光電信息專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教程 節(jié)選

第1章　激光原理 1.1　氣體激光器與激光模式分析 1.1.1　氣體激光器 激光器利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射，激光器產(chǎn)生的激光在時(shí)間、空間上相位同步，因而相對(duì)于非相干光源，激光單色性好，亮度高。可以說(shuō)，高功率激光的出現(xiàn)是光學(xué)、光譜學(xué)、電子學(xué)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，對(duì)科學(xué)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大和深遠(yuǎn)的影響。激光的出現(xiàn)導(dǎo)致了激光物理學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)和相干光學(xué)等一系列新學(xué)科的涌現(xiàn)。激光的實(shí)際應(yīng)用已涵蓋長(zhǎng)距離通信、光學(xué)雷達(dá)、光學(xué)加工、醫(yī)療、測(cè)量等諸多領(lǐng)域。 激光的理論基礎(chǔ)是愛(ài)因斯坦發(fā)表的《關(guān)于輻射的量子理論》。該論文揭示了光與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)，提出光的受激輻射光放大的概念，指明了獲得激光的途徑。通常情況下，粒子在各能態(tài)上的分布滿(mǎn)足玻爾茲曼分布規(guī)律，即能態(tài)上的粒子數(shù)隨著能量的升高按照指數(shù)規(guī)律衰減。泵浦源給激光工作物質(zhì)提供能量，使處于基態(tài)的粒子獲得能量被抽運(yùn)到較高能量的激發(fā)態(tài)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，方可產(chǎn)生受激輻射躍遷。泵浦源的泵浦方式主要有用強(qiáng)光或激光束直接照射工作物質(zhì)的光激勵(lì)方式、用氣體放電中的快速電子直接轟擊或共振能量轉(zhuǎn)移的氣體輝光放電或高頻放電方式、直接電子注入實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的直接電子注入方式和通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋放能量的化學(xué)反應(yīng)方式。 在工作物質(zhì)中，高低能級(jí)間的受激輻射躍遷產(chǎn)生的光可沿著任意方向傳輸，這勢(shì)必影響激光的頻率、功率、發(fā)散角及相干性。因此為了減少振蕩模式數(shù)，需要將工作物質(zhì)放入諧振腔中。常見(jiàn)的諧振腔由一對(duì)反射鏡構(gòu)成，腔長(zhǎng)和反射鏡的曲率決定了諧振頻率和激光輸出的穩(wěn)定性。一個(gè)完整的激光器由光學(xué)諧振腔、工作物質(zhì)以及激勵(lì)系統(tǒng)或泵浦源構(gòu)成。根據(jù)激光物質(zhì)的不同，激光器可分為固體激光器、液體激光器和氣體激光器。固體激光器是以固體為工作物質(zhì)，半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，而液體激光器則是以液體為工作物質(zhì)。 氣體激光器是利用氣體作為工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的器件。它由放電管內(nèi)的激活氣體、一對(duì)反射鏡構(gòu)成的諧振腔和激勵(lì)源組成。在適當(dāng)放電條件下，利用電子碰撞激發(fā)或者能量轉(zhuǎn)移激發(fā)，氣體粒子有選擇性地被激發(fā)到某高能級(jí)上，從而形成與某低能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射躍遷。氣體激光器的工作物質(zhì)包括氣體原子、分子、準(zhǔn)分子和離子在內(nèi)的氣體或蒸氣等。**臺(tái)氣體激光器是以氦氖混合氣體為工作物質(zhì)，它獲得了1.15m紅外光連續(xù)振蕩輸出。 