光学与激光实验讲义

光学与激光实验实验讲义

华南师范大学

信息光电子科技学院

光学与激光实验

实验一氦氖多谱线激光器.................................................................................................... E-3实验二腔内选频单纵模He-Ne激光器....................................................................... E-14实验三He-Ne激光器谐振腔调整及外参数测量 ....................................................... E-23实验四声光调制锁模激光器 .......................................................................................... E-37

实验一氦氖多谱线激光器

在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。

一、实验原理

一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。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。对谐振腔而言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。总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。初始建立激光振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。小信号增益与阈值增益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。

1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数

在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2P i（2P i是2P1，2P2，…，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。

测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数是用用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性的装置测得的，各谱线的放电电流相同。

表1 He-Ne 3S2-2P i谱线的小信号增益系数

1、谐振腔的稳定条件

激光器的谐振腔是由两块相距为L ，曲率半径分别为球面的反射镜组成。要使腔内近轴传播的光线多次来回反射不会逸出腔外，腔镜的曲率半径级腔长必须满足

111021

??-???? ?

2、激光振荡条件

建立激光振荡必须满足光在增益介质中来回运行一次得到的增益足以补偿运行中的损耗，用公式表示为

12ex p 21=-a a G L r r α （2）

式中r 1和r 2分别为谐振腔两镜片上的反射率，L a 为增益介质长度，G 为建立稳定激光时介质单位长度的增益，叫阈值增益系数。a a 为增益介质内的损耗，包括衍射损耗。两镜片总的反射率r 与投射率t 及吸收散射损耗a s 的关系有

s t r α--=1 （3）

3、谐振腔反射镜

谐振腔反射镜镀有多层光学介质膜。实验使用反射率高达99.9％。而损耗小于0.1％的高质量介质膜，使低增益激光谱线实现振荡成为可能。介质

膜反射率带宽（即波长范围）通常为1000

A左右，实验中涉及的九条激光谱

线覆盖的波长范围约2000

A，需使用两种或三种不同波长范围的反射膜片。

4、腔内棱镜

在谐振腔中插入色散棱镜P，如图1所示。由于棱镜分光作用，对不同波长其偏向角不同，谐振腔只能对其中一条谱线满足振荡条件，而其它波长由于偏离谐振腔光轴，损耗大于增益不能起振。若要改变振荡谱线，需把棱镜和谐振腔调准到使该谱线满足振荡条件的位置。棱镜调谐波长的方式基本上有两种，一种是棱镜的入射角不变，不同波长对应不同出射角，调谐波长时，棱镜保持不动，只改变谐振腔反射镜的方位，使相应波长的光束沿原路返回实现振荡。另一种是棱镜出射角不变，反射镜相对棱镜不动，当改变波长时，使棱镜和反射相对入射光做整体转动。后一种也可采用半棱镜结构，在半棱镜的出射面上镀有全反射介质膜，取代谐振腔反射镜。用半棱镜优点是调节元件损耗小，缺点是棱镜的角色散和角分辨减小了一半。本实验采用第二种方式的全棱镜结构。

图1 色散棱镜的作用

（1）关于棱镜材料与加工

可见光波段He-Ne激光谱线的增益是很小，每厘米约为10-3～10-5量级。在谐振腔内插入色散棱镜必然会增加腔内损耗，因此在选择棱镜材料和加工时要尽可能减少损耗。棱镜材料要求透明度高，色散大，熔石英的透明度很

好，在可见光区每厘米长度的吸收率小于0.001

，但色散不理想，可用在增益小而谱线间隔相对大的短波长区。重火石玻璃在可见光区吸收比熔石英大好几倍，但色散也比熔石英大几倍，可用在632.8nm 附近谱线间隔密集而增益系数相对大的光谱区。棱镜表面加工光洁度在顶角A 附件要求达到I 级。

