【正文】 光學(xué)與激光實驗 實驗講義華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院光學(xué)與激光實驗?zāi)? 錄實驗一 氦氖多譜線激光器 E3實驗二 腔內(nèi)選頻單縱模HeNe激光器 E14實驗三 HeNe激光器諧振腔調(diào)整及外參數(shù)測量 E23實驗四 聲光調(diào)制鎖模激光器 E37實驗一 氦氖多譜線激光器在增益管長為1m的外腔式HeNe激光器中，用腔內(nèi)插入色散棱鏡選擇譜線的方法，在可見光區(qū)分別使氖原子的九條譜線產(chǎn)生激光振蕩。實驗要求掌握HeNe多譜線激光線器的工作原理及腔型結(jié)構(gòu)的特點；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；測量各條激光譜線的波長；找出各條譜線的最佳放電電流及測量最大輸出功率。一、 實驗原理一臺激光器除激勵電流外主要由兩部分組成，一是增益介質(zhì)；二是諧振腔。對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管內(nèi)按一定的氣壓充以適當比例的氦氖氣體，當氦氖混合氣體被電流激勵時，與某些譜線對應(yīng)的上下能級的粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益。介質(zhì)增益與毛細管長度、內(nèi)徑粗細、兩種氣體的比例、總氣壓以及放電電流等因素有關(guān)。對諧振腔而言腔長要滿足頻率的駐波條件，諧振腔鏡的曲率半徑要滿足腔的穩(wěn)定條件?？傊坏膿p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，增益隨激光強度增加而減小。初始建立激光振蕩時增益大于損耗，隨著激光的增強而增益逐漸減小直到增益等于損耗時才有持續(xù)穩(wěn)定的振蕩。穩(wěn)定振蕩時的增益叫閾值增益，初始的增益叫小信號增益。小信號增益與閾值增益之差越大，腔內(nèi)的激光強度越強，對小信號增益很低的激光譜線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。在可見光區(qū)激光譜線的小信號增益系數(shù)在氦氖混合氣體的增益管中氖原子的3S2能級對2Pi（2Pi是2P1，2P2，…，2P8，2P10九個能級的簡稱，3S22P9的躍遷是違禁的）九個能級之間能夠產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益，九條譜線的小信號增益系數(shù)G0如表1所示。測量時各譜線的放電電流值不相同；表中相對增益系數(shù)是用用光譜相對強度研究氦氖放電管的增益特性的裝置測得的，各譜線的放電電流相同。表1 HeNe 3S22Pi譜線的小信號增益系數(shù)躍遷能級激光波長小信號增益系數(shù)G0/cm1相對增益系數(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，曲率半徑分別為球面的反射鏡組成。要使腔內(nèi)近軸傳播的光線多次來回反射不會逸出腔外，腔鏡的曲率半徑級腔長必須滿足 （1）對平凹腔來說，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。對于對稱腔，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的一半。由于相對小的曲率半徑對應(yīng)相對大的發(fā)射角，通常反射鏡的曲率半徑選擇2～5倍腔長。 激光振蕩條件建立激光振蕩必須滿足光在增益介質(zhì)中來回運行一次得到的增益足以補償運行中的損耗，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)長度，G為建立穩(wěn)定激光時介質(zhì)單位長度的增益，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，使低增益激光譜線實現(xiàn)振蕩成為可能。介質(zhì)膜反射率帶寬（即波長范圍）通常為1000左右，實驗中涉及的九條激光譜線覆蓋的波長范圍約2000，需使用兩種或三種不同波長范圍的反射膜片。 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，對不同波長其偏向角不同，諧振腔只能對其中一條譜線滿足振蕩條件，而其它波長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，需把棱鏡和諧振腔調(diào)準到使該譜線滿足振蕩條件的位置。棱鏡調(diào)諧波長的方式基本上有兩種，一種是棱鏡的入射角不變，不同波長對應(yīng)不同出射角，調(diào)諧波長時，棱鏡保持不動，只改變諧振腔反射鏡的方位，使相應(yīng)波長的光束沿原路返回實現(xiàn)振蕩。另一種是棱鏡出射角不變，反射鏡相對棱鏡不動，當改變波長時，使棱鏡和反射相對入射光做整體轉(zhuǎn)動。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)點是調(diào)節(jié)元件損耗小，缺點是棱鏡的角色散和角分辨減小了一半。本實驗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光波段HeNe激光譜線的增益是很小，每厘米約為103～105量級。在諧振腔內(nèi)插入色散棱鏡必然會增加腔內(nèi)損耗，因此在選擇棱鏡材料和加工時要盡可能減少損耗。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間隔相對大的短波長區(qū)。重火石玻璃在可見光區(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附件要求達到I級。（2） 棱鏡頂角的設(shè)計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。從圖中光線的幾何關(guān)系可知棱鏡頂角A應(yīng)滿足 （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的折射率。