光輻射可以是電子能級(jí)之間、振動(dòng)能級(jí)之間和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的電子躍遷產(chǎn)生，所以氣體激光器有原子激光器、離子激光器和分子氣體激光器等多種類(lèi)型。常用的氣體激光器有氦氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氮分子激光器、準(zhǔn)分子激光器和金屬蒸氣激光器等。氦氖（He-Ne）激光器是典型的原子激光器，也是目前應(yīng)用*廣泛的激光器。He-Ne激光器的激光譜線(xiàn)由原子能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生。二氧化碳（CO2）激光器是典型的分子激光器，其主要特點(diǎn)是輸出功率大。這類(lèi)激光器的連續(xù)輸出功率已超過(guò)幾十萬(wàn)瓦，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)39%，并且輸出波長(zhǎng)10.6m正好處于大氣窗口，大氣吸收較小，這對(duì)于激光在大氣通信中的應(yīng)用極為有利。CO2激光器的激光譜線(xiàn)由分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生。氬離子激光器是典型的離子激光器，可輸出波長(zhǎng)為488nm和514.5nm的藍(lán)綠可見(jiàn)光，此類(lèi)激光器非常適合信息的存儲(chǔ)和探測(cè)。 1.1.2　He-Ne激光器的裝配與調(diào)試實(shí)驗(yàn) 1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）了解氣體激光器的工作原理。 （2）掌握激光諧振腔的調(diào)節(jié)方法。 （3）能靈活調(diào)試和裝配He-Ne激光器。 2.實(shí)驗(yàn)原理 密封在玻璃管里的氦氣和氖氣組成He-Ne激光器的工作物質(zhì)，輸出鏡與全反鏡組成光學(xué)諧振腔。毛細(xì)管內(nèi)按一定氣壓充以適當(dāng)比例的氦和氖混合氣體形成He-Ne激光器的增益介質(zhì)。在電流激勵(lì)下，快速電子把自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為Ne原子的激發(fā)能。純Ne原子通過(guò)電子激勵(lì)，可產(chǎn)生粒子束反轉(zhuǎn)，但增益非常小，輸出功率僅為微瓦量級(jí)。當(dāng)放電管內(nèi)加入He原子時(shí)，混合氣體在電流激勵(lì)下可大大提高Ne原子的粒子束反轉(zhuǎn)程度，輸出功率明顯增大。圖1.1.1給出了He原子和Ne原子的部分能級(jí)圖，左邊為He原子的能級(jí)圖，右邊為Ne原子的能級(jí)圖。 由圖1.1.1不難發(fā)現(xiàn)，Ne原子的3s能級(jí)與He原子的亞穩(wěn)態(tài)21S0能級(jí)非常接近，它們都可以通過(guò)電子激發(fā)方式由基態(tài)激發(fā)獲得，并且兩者的能量可以共振轉(zhuǎn)移，因此亞穩(wěn)態(tài)的He原子起到了轉(zhuǎn)移電子能量的媒介作用，而Ne原子則是獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的主要激發(fā)機(jī)制。Ne原子在可見(jiàn)和紅外區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生許多條激光譜線(xiàn)，*重要的是632.8nm、1.15m和3.39m三條原子光譜。當(dāng)然不同的譜線(xiàn)之間存在強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，為了獲取其中一個(gè)波長(zhǎng)的增益而抑制其他波長(zhǎng)，常在腔內(nèi)放置棱鏡，利用棱鏡色散使其他譜線(xiàn)失諧，或者沿放電管方向加上不均勻的磁場(chǎng)也可使其他譜線(xiàn)增寬而降低增益。 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)。諧振腔的腔長(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。只有諧振腔的損耗小于介質(zhì)的增益時(shí)才能建立激光振蕩。內(nèi)腔式He-Ne激光器的腔鏡封裝在激光管兩端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、輸出鏡及全反鏡是安裝在調(diào)節(jié)支架上的。