就是放電毛細(xì)管的軸心。(b)所示，上下左右調(diào)整光靶的位置，使小亮點(diǎn)處在毛細(xì)管截面的中心，這是光靶的小孔就處在毛細(xì)管的軸線(xiàn)上了。圖7 直諧振腔的調(diào)節(jié)下一步的調(diào)節(jié)要使反射鏡的光軸與這條軸線(xiàn)重合，如果反射鏡的法線(xiàn)與管軸偏離不遠(yuǎn)，在視場(chǎng)內(nèi)就可以看見(jiàn)通過(guò)反射鏡的十字線(xiàn)虛像。調(diào)節(jié)反射鏡架上兩個(gè)俯仰A和偏轉(zhuǎn)B螺絲（見(jiàn)圖4），使十字像的中心與毛細(xì)管截面中心亮點(diǎn)重合。這時(shí)反射鏡的法線(xiàn)與放電管軸線(xiàn)重合。用同樣的方法調(diào)節(jié)另一端反射鏡。如果上述步驟操作準(zhǔn)確，激光就會(huì)出現(xiàn)。若不出激光可多次重復(fù)上述步驟。仍無(wú)效時(shí)可如下操作，來(lái)回微調(diào)A鈕使十字線(xiàn)沿毛細(xì)管軸心上下掃描，當(dāng)兩鏡片接近時(shí)可觀(guān)察到軸心亮點(diǎn)變亮，把A鈕固定在使軸心最亮的位置上，用同樣的方法調(diào)B鈕。再調(diào)另一面反射鏡，只要出現(xiàn)中心亮點(diǎn)變亮的現(xiàn)象，調(diào)出激光就不難了。激光出現(xiàn)后移去光靶，放上功率計(jì)，再仔細(xì)調(diào)節(jié)兩個(gè)反射鏡架上的A，B鈕，直到激光功率最強(qiáng)。這時(shí)兩鏡片在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)是相互平行的，但很可能諧振腔的垂直度偏差還有較大的余量可供改善。使δ2減小的方法如下：設(shè)M1，M2鏡架上的調(diào)節(jié)螺絲分別為A1，B1和A2，B2，假設(shè)先調(diào)使腔鏡繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰螺絲A，令A(yù)1為主動(dòng)，則A2為隨動(dòng)，若順時(shí)針?lè)较蛭⒄{(diào)A1，使激光功率下降少許（不超過(guò)十分之一），再調(diào)A2，若激光功率上升說(shuō)明順時(shí)針?lè)较蛭⒄{(diào)A1是正確的，以上步驟可以繼續(xù)操作，直到調(diào)A2時(shí)激光功率不再上升。若一開(kāi)始調(diào)A2激光功率不上升，應(yīng)改為逆時(shí)針微調(diào)A1，重復(fù)上述方法。然后換調(diào)使腔鏡繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的螺絲B。令B1主動(dòng)，B2為隨動(dòng)，方法如前述，當(dāng)激光功率達(dá)到最大時(shí)，激光腔的光軸與管軸在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)達(dá)到了最佳狀態(tài)。（3） 帶色散棱鏡的激光腔調(diào)節(jié)方法如圖3所示，現(xiàn)在M1和M2之間調(diào)出激光并使輸出激光達(dá)到最強(qiáng)，再按以下要求操作：i) 棱鏡臺(tái)的調(diào)整圖8 棱鏡轉(zhuǎn)臺(tái)示意棱鏡臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，這是利用小型分光計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)改裝的，若自行設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用正交調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。圖中o表示棱鏡平臺(tái)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以從度盤(pán)上