光电信息专业实验教程

第1章　激光原理 1.1　气体激光器与激光模式分析 1.1.1　气体激光器 激光器利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射，激光器产生的激光在时间、空间上相位同步，因而相对于非相干光源，激光单色性好，亮度高。可以说，高功率激光的出现是光学、光谱学、电子学发展到一定阶段的产物，对科学技术各个领域产生了巨大和深远的影响。激光的出现导致了激光物理学、非线性光学、半导体光电子学、导波光学和相干光学等一系列新学科的涌现。激光的实际应用已涵盖长距离通信、光学雷达、光学加工、医疗、测量等诸多领域。 激光的理论基础是爱因斯坦发表的《关于辐射的量子理论》。该论文揭示了光与物质相互作用的本质，提出光的受激辐射光放大的概念，指明了获得激光的途径。通常情况下，粒子在各能态上的分布满足玻尔兹曼分布规律，即能态上的粒子数随着能量的升高按照指数规律衰减。泵浦源给激光工作物质提供能量，使处于基态的粒子获得能量被抽运到较高能量的激发态上，进而实现粒子数反转分布，方可产生受激辐射跃迁。泵浦源的泵浦方式主要有用强光或激光束直接照射工作物质的光激励方式、用气体放电中的快速电子直接轰击或共振能量转移的气体辉光放电或高频放电方式、直接电子注入实现粒子数反转的直接电子注入方式和通过化学反应释放能量的化学反应方式。 在工作物质中，高低能级间的受激辐射跃迁产生的光可沿着任意方向传输，这势必影响激光的频率、功率、发散角及相干性。因此为了减少振荡模式数，需要将工作物质放入谐振腔中。常见的谐振腔由一对反射镜构成，腔长和反射镜的曲率决定了谐振频率和激光输出的稳定性。一个完整的激光器由光学谐振腔、工作物质以及激励系统或泵浦源构成。根据激光物质的不同，激光器可分为固体激光器、液体激光器和气体激光器。固体激光器是以固体为工作物质，半导体激光器是以半导体为工作物质，而液体激光器则是以液体为工作物质。 气体激光器是利用气体作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源组成。在适当放电条件下，利用电子碰撞激发或者能量转移激发，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，从而形成与某低能级间的粒子数反转，产生受激发射跃迁。气体激光器的工作物质包括气体原子、分子、准分子和离子在内的气体或蒸气等。**台气体激光器是以氦氖混合气体为工作物质，它获得了1.15m红外光连续振荡输出。 光辐射可以是电子能级之间、振动能级之间和转动能级之间的电子跃迁产生，所以气体激光器有原子激光器、离子激光器和分子气体激光器等多种类型。常用的气体激光器有氦氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氮分子激光器、准分子激光器和金属蒸气激光器等。氦氖（He-Ne）激光器是典型的原子激光器，也是目前应用*广泛的激光器。He-Ne激光器的激光谱线由原子能级之间的跃迁产生。二氧化碳（CO2）激光器是典型的分子激光器，其主要特点是输出功率大。这类激光器的连续输出功率已超过几十万瓦，能量转换效率高达39%，并且输出波长10.6m正好处于大气窗口，大气吸收较小，这对于激光在大气通信中的应用极为有利。CO2激光器的激光谱线由分子转动能级之间的跃迁产生。氩离子激光器是典型的离子激光器，可输出波长为488nm和514.5nm的蓝绿可见光，此类激光器非常适合信息的存储和探测。 1.1.2　He-Ne激光器的装配与调试实验 1. 实验目的 （1）了解气体激光器的工作原理。 （2）掌握激光谐振腔的调节方法。 （3）能灵活调试和装配He-Ne激光器。 2.实验原理 密封在玻璃管里的氦气和氖气组成He-Ne激光器的工作物质，输出镜与全反镜组成光学谐振腔。毛细管内按一定气压充以适当比例的氦和氖混合气体形成He-Ne激光器的增益介质。在电流激励下，快速电子把自身的动能转化为Ne原子的激发能。纯Ne原子通过电子激励，可产生粒子束反转，但增益非常小，输出功率仅为微瓦量级。当放电管内加入He原子时，混合气体在电流激励下可大大提高Ne原子的粒子束反转程度，输出功率明显增大。图1.1.1给出了He原子和Ne原子的部分能级图，左边为He原子的能级图，右边为Ne原子的能级图。 由图1.1.1不难发现，Ne原子的3s能级与He原子的亚稳态21S0能级非常接近，它们都可以通过电子激发方式由基态激发获得，并且两者的能量可以共振转移，因此亚稳态的He原子起到了转移电子能量的媒介作用，而Ne原子则是获得粒子数反转的主要激发机制。Ne原子在可见和红外区域内产生许多条激光谱线，*重要的是632.8nm、1.15m和3.39m三条原子光谱。当然不同的谱线之间存在强烈的竞争关系，为了获取其中一个波长的增益而抑制其他波长，常在腔内放置棱镜，利用棱镜色散使其他谱线失谐，或者沿放电管方向加上不均匀的磁场也可使其他谱线增宽而降低增益。 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。谐振腔的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。只有谐振腔的损耗小于介质的增益时才能建立激光振荡。内腔式He-Ne激光器的腔镜封装在激光管两端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、输出镜及全反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输出镜与全反镜之间的平行度，激光器工作时输出镜与全反镜相互平行且与放电管垂直。图1.1.2给出了外腔式He-Ne激光器的结构示意图。