激光原理实验指导书

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1、激光原理实验指导书燕山大学信息科学与工程学院光电子工程系2006年1月34目录实验一He-Ne激光器增益与损耗的测量………………………………（1）实验二He-Ne激光器的模式分析………………………………………（7）实验三声光调Q技术…………………………………………………（15）实验四半导体激光器实验……………………………………………（20）实验五选频CO2激光器实验…………………………………………（26）34实验一He-Ne激光器增益与损耗的测量一台激光器的小信号增益系数、腔内损耗是重要的激光参数，直接影响

2、着激光器的输出功率。本实验在外腔激光器中用全反射腔镜，在腔内插入可旋转平行板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光器的输出功率随平行板的旋转角而改变。旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。通过测量激光输出功率与等效透射率的关系，获得与。一、实验目的1．加深理解激光器增益与损耗的概念。2．掌握测量氦氖激光器小信号增益系数与损耗的原理和方法。二、实验原理1．激光输出功率与激光参数的关系当一台激光器形成稳定振荡时，激光在腔内往返运行一周获得的总增益等于总损耗，用公式表示为（1-1）式中为增益介质长度，表示光强为

3、时的增益系数，为总损耗。包括衍射损耗，增益介质的吸收、散射损耗、腔镜的透射、吸收、散射损耗，以及布儒斯特窗片的反射、吸收、散射损耗等。为了简化把总损耗分作两部分=+（1-2）表示腔镜的透射损耗，表示除腔镜透射损耗以外的所有损耗，既除腔镜透射损耗外，激光在腔内往返运行一周光强衰减的比率。对于输出波长为632.8nm的长腔激光器来说，增益饱和规律由下式描述=（1-3）式中，为小信号增益系数，为饱和光强。把（1-1）式、（1-2）式代入（1-3）式得（1-4）在实验中直接测量的是激光输出功率，输出功率与腔内功率的

4、关系为=。腔内激光光强与腔内激光功率的关系为，为光束截面积。因此（1-4）式可写成（1-5）式中，为腔内饱和功率。34由（1-5）式可知，激光的输出功率与饱和光强及小信号增益系数成正比，只有两者均很大时，才能获得大的激光输出功率。输出功率与腔内损耗成反比，腔内损耗增大，输出功率减小。输出功率与透射率有二次曲线关系，当透射率较小时，输出功率随透射率的增加而增大；当透射率较大时，输出功率随透射率增加而减少。在适当透射率处，输出功率有极大值，如图1-1所示。对应极大输出功率处的透射率叫最佳透射率，对（1-5）式求

5、极大值可得(1-6)也是激光器的重要参数，随小信号增益系数的增加而增大，当腔内损耗不太大时，最佳透射率也随腔内损耗增加而增大。图1-1激光输出功率与透射率的关系2．数据处理（1）用作图法求激光参数从图1-1可见，每个输出功率值对应两个透射率值、。取（，）和（，）分别代入（1-5）式，并消去得(1-7)在曲线上取若干个值及对应的、值，作-直线，从直线斜率可得腔内损耗(1-8)取=0，从直线与（+）轴相交的截距可得34（1-9）（2）用极值法求激光参数从图上，取输出功率趋于零时的极大透射率,这时腔内的激光功率也

6、趋于零，根据（1-5）式则有（1-10）从图上取输出功率为极大值处的等效透射率为最佳透射率，用（1-10）式和（1-6）式联立得（1-11）（1-12）三、实验仪器1．实验装置氦氖激光器参数测量系统如图1-2所示。图1-2实验装置示意图Las为氦氖气体放电管。SN为永磁铁氧体，对放电管产生非均匀磁场，抑制3.39m谱线的超辐射。M1、M2是全反射腔镜，相距1.17m，用平凹腔或非对称非共焦腔均可，本实验中两反射镜的曲率半径均为3m。M是透明的平行平面镜，一般用熔石英材料，其插入损耗小，也可用玻璃材料，玻璃材

7、料的优点是对3.39m谱线有吸收，对3.39m34的激光或超辐射有抑制作用，缺点是插入损耗比熔石英大，影响最佳透射率的准确测量。M镜要有一定的厚度，以免M镜两表面的反射光束重叠产生干涉，影响测量结果，M镜的厚度应大于2mm。SP为带刻度的转台，转角精度不低于1′,转台中心安有可调节的平台，平台面的高低及倾斜用三支螺丝调节，M镜放置在平台上，转台已固定在激光器的底座上，转轴已与放电管的管轴垂直，并与激光束相交。D1、D2为激光功率计，用来测量从M镜两表面反射的激光功率。2．M镜的等效透射率M镜的光路如图1-3

8、所示，光束1的反射率为，光束2和光束3的反射率为图1-3M镜光路，光束4的反射率为，M镜的其它反射光束与的高次方成正比，因很小可忽略。腔内激光通过M镜的反射实现输出，所以M镜两表面的反射率可等效于输出镜的透射率。M镜的等效透射率为（1-13）其中值由菲涅耳公式求得（1-14）式中为激光束在M镜上的入射角，n为M镜在632.8nm波长处的折射率。本实验使用的M镜由熔石英制成，其折射率为1.45728，布儒斯特角=5