（2）棱镜顶角的设计

为了减少光束在棱镜界面上的反射损耗，光束在棱镜界面上的入射角应是布儒斯特角θb ，同样从棱镜出射的光束也是布儒斯特角，如图2所示。从图中光线的几何关系可知棱镜顶角A 应满足

arctan 22n A b

='=θ （5）式中b θ'为棱镜材料内的布儒斯特角，n 0为棱镜所用波段中心波长的折射率。实验中提供了两块棱镜供选用，一块为熔石英，棱镜顶角为A ＝68o55′，另一块为重火石玻璃，棱镜顶角为A ＝61o52′，中心波长均为632.8nm ，各种波长都以632.8nm 的布儒斯特角θb ,633为出射角，各种波长相应的入射角θλ可用下式求得：

????????????????? ??-=633,sin 1arcsin sin arcsin b n

A n θθλλλ （6）式中n λ表示相应波长的折射率，其数值是根据文献【2】给出的特征波长折射率，用内插法求得。两块棱镜的数据分别由表2和表3给出。

图2 棱镜光路

表2 重火石玻璃棱镜激光波长与入射角的关系（A＝61o52′）

表3 熔石英棱镜激光波长与入射角关系（A＝68o55′）

二、实验装置

实验装置如图3所示，图中Las是氦氖气体放电管，增益区长1m，氦氖比例为5:1，总气压为250Pa，内径2.5mm，放电管两端封窗为熔石英材料。

图3 实验装置示意

P为色散棱镜，SP为棱镜转台，转台的最小分度为1′。

，M2，M3为谐振腔反射镜，分别装在两个调节自由度的镜架上。如图4所示，图中M表示装在镜架上的反射镜，a，b为把镜架支撑在基座上的弹簧螺丝，A，B，C为镜架微调螺丝，一般不调C，调节A钮时镜片M以CB连线为水平轴作微小转动，调B钮时M以CA为垂直轴作微小转动。

图4 反射镜调节架

，M2组成辅助腔，M1为凹面全反射镜，曲率半径一般选择2～3m，M2为

平面镜，反射率要求不严格，一般大于97％。首先在M1和M2之间调出6328 A

激光，为调整棱镜P和反射镜M3提供准直光线。

和M3构成带棱镜的可调谐波长的谐振腔。M3的曲率半径一般选择3m以上。反射率取决于谱线增益及对输出功率的要求，反射率大于99.7％的镜片，

适用于波长大于6118

A的谱线，对波长最短的三条谱线，反射率要求达到

99.9％，尤其是5433

A 谱线增益最低，对调节精度的要求也是最高的。 W 表示激光功率计，最小量程10μW ，最大量程50mW 。

WDG 表示WDG-30型光栅单色仪，用来鉴别激光波长。波长精度为1

A ，入缝处用毛玻璃减光，出缝处可用目镜直接观测。三、实验内容及要求

1、谐振腔的调整（1）谐振腔的调整偏差

谐振腔的调整要使腔的光轴与放电毛细管的管轴基本重合，其偏差直接影响激光功率的大小。为了便于分析，把谐振腔的调整偏差分解为平行度偏差δ1和垂直度偏差δ2两部分。以对称腔为例，腔镜M 1，M 2的曲率中心，其连线为谐振腔的光轴，光轴相对管轴的距离为r ，假设允许的最大偏差r m 为毛细管直径D 的1/10，则平行度偏差δ1可用M 1或M 2镜的偏斜角表示

1110-?==R

R r m δ （7）

腔镜的曲率半径R 越大，允许的平行度偏差越小，对调节的精度要求越高。

图5 平行度偏差示意

图6 垂直度偏差示意

图6给出垂直度δ2的示意，镜M 1，M 2的曲率中心分别为2

1,C C ''，分布在管轴的两侧，位移量为r ′，新的光轴为2

1C C ''连线，这时M 1与M 2是相互平行的，只是光轴与管轴有一交角，假设毛细管长等于腔长L ，光轴允许的最大偏差在镜片上用r m 表示，由图中几何关系可知。

/2/L R r L r m

m -'=

（8）谐振腔垂直度偏差δ2可用镜片的偏角θ表示

R r m /2'==θδ （9）

用（8）式中的m

r '代入（9）式得 ??

