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1、东南大学实验报告课程名称：光电子物理基础实验名称:激光增益测量、He-Ne激光纵横模及线宽测量院（系）：电子科学与工程学院专 业：电子科学与技术姓 名：学 号：实验室：实验时间：评定成绩：审阅教师：实验一：激光增益的测量匹1=1一、1.2.3.实验目的掌握用腔内损耗法测量激光参数的原理和方法。根据自动测试系统测得的曲线，取适当的数据，编写程序，利用计算机进行计算。通过对激光器增仪等参数的测量，对激光器的工作过程有进一步的了解。二、实验原理在激光器中，小信号增益系数g。、饱和光强Is、腔内损耗a和最佳输出率Topt等是决定 激光器工作特性的重要参数，它们均可由实验测得，而这些参数的测量均与增益系
2、数的测量一、八 L I有关。由增益系数的定乂： G = -1-2（1）L JL1我们可以方便的利用一个激光器和一个与激光器充同样工作物质的放大管直接测出如 12。由放大管的长度计算出增益系数。但对于本实验所要测量的He-Ne激光管的增益系数， 由于探测过程中，荧光光强的贡献不能忽略，造成很大的误差。所以本试验采用的是腔内损 耗法测量He-Ne激光器的增益。因而可以消除这一误差因素，其测量装置的原理图如图1 所示图1在两个全反射镜组成的外腔式He-Ne激光器内，置一透明的平行平板作为反射器，该反 射器与腔轴相交成某一角度，在满足振荡条件的情况下，反射器两边有一定功率的激光输出。反射器单个表面对0
3、.6328 u m的光的反射率R是入射角中的函数，由菲涅尔公式得(2)tg 2P- sin-1(sin 甲 / n)K(W)tg 2甲 + sin -i (sin 甲 / n)其中n为平行材料对激光波长的折射率。（本实验中所用平板玻璃对入二0.6328 Um光的折 射率为1.515）。理论推导证明：在不考虑反射器本身的吸收和散射时，反射器的输出率（即来回一次在 反射器表面反射的光强于入射光强之比）表示为：(3)若将反射器绕与激光束相垂直，同时也与放电管布氏窗的发现相垂直的轴线旋转，入射 角中将连续地变化，因此，该反射器将起一个反射率可变的平面耦合输出镜的作用。定义a为激光腔除输出率以外的光学损
4、耗（往返一次），成为内损耗，L为激活介质的长 度，g。为小信号增益系数，Pout为耦合输出功率，Ps为饱和功率，由于本实验管较长，使纵 模间隔小于碰撞增宽的宽度，因而其增益饱和遵循均匀综型激光器规律，故：P PT（斜 1）（4）out sT由此式可知，激光器有一最佳输出率Topt,这时相应的有最大输出功率，由P/ T 0, 得Topt （2g0L）/2（5）旋转反射器，增加输出率T,从而增加谐振腔的总损耗（+T）梗激光刚好熄灭，这时满足：T P （2牛1） 0g s Tg七为阈值输出率，从而得到：2g0LTg（6）解（5和（6组成的方程组得：2g0L 2P2（7）gopt所以要测得最佳输出率T
5、opt，再测得阈值输出率七由式可得到激光器的增益，再由（6） 式可计算得腔内损耗。由式（4）得：T2(2g0L)T Ps得两根七t2。则：T1T22gPPs(10)由(9),(10)得：T1(T1t(2g0L) 0(11)由（10）,（11）两个线性方程可以作出直线，（如图2）图2由“ 七对T1 T2所作直线的斜率可以确定腔内损耗，再由P对T1 T2所作直线的斜率可以确定饱和功率？，则由I 1.26P / 2可以求得饱和光强。（式中 为腰粗）。sssoo另外由式（9）可以计算出小信号增益系数g。根据这一原理，在实验时对于每一个输出功率P,可在最佳透过率两侧找到所对应输出功 率的两个输出率T1和