在激光管的阴极、阳极上加上直流电源，放电管中的氦和氖混合气体便可实现受激辐射。为防止激光管在放电时出现闪烁现象，常在阴极和阳极上串接镇流电阻。此外，为了获得线偏振光输出，常在放电管的两端放置布儒斯特窗。 3.实验仪器 He-Ne激光器的调试实验中实验仪器包括充有氦和氖混合气体的放电管、激光直流电源、布儒斯特窗、两腔镜、镜片压圈、激光管可调节支架、功率计、螺丝刀、十字叉丝板和偏振片等。实验装置如图1.1.2所示，实验时首先松开调节支架的螺丝，将放电管放置在调节架上，用螺丝固定并调整放电管使其水平。然后放入两腔镜，用镜片压圈固定。打开电源出光后放置布儒斯特窗。 4.实验内容 1）He-Ne激光器的装配 可用十字叉丝法将He-Ne激光器的输出镜与全反镜调至平行。首先将充有氦和氖混合气体的放电管放在可调节支架上，固定放电管调直游丝，将激光管的阴极和阳极与激光电源相连。将带有小孔的十字叉丝板放置在激光器的后端，打开He-Ne激光器电源，使放电管处在工作状态。放置前腔镜和后腔镜，调节放电管调直游丝，用眼睛在十字叉丝板背后通过小孔观察放电管，可看到放电管内的亮白点，调节十字叉丝板高度和左右位置，使亮白点与出光孔同心，固定十字叉丝板。 2）He-Ne激光器的调试 用白炽灯照射十字叉丝板，在十字叉丝板背后通过小孔观察放电管和十字叉丝板的反射像，调节谐振腔镜螺丝的调节旋钮，使十字叉丝中心与亮白点以及出光孔同心即可出光。用功率计测量激光输出，同时调节激光器后端的全反镜调节旋钮，使激光输出*大。在放电管的两端放置布儒斯特窗，借助偏振片，观察并记录输出的激光偏振态。激光调试完毕后，盖好防尘外壳。 1.1.3　He-Ne激光器的激光输出模式分析实验 1.实验目的 （1）理解He-Ne激光器的激光输出模式。 （2）掌握激光模式分析和测量方法。 （3）灵活运用法布里-珀罗（F-P）扫描干涉仪测量激光参数。 2. 实验原理 激光器的增益介质在某种激励方式下可在高低能级间形成粒子数反转分布，进而产生激光辐射光谱。然而由于能级有一定宽度以及自发辐射和受激辐射的作用，粒子在谐振腔内的运动还受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是由自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽叠加而成，因此输出光不是单一频率的。不同类型的激光器因工作条件不同，上述影响有主次之分，例如低气压、小功率的He-Ne激光器输出的632.8nm谱线则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz。只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大，但只有单程放大还不足以产生激光。此时需要谐振腔对它进行光学反馈，使一定频率的光波在谐振腔中多次往返传播才能形成稳定持续的振荡。因此只有频率满足谐振条件的激光方可从激光器中出射。 激光谐振腔理论证明方形孔径稳定球面腔输出模式的谐振频率为 （1.1.1） 而圆形孔径的稳定球面腔输出模式的谐振频率为 （1.1.2） 以上两式中，，和为谐振腔的两个反射镜的曲率半径，L是谐振腔腔长，c是真空中的光速，??是增益介质折射率，m、n和q均为正整数。对于气体激光器来讲，增益介质折射率??近似为1。每一个q对应一种纵模，因此q称作纵模序数。由以上两式不难看出，相邻两个纵模的频率间隔为 （1.1.3） 显然相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比。谐振腔越长，纵模的频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数也越多。相反地，谐振腔越短，纵模的频率间隔越大，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数就越少，因而短腔长的激光器可获得单纵模输出。 由公式（1.1.1）和（1.1.2）还可以看出，激光器的输出频率还与两整数m和n有关，这两个整数对应激光的横模。光每经过放电毛细管反馈一次就相当于一次衍射，多次反复衍射就在横向同一波腹处形成一个或多个稳定的干涉光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布。激光器输出的横向电磁场可标记为TEMmn。激光器产生的横模个数与增益、放电毛细管的粗细以及腔内损耗等有关。一般说来，放电管直径越大出现的横模个数就越多。横模序数越高，衍射损耗越大。当然横模序数越大，谐振频率越高。 结合纵模序数不难确定方形孔径稳定球面腔内不同的横模间的频率差满足 （1.1.4） 从上式可以看出，相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定。腔长与曲率半径的比值越大，分数值越大。当腔长等于曲率半径时，即L =R1=R2，分数值达到极大，此时谐振腔为共焦腔。图1.1.3给出了方形镜共焦腔和圆形镜共焦腔不同横模的强度图样。 图1.1.3　激光器的横模模式 图1.1.3（a）是方形镜共焦腔横模的强度图样，m是沿x轴场强为零的节线数，n是沿y轴场强为零的节线数，图1.1.3（b）是圆形镜共焦腔横模的强度图样，m是沿辐角方向的节线数目，n是沿径向r方向的节线数目。 图1.1.4给出了输出频率和纵模的频谱图关系。频谱图中可能看到不同的m和n值以及它们的差值m和n。对于相同的m+n值，其中m或n可以取不同的值，q值改变1对应的频率相同。图中给出了横模的一个或几个单一态图形的组合叠加图。根据频谱图、横模的个数及彼此强度关系能准确地定位每个横模的m和n值。