? ??-=??? ??-=

121212L R L R R r m δδ （10）（10）式表明当腔镜的曲率半径比腔长大时，允许的垂直度偏差比平行度偏差大。如果腔镜的调节感量（或精度）比允许的垂直度偏差小，当激光器调出激光后，还可以经过精心的调节使垂直度偏差减小，从而使激光功率增强。

（2）直腔激光器的调节方法

直腔指腔内没有插入色散棱镜的激光腔（如图7(a)所示），调节时用到一种叫光靶的调整工具。光靶的结构是一个带手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字线并有小灯照明，十字线的中心开有直径约为

0.8mm的小孔。调整时让刻有十字线的一面对着激光器的一端，让眼睛

从光靶的背面通过小孔观察处于放电状态的毛细管，能够看见在反射镜膜片

透光的背景上有一个直径约为2－3mm的放电毛细管截面，颜色比周围背景

亮。如果小孔处在毛细管轴线附近，在毛细管的截面内还应看见一个更亮的

只有针尖大的亮点，这就是放电毛细管的轴心。如图4.7(b)所示，上下左右

调整光靶的位置，使小亮点处在毛细管截面的中心，这是光靶的小孔就处在

毛细管的轴线上了。

图7 直谐振腔的调节

下一步的调节要使反射镜的光轴与这条轴线重合，如果反射镜的法线与

管轴偏离不远，在视场内就可以看见通过反射镜的十字线虚像。调节反射镜

架上两个俯仰A和偏转B螺丝（见图4），使十字像的中心与毛细管截面中心

亮点重合。这时反射镜的法线与放电管轴线重合。用同样的方法调节另一端

反射镜。如果上述步骤操作准确，激光就会出现。若不出激光可多次重复上

述步骤。仍无效时可如下操作，来回微调A钮使十字线沿毛细管轴心上下扫

描，当两镜片接近时可观察到轴心亮点变亮，把A钮固定在使轴心最亮的位

置上，用同样的方法调B钮。再调另一面反射镜，只要出现中心亮点变亮的

现象，调出激光就不难了。

激光出现后移去光靶，放上功率计，再仔细调节两个反射镜架上的A，B

钮，直到激光功率最强。这时两镜片在调节精度范围内是相互平行的，但很

可能谐振腔的垂直度偏差还有较大的余量可供改善。

使δ2减小的方法如下：设M1，M2镜架上的调节螺丝分别为A1，B1和A2，B

，假设先调使腔镜绕水平轴转动的俯仰螺丝A，令A1为主动，则A2为随动，2

若顺时针方向微调A1，使激光功率下降少许（不超过十分之一），再调A2，若激光功率上升说明顺时针方向微调A1是正确的，以上步骤可以继续操作，直到调A2时激光功率不再上升。若一开始调A2激光功率不上升，应改为逆时针微调