6、T2,从而有作图计算可得到参量a，Is和g0。图3为平行平板转动过程中，计算机采集记录的输出曲线。P为反射器两边反射功率之 和，中为入射角，中B为布儒斯特角，其值为56.2，中列为最佳输出率对应的入射角，中g 为阈值输出率对应的入射角。%您图3三、实验步骤1. 开启激光器电源开关，缓慢旋转可调变压器直至点燃激光管，约190210伏左右。 激光器工作电流调节在13-14 mA （不可过大）。预热30分钟左右。2. 轻轻掀起激光器观察窗口盖至近90度位置。观察激光器是否已经输出激光，如果在 分束片上未见到细约1 mm的红色激光输出，请老师调整（学生不许擅自调整）。确 认有激光输出方可进入测试环节。
7、3. 在计算机显示器桌面上，找到“He-Ne激光增益实验”文件夹”，找到“hene.exe” 点击，进入“激光增益测量实验”系统。4. 点击“初始化”按钮，步进电机开始带动平行平板玻璃片转动、扫描；该过程可以 从观察窗口中观察到。5. 确认步进电机停止转动后，点击“增益曲线”按钮，可以从坐标图中观察到有波峰 的曲线图。同时步进电机带动平行平板玻璃片转回最佳输出位置。6. 点击“数据存储”按钮，可以把实验数据存储到自带的软盘或U盘。激光功率的单 位是毫瓦。该数据可以用Origin、Matlab、Excell等程序处理画出曲线。7. 存储完毕后，点击“退出”按钮，退出实验程序。通过观察窗可以看到，
8、激光器仍 然有红色激光输出。8. 将激光器电源的可调电压旋转到零位置，然后关闭电源开关。四、实验结果1.使用MATLAB作图：实验得到的.dat文件用MATLAB打开clc;clear;data = load(d2.dat);plot(data(:,1),data(:,2);由测量数据使用MATLAB作出反射器两边反射功率之和P与入射角中之间的关系曲线如下:由上图直接读出相关参数:中=50.6中广53.52.编写MATLAB代码求解小信号增益系数和腔内损耗等参数:函数：function g=func(fi)fi=fi*pi/180;x1二tan(fi(1)-asin(sin(fi(1)/1.5
9、15);x2二tan(fi(1)+asin(sin(fi(1)/1.515);y1=tan(fi (2)-asin(sin(fi(2)/1.515);y2=tan(fi(2)+asin(sin(fi(2)/1.515);Rg=x1*x1/(x2*x2);Ropt二y1*y1/(y2*y2);Tg = 1-(1-Rg)/(1 + Rg)人2;Topt=1-(1-Ropt)/(1 + Ropt)人2;g0=0.5*(Tg-Topt)人2)/(Tg-2*Topt);a=2*g0-Tg;g = g0,a;程序:g=func(50.6,53.5);计算结果如下：=0.0039o=0.00733. MAT
10、LAB 代码f11 = input(输入第一组f1的值：)；f21 = input(输入第一组f2的值：)；P1 = input(输入第一组P的值：);T11=T(f11);T21=T(f21);f12 = input(输入第二组f1的值：)；f22 = input(输入第二组f2的值：)；P2 = input(输入第二组P的值：);T12=T(f12);T22=T(f22);Ps二P1*af/(T11*T21) g0=(T11+T21+af+P1/Ps)/(2*l)可以得到：P亍7023.6Jgo =0.0073因此PT T和T + TT T的关系为:121212P T1 T2T + T =
11、 2g l a 12 oa4.根据经验公式计算得到go = 3 x 10-4 /d = 0. 15误差很大分析误差可能由以下几个原因引起的： 验室的环境引起光路的损耗太大，由此得出的实验值偏小。 反射镜表面不洁净，导致激光器的损耗过大，由此得出的实验值偏小。 计算过程误差等。 实验仪器本身有误差。实验二：纵横模及线宽测量一、实验目的1. 掌握高斯光束强度分布的测量2. 掌握高斯光束发散角的测量3. 掌握F-P标准具、F-P扫描干涉仪的原理和使用方法4. 掌握He-Ne激光器纵横模模式的观察和测量5. 掌握多光束干涉法测量激光线宽的原理及方法二、实验原理1. 激光横模的观察和测量为了简单起见，我