調(diào)節(jié)支架能調(diào)節(jié)輸出鏡與全反鏡之間的平行度，激光器工作時(shí)輸出鏡與全反鏡相互平行且與放電管垂直。圖1.1.2給出了外腔式He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。在激光管的陰極、陽(yáng)極上加上直流電源，放電管中的氦和氖混合氣體便可實(shí)現(xiàn)受激輻射。為防止激光管在放電時(shí)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，常在陰極和陽(yáng)極上串接鎮(zhèn)流電阻。此外，為了獲得線(xiàn)偏振光輸出，常在放電管的兩端放置布儒斯特窗。 3.實(shí)驗(yàn)儀器 He-Ne激光器的調(diào)試實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器包括充有氦和氖混合氣體的放電管、激光直流電源、布儒斯特窗、兩腔鏡、鏡片壓圈、激光管可調(diào)節(jié)支架、功率計(jì)、螺絲刀、十字叉絲板和偏振片等。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1.1.2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)首先松開(kāi)調(diào)節(jié)支架的螺絲，將放電管放置在調(diào)節(jié)架上，用螺絲固定并調(diào)整放電管使其水平。然后放入兩腔鏡，用鏡片壓圈固定。打開(kāi)電源出光后放置布儒斯特窗。 4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1）He-Ne激光器的裝配 可用十字叉絲法將He-Ne激光器的輸出鏡與全反鏡調(diào)至平行。首先將充有氦和氖混合氣體的放電管放在可調(diào)節(jié)支架上，固定放電管調(diào)直游絲，將激光管的陰極和陽(yáng)極與激光電源相連。將帶有小孔的十字叉絲板放置在激光器的后端，打開(kāi)He-Ne激光器電源，使放電管處在工作狀態(tài)。放置前腔鏡和后腔鏡，調(diào)節(jié)放電管調(diào)直游絲，用眼睛在十字叉絲板背后通過(guò)小孔觀(guān)察放電管，可看到放電管內(nèi)的亮白點(diǎn)，調(diào)節(jié)十字叉絲板高度和左右位置，使亮白點(diǎn)與出光孔同心，固定十字叉絲板。 2）He-Ne激光器的調(diào)試 用白熾燈照射十字叉絲板，在十字叉絲板背后通過(guò)小孔觀(guān)察放電管和十字叉絲板的反射像，調(diào)節(jié)諧振腔鏡螺絲的調(diào)節(jié)旋鈕，使十字叉絲中心與亮白點(diǎn)以及出光孔同心即可出光。用功率計(jì)測(cè)量激光輸出，同時(shí)調(diào)節(jié)激光器后端的全反鏡調(diào)節(jié)旋鈕，使激光輸出*大。在放電管的兩端放置布儒斯特窗，借助偏振片，觀(guān)察并記錄輸出的激光偏振態(tài)。激光調(diào)試完畢后，蓋好防塵外殼。 1.1.3　He-Ne激光器的激光輸出模式分析實(shí)驗(yàn) 1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）理解He-Ne激光器的激光輸出模式。 （2）掌握激光模式分析和測(cè)量方法。 （3）靈活運(yùn)用法布里-珀羅（F-P）掃描干涉儀測(cè)量激光參數(shù)。 2. 實(shí)驗(yàn)原理 激光器的增益介質(zhì)在某種激勵(lì)方式下可在高低能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，進(jìn)而產(chǎn)生激光輻射光譜。然而由于能級(jí)有一定寬度以及自發(fā)輻射和受激輻射的作用，粒子在諧振腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)還受多種因素的影響，實(shí)際激光器輸出的光譜寬度是由自然增寬、碰撞增寬和多普勒增寬疊加而成，因此輸出光不是單一頻率的。不同類(lèi)型的激光器因工作條件不同，上述影響有主次之分，例如低氣壓、小功率的He-Ne激光器輸出的632.8nm譜線(xiàn)則以多普勒增寬為主，增寬線(xiàn)型基本呈高斯函數(shù)分布，寬度約為1500MHz。