资源描述：
《激光原理与器件实验指导书.docx》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。实验一氦－氖激光器搭建与调腔实验(设计性实验)【实验目的】1．了解激光器的组成及各组成部件的工作原理。2．掌握激光器平台的搭建及调试出光的具体步骤。3．掌握激光各种模式光斑的分布特点。【实验原理】一、激光器的组成及工作原理一个装置要能给产生净的受激辐射(激光)必须具备三个基本条件:1．工作物质(激活物质)。激光器的物理基础是光频电磁场与物质的相互作用(特别是共振相互作用)。爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子论观点出发提出:光与物质的相互作用包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。（1）自发辐射跃迁
2、是指:处于高能态E2的一个原子自发地向低能态E1跃迁,并发射一个能量为hv的光子。由于这种跃迁是自发的,其产生的光子具有随机的处相位,放出的光子是非相关光。（2）受激吸收跃迁是指:处于低能级E1的一个原子,在频率为v的辐射场的作用下,吸收一个能量为hv的光子并向E2能态跃迁。这个过程只能减少场中的光子数,不会产生新的光子。光能量转换为工作物质原子的原子能。（3）受激辐射跃迁是指:处于高能态E2的原子在频率为v的辐射场的作用下,跃迁至低能态E1并辐射一个能量为hv的光子。由于受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程,因而其产生的受激辐射具有和外界辐射场相资料内容仅供您学习参考，如
3、有不当或者侵权，请联系改正或者删除。同的相位,是相干光。E2E2E2hvhvhvhvhvE1E1E1(a)自发辐射(b)受激吸收(c)受激辐射图1.1光与物质相互作在物质处于热平衡状态时,各能级上的原子数(集居数)服从玻耳兹曼统计分布n2(E2E1)ekbTn1其中,n1,n2分别为低能极和高能级上的原子数。因为E2E1,因此n2n1,即在热平衡状态下,高能级集居数恒小于低能级集居数,受激吸收光子数n1W12恒大于受激辐射光子数n2W21。因此,处于热平衡状态下的物质只能吸收光子,不能产生净的光子。因此为了产生净的受激辐射必须要实现集居数反转条件:n2n1。要实现这一条件在热平
4、衡状态下是不可能的,只有当外界向物质供给能量(称为激励或泵浦过程),从而使物质处于非平衡状态时,集居数反转条件才可能实现。在激光的产生过程中,光的减少因素除了受激吸收外,还必须要考虑到谐振腔的几何偏折损耗和衍射损耗以及工作物质的散射损耗等因素的影响。因此工作物质的增益系数必须足够大,因此往往要求n2n1。在自然界存在的所有物质中,当前能够实现n2n1条件的激光器工作物质并不太多,如红宝石、钕、氖气、氩气、二氧化碳等。2．谐振腔由于光频电磁场与物质的作用,当外界向工作物质提供能量以后,某些物质能够对光进行能量放大。如果该工作物质的长度足够长,那么一个光子经过此资料内容仅供您学习参
5、考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。物质后理论上能够获得任意强度的相干光。可是鉴于激光器体积不能过大的限制,因此所有激光器的工作物质长度都不会太长,因此当光经过一次以后所获得的放大是有限的。为了提高激光工作物质的工作效率,人们在其两端增加两块透射反射镜,使光经过工作物质以后大部分能量被反射回来再次经过它,从而间接的增加了工作物质的长度。另一方面,由于只有沿垂直端面的腔轴方向传播的光才能在腔内多次反射而不逸出腔外,而所有其它方向的光则很容易逸出。因此谐振腔也具有模式选择的用途。由于稳定腔的几何偏折损耗很低,在绝大多数中小功率的器件中都采用稳定腔。稳定腔的模式理论也是腔模式理
6、论中比较成熟的部分,具有最广泛、最重要的实践意义。实验中采用的是一种开放式的共轴球面稳定腔,由两块具有公共轴线的球面镜构成。由已经学习过的腔内光线往返传播的矩阵表示方法(参看《激光原理》P35内容),可知道,在满足下列条件时,傍轴光线能在腔内往返多次而不至于横向逸出腔外,从而达到提供光波模反馈的目的:12AD1(1－1)2如果使用的谐振腔是共轴球面稳定腔,则稳定性条件可进一步简化为:01L1L1(1－2)R1R2L,R1,R2分别代表腔长,镜1的曲率半径和镜2的曲率半径。引入所谓g参数可将上式写成0g1g21gi1L,i1,2Ri上式即为共轴球面腔的模式稳定原则。式中,当凹面镜
7、向着腔内时,R取正值,而当凸面镜向着腔内时,R取负值。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。一般来说,g1g2的值决定了谐振腔的结构及腔内激光束的特性,如光束的模体积。当g1g2的值越接近1表示介质的利用率越高,但越难调出光;反之越接近0表示越容易调整出光,但介质的利用率越低,在设计选择时应注意综合考虑。3．泵浦源氦－氖激光器是最早研制成功的气体激光器。在可见及红外波段可产生多条激光谱线,其中最强的是632.8nm、1.15m、3.39m三条谱线(可根据需要选择输出)