12、们只讨论基模，即TEM00模，这个基模的光斑形状为图1所示。、 A , X 2 + V 2、这个模的电矢量E的振幅为：A(X, V，z) =)exp(-孔) w( z)w2(z )这种光场分布是高斯光束，所以成这样的光束为高斯光束。如果记P 2 = x2 + V2AP 2w( z )w 2( z )则 A(P,z)exp(-一)当P=0，z=0时(即束腰的中心)，电矢量振幅A得知最大，为A(0,0) = A / w而当气=w通常将电矢量振幅降到中心值的1/e处时的径向距离称为光斑半径，用w(z)表示，w(z) 作为光斑大小的量度，w为z=0处的光斑半径，通常称之为激光光束的腰粗。在实际测量中，
13、都是测量光强，因为光强与电矢量振幅之间的关系为：IaA2所以激光束的横向光强分布为：I(P,z) = A2(p,z) = -A2 exp( 2P2 ) = I (z)exp( 2p2 )w( z)w 2( z)0w 2( z)当p=0时，I(0,z)礼(z)可以测出谐振腔轴上(即光斑中心)的光强随着光束不同位置 时的值。2 P 2、当 z 值固定时，I(P,z) = I (z)exp(-一) 0w 2( z)这样可以测出，随着径向不同位置P时的光强值。光强随P而改变的关系由纪录仪直接 给出，如图2。由光强的高斯分布曲线(图2)可以找出光强下降到光斑中心光强的1/e2处位置，这点 离光斑中心的距
14、离就为该处的光斑半径W。可以由w与束腰w0之间的关系式求得w0,/ 、 I /人z、r其关系式为 w(z) = W01 + (一-)21/20激光光束尽管方向性很好，但也不是理想的平行束，而具有一定的发散角。根据发散角 定义：2 2穿dz将(4)式代入(5).，并当z=8时，可以求出2。= Z立丸w0此为远场发射角的表达式。可以通过求得得w0来计算。也可以测出不同z之间光束的发散角，测量方法为：分别测出z】、z2两处的光斑半径 w(z). w(z2)，那么可以直接标出光束的发散角，如图3。W0Z图3tg (29 ) = 2 W(z2)项乎 z2 - zi则 29= tg -12 w(z2)-w
15、(zi)z2 - zi激光的横模测量原理：由马达驱动的前面开小孔的硅光电池沿光束径向逐点扫描，测得不同P处的光强，将硅光电池的信号输入计算机，得到光强沿径向的分布曲线。如图4。硅光电池图5图42. 激光纵模的观察和测量激光谐振腔能起到频率选择器的作用，在没有谐振腔时，在发光原子荧光线宽范围内均 有光谱线出现，但光谐振腔存在时，只有满足谐振条件并落在线宽范围内的谱线才能振荡输 出，谐振条件要求光波在腔内走一个来回时位相改变是2 n的整数倍，这样可以求出谐振频其中U为折射率，C为真空中光速，L为腔长，q为正整数。 因此，由于相邻纵模间隔为：Av =L 2 L当L足够长时，会出现多纵模，（c）为三个
16、纵模振荡时的激光谱线。由于纵模数q是一个很大的数值，所以一般的观察方法是无法鉴别纵模的，可以采用 F-P扫描干涉仪进行观察。F-P扫描干涉仪的原理图如图6所示：图6其中P1、P2为F-P扫描干涉仪反射镜平板，L为聚焦透镜，D为光电接收器，G为锯齿 波电压发生器，M为反射镜驱动装置。F-P扫描干涉仪的简单工作原理为：由干涉仪两反射镜间距离固定时，则透过仪器的频 率也固定不变，只有入射频率等于的V”光才能通过，反之，若要使某一定值波长的光通过 干涉仪，则应改变其间距，以满足要求。能通过F-P扫描干涉仪的频率为Vm = m -其中U为折射率，d为F-P的间距，。为进入F-P的光线与法线的夹角，m为正