只有頻率落在展寬范圍內(nèi)的光在介質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)將獲得不同程度的放大，但只有單程放大還不足以產(chǎn)生激光。此時(shí)需要諧振腔對(duì)它進(jìn)行光學(xué)反饋，使一定頻率的光波在諧振腔中多次往返傳播才能形成穩(wěn)定持續(xù)的振蕩。因此只有頻率滿(mǎn)足諧振條件的激光方可從激光器中出射。 激光諧振腔理論證明方形孔徑穩(wěn)定球面腔輸出模式的諧振頻率為 （1.1.1） 而圓形孔徑的穩(wěn)定球面腔輸出模式的諧振頻率為 （1.1.2） 以上兩式中，，和為諧振腔的兩個(gè)反射鏡的曲率半徑，L是諧振腔腔長(zhǎng)，c是真空中的光速，??是增益介質(zhì)折射率，m、n和q均為正整數(shù)。對(duì)于氣體激光器來(lái)講，增益介質(zhì)折射率??近似為1。每一個(gè)q對(duì)應(yīng)一種縱模，因此q稱(chēng)作縱模序數(shù)。由以上兩式不難看出，相鄰兩個(gè)縱模的頻率間隔為 （1.1.3） 顯然相鄰縱模頻率間隔和激光器的腔長(zhǎng)成反比。諧振腔越長(zhǎng)，縱模的頻率間隔越小，滿(mǎn)足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)也越多。相反地，諧振腔越短，縱模的頻率間隔越大，在同樣的增寬曲線(xiàn)范圍內(nèi)，縱模個(gè)數(shù)就越少，因而短腔長(zhǎng)的激光器可獲得單縱模輸出。 由公式（1.1.1）和（1.1.2）還可以看出，激光器的輸出頻率還與兩整數(shù)m和n有關(guān)，這兩個(gè)整數(shù)對(duì)應(yīng)激光的橫模。光每經(jīng)過(guò)放電毛細(xì)管反饋一次就相當(dāng)于一次衍射，多次反復(fù)衍射就在橫向同一波腹處形成一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定的干涉光斑。每一個(gè)衍射光斑對(duì)應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場(chǎng)分布。激光器輸出的橫向電磁場(chǎng)可標(biāo)記為T(mén)EMmn。激光器產(chǎn)生的橫模個(gè)數(shù)與增益、放電毛細(xì)管的粗細(xì)以及腔內(nèi)損耗等有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，放電管直徑越大出現(xiàn)的橫模個(gè)數(shù)就越多。橫模序數(shù)越高，衍射損耗越大。當(dāng)然橫模序數(shù)越大，諧振頻率越高。 結(jié)合縱模序數(shù)不難確定方形孔徑穩(wěn)定球面腔內(nèi)不同的橫模間的頻率差滿(mǎn)足 （1.1.4） 從上式可以看出，相鄰的橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個(gè)分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)的大小由激光器的腔長(zhǎng)和曲率半徑?jīng)Q定。腔長(zhǎng)與曲率半徑的比值越大，分?jǐn)?shù)值越大。當(dāng)腔長(zhǎng)等于曲率半徑時(shí)，即L =R1=R2，分?jǐn)?shù)值達(dá)到極大，此時(shí)諧振腔為共焦腔。圖1.1.3給出了方形鏡共焦腔和圓形鏡共焦腔不同橫模的強(qiáng)度圖樣。 圖1.1.3　激光器的橫模模式 圖1.1.3（a）是方形鏡共焦腔橫模的強(qiáng)度圖樣，m是沿x軸場(chǎng)強(qiáng)為零的節(jié)線(xiàn)數(shù)，n是沿y軸場(chǎng)強(qiáng)為零的節(jié)線(xiàn)數(shù)，圖1.1.3（b）是圓形鏡共焦腔橫模的強(qiáng)度圖樣，m是沿輻角方向的節(jié)線(xiàn)數(shù)目，n是沿徑向r方向的節(jié)線(xiàn)數(shù)目。 圖1.1.4給出了輸出頻率和縱模的頻譜圖關(guān)系。頻譜圖中可能看到不同的m和n值以及它們的差值m和n。對(duì)于相同的m+n值，其中m或n可以取不同的值，q值改變1對(duì)應(yīng)的頻率相同。圖中給出了橫模的一個(gè)或幾個(gè)單一態(tài)圖形的組合疊加圖。根據(jù)頻譜圖、橫模的個(gè)數(shù)及彼此強(qiáng)度關(guān)系能準(zhǔn)確地定位每個(gè)橫模的m和n值。