實驗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)波長的折射率，其數(shù)值是根據(jù)文獻【2】給出的特征波長折射率，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與入射角的關(guān)系（A＝61186。52′）波長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與入射角關(guān)系（A＝68186。55′）波長折射率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、 實驗裝置實驗裝置如圖3所示，圖中Las是氦氖氣體放電管，增益區(qū)長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 實驗裝置示意P為色散棱鏡，SP為棱鏡轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺的最小分度為1′。M1，M2，M3為諧振腔反射鏡，分別裝在兩個調(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鈕時鏡片M以CB連線為水平軸作微小轉(zhuǎn)動，調(diào)B鈕時M以CA為垂直軸作微小轉(zhuǎn)動。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提供準直光線。M1和M3構(gòu)成帶棱鏡的可調(diào)諧波長的諧振腔。M3的曲率半徑一般選擇3m以上。反射率取決于譜線增益及對輸出功率的要求，％的鏡片，適用于波長大于6118的譜線，對波長最短的三條譜線，％，尤其是5433譜線增益最低，對調(diào)節(jié)精度的要求也是最高的。W表示激光功率計，最小量程10μW，最大量程50mW。WDG表示W(wǎng)DG30型光柵單色儀，用來鑒別激光波長。波長精度為1，入縫處用毛玻璃減光，出縫處可用目鏡直接觀測。三、 實驗內(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。以對稱腔為例，腔鏡M1，M2的曲率中心，其連線為諧振腔的光軸，光軸相對管軸的距離為r，假設(shè)允許的最大偏差rm為毛細管直徑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，這時M1與M2是相互平行的，只是光軸與管軸有一交角，假設(shè)毛細管長等于腔長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）式表明當腔鏡的曲率半徑比腔長大時，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，當激光器調(diào)出激光后，還可以經(jīng)過精心的調(diào)節(jié)使垂直度偏差減小，從而使激光功率增強。 （2） 直腔激光器的調(diào)節(jié)方法直腔指腔內(nèi)沒有插入色散棱鏡的激光腔（如圖7(a)所示），調(diào)節(jié)時用到一種叫光靶的調(diào)整工具。光靶的結(jié)構(gòu)是一個帶手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字線并有小燈照明。調(diào)整時讓刻有十字線的一面對著激光器的一端，讓眼睛從光靶的背面通過小孔觀察處于放電狀態(tài)的毛細管，能夠看見在反射鏡膜片透光的背景上有一個直徑約為2－3mm的放電毛細管截面，顏色比周圍背景亮。如果小孔處在毛細管軸線附近，在毛細管的截面內(nèi)還應(yīng)看見一個更亮的只有針尖大的亮點，這就是放電毛細管的軸心。(b)所示，上下左右調(diào)整光靶的位置，使小亮點處在毛細管截面的中心，這是光靶的小孔就處在毛細管的軸線上了。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重合，如果反射鏡的法線與管軸偏離不遠，在視場內(nèi)就可以看見通過反射鏡的十字線虛像。調(diào)節(jié)反射鏡架上兩個俯仰A和偏轉(zhuǎn)B螺絲（見圖4），使十字像的中心與毛細管截面中心亮點重合。這時反射鏡的法線與放電管軸線重合。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確，激光就會出現(xiàn)。若不出激光可多次重復(fù)上述步驟。仍無效時可如下操作，來回微調(diào)A鈕使十字線沿毛細管軸心上下掃描，當兩鏡片接近時可觀察到軸心亮點變亮，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，再仔細調(diào)節(jié)兩個反射鏡架上的A，B鈕，直到激光功率最強。這時兩鏡片在調(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)動的俯仰螺絲A，令A(yù)1為主動，則A2為隨動，若順時針方向微調(diào)A1，使激光功率下降少許（不超過十分之一），再調(diào)A2，若激光功率上升說明順時針方向微調(diào)A1是正確的，以上步驟可以繼續(xù)操作，直到調(diào)A2時激光功率不再上升。若一開始調(diào)A2激光功率不上升，應(yīng)改為逆時針微調(diào)A1，重復(fù)上述方法。然后換調(diào)使腔鏡繞垂直軸轉(zhuǎn)動的螺絲B。令B1主動，B2為隨動，方法如前述，當激光功率達到最大時，激光腔的光軸與管軸在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)達到了最佳狀態(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到最強，再按以下要求操作：i) 棱鏡臺的調(diào)整圖8 棱鏡轉(zhuǎn)臺示意棱鏡臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，這是利用小型分光計的轉(zhuǎn)臺改裝的，若自行設(shè)計應(yīng)考慮采用正交調(diào)節(jié)機構(gòu)。圖中o表示棱鏡平臺轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動角度可以從度盤上