17、整数。当d改变时，能通过F-P干涉仪的频率亦改变，因而，若是干涉仪的一个反射镜固定， 另一个反射镜安在压电陶瓷上，当加上一定的锯齿波电压后，使之可匀速平移，镜间距匀速 改变时，能透过F-P干涉仪的频率亦连续改变，使入射光按大小次序一一通过，从而鉴定出 入射光的光谱成分，透过光经光电元件转换成电信号，再从示波器和计算机上直接读出。3.激光线宽的测量激光器输出的光束具有单色性、高亮度、高方向性和高相干性的特点，正是由于它的高 相干性，使之在测量、全息的技术中得到广泛的应用。但是，虽然激光的单色性很好，她仍 无可避免的存在着一定的线宽。理论计算表明，单纵模激光器的线宽极限为：. N2r (Av )2
18、hvAv =2 cN 2 - N1七其中：N2,N1分别是激光上下能级的粒子数密度，AVc是无源谐振腔的线宽。这是激光 线宽的极限值，数量级一般为10-3赫。实际上，由于各种因素所引起的纵模频率漂移，以及 各种因素引起的谱线增宽，使得激光线宽远远大于这一量值。激光线宽是表征激光特征的一 个重要的参数，它反映激光辐射的单色性和相干性。由于应用上的需要，测量激光线宽成了 激光参数测量中的重要课题。由于各种激光器输出特性以及线宽数量级各不相同，因而可采 取不同的线宽测量方法：线宽较窄时，利用多光束干涉法测量，并根据激光输出谱线的波长 及是否为脉冲输出，采取不同的记录方法或探测方法：对于数量级在兆赫以
19、下的谱线宽度， 可以用拍频和外差技术测量。本实验是利用多光束干涉法测量He-Ne激光线宽的。实验装置如图7所示：职-职激光器APHI I H八-P标准具V Ll光屏图7图1L1位发散透镜，L2为长焦距会聚透镜。由He-Ne激光器输出的激光束经发散透镜发散后均匀地照在F-P标准具上，由于F-P标 准具两个镀膜平面是平行的，且此时所用的光源为扩展光源，所以，将产生等倾干涉。由物理光学知：光通过标准具后出现亮条纹（相干加强）的条件是：2nLcos= m式中n为F-P标准具的折射率，L为F-P标准具的间隔，0为在两镀膜平面间反射光与 平面法线的夹角，m为干涉级次。有F-P产生多光束干涉后经会聚透镜会聚
20、，在其焦平面上得到一组同心干涉环，将卸下 镜头的照相机感光底片置于焦平面位置进行照相，便可得到干涉环的照片。由（2）是可以看出：在同一干涉级次，不同的入，就对应于不同的。角，因而，当入 射光具有线宽入时，对同一级干涉环，。有一变化范围A。，从而在感光底片上得到的干 涉环半径也有一个变化范围Ar。对（2）式两边微分得：一 2nd sin0d0 = mdk2nd sin 9d0人 sin 9d 人=一d9 = Ktg9d9mcos 9即 AX = Xtg0A0如图8所示d1，d2分别为第m级干涉条纹内外直径，在近中心处：d1/2 fd 一 d212d 一 d贝 U A9 = .x 1(di/2)2
21、 + f 22fc . d d 一 d . （d + d ） - （d 一 d ） . d 2 d 2将（4） （5）代入（3）式得AX =人彳 21 x X 22=人.12 f2f8f28f2根据式（6）:测量底片上近中心条纹的同级干涉环内外直径d1，d2并根据测得的长焦距透 镜焦距，就可计算出激光的线宽。三、实验结果：1、激光横模测量实验画图：clc;clear;data = load(d1.dat);plot(data(:,1),data(:,2);根据数据作出光强径向分布曲线如下:由上图可知：光斑半径为0.62mm。2、激光线宽测量拍摄得到的干涉条纹图像如下:通过对光斑图的分析并利用原理中的公式可以得出激光线宽，计算过程如下:其中 f=150mm，d2=8.7mm，d1=7.6mm 因此计算得到* =0.0616 nm