，重复上述方法。然后换调使腔镜绕垂直轴转动的螺丝B。令B1主动，1

为随动，方法如前述，当激光功率达到最大时，激光腔的光轴与管轴在调2

节精度范围内达到了最佳状态。

（3）带色散棱镜的激光腔调节方法

如图3所示，现在M1和M2之间调出激光并使输出激光达到最强，再按以下要求操作：

i)棱镜台的调整

图8 棱镜转台示意

棱镜台的结构示意图如图8所示，这是利用小型分光计的转台改装

的，若自行设计应考虑采用正交调节机构。图中o表示棱镜平台转轴，转

动角度可以从度盘上读出，读数精度为1′。度盘下面还有使平台转动的

微调螺丝，图中未画出。平台的倾斜用x，y，z螺丝调节。转轴的空间方

位由基脚螺丝P，Q，V调节。棱镜台的放置须使PQ的连线与激光束方向

平行，并在VO方向移动，使棱镜台的转轴与激光束相交。

调棱镜台转轴应与放电管布儒斯特窗的入射面垂直，即分别使棱镜

台转轴与布儒斯特窗上的透射光线和反射光线垂直。用一块平面镜放置在

棱镜平台上，镜面与xy连线正交，使激光正入射在平面镜上，调x或y

螺丝使光束沿原路返回，将棱镜台转180°若反射光不与入射光重合，说

明棱镜台的转轴不垂直于激光束。分别调平台上的螺丝x或y及转台的基

脚螺丝P或Q各使反射光与入射光的差距减少一半，反复使棱镜台转动

180°，用上述方法调节，直至平面镜的反射光追踪从布儒斯特窗上的反

射光落于远处某点的光斑（参考图9，只把图中的棱镜改为平面镜）。调

棱镜台的基脚螺丝V使两光斑重合。

图9 棱镜调节示意

ii)色散棱镜的调节

棱镜的调节如图9所示，三棱镜有两个通光面，用N1，N2表示。两通光面的夹角为棱镜顶角A，另一界面为毛面，图中用粗线表示。放置

棱镜要注意以下几点：使入射界面N1与棱镜台转轴o大致重合，以便在转动镜台时入射光点的位置基本不变；使入射光线靠近棱镜顶角A，光

线在棱镜中的光程较短，可减少棱镜材料吸收散射等损耗，但要防止光

束从棱镜顶角前漏过；使棱镜界面与棱镜平台三个调节螺丝的连线基本

垂直；由于反射镜M3安装在棱镜平台上，可移动的范围有限，放置棱镜时要考虑出射光的方向与M3的方位相符。

调节棱镜两个通光面的法线，使之与棱镜台转轴垂直。使N1面对准激光束，调节与N1面有关的平台螺丝x或y，使光束沿原路返回。再使N

面对准激光束，只能选择调第三个平台螺丝z使光束沿原路返回。应2

注意到调节螺丝x对N1，N2面都有影响，此螺丝一般不用。

iii)调M3镜

转动棱镜台，使M2输出的光束以布儒斯特角入射到N1界面上，转动的角度可由棱镜台度盘读出，也可从棱镜界面反射光强最弱来判断，角度确定后用棱镜台的固定螺丝锁住。调整M3镜台的中部。在棱镜顶角A 的前方放置一个白纸屏，调节M3镜架上两个俯仰，水平螺丝，使光束沿原路返回。在调M3镜的过程中，在白纸屏上可以看到从棱镜的两个侧面上经多次反射出的两串光斑。当两串光斑各自重合于一点时，表明M3镜准确地使光束沿原路返回。

取下辅助腔镜M2，如果前面的调整步骤均达到要求，这时

A 6328激

光就可以在M1和M3之间振荡。再细致调节M3镜，使激光功率达到最强。转动棱镜台的微调螺丝，其它波长的激光就会相继出现。

2、测量要求

（1）用单色仪测量多谱线激光器输出的各条激光谱线的波长。

（2）找出各条激光谱线输出功率与放电电流的关系，记下最大激光功率值及相应的最佳电流值。

（3）棱镜和反射镜的搭配。表4提供了二种棱镜及三组反射镜适用的波长范围。用玻璃棱镜至少调出四条激光谱线是实验的

基本要求。

表4 棱镜及反射镜适用的波长范围

实验二腔内选频单纵模He-Ne 激光器

1. 引言

氦氖激光器在光全息等研究领域中有着广泛的应用，但由于普通的HeNe 激光器在功率较高时（即增益管较长时）会出现多个纵模，不适用于一些要求激光单色性很强的干涉、计量的研究领域。通过腔内选频技术得到的单纵模HeNe 激光器有着广泛的应用前景。 2. 实验目的

1）了解HeNe 激光器的基本结构。 2）了解腔内选频单纵模激光器的原理。 3）了解HeNe 激光器模竞争现象。 4）掌握基本的HeNe 激光器的装调方法。

5）了解共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。 6）掌握腔内选频单纵模激光器的调整方法。 3. 基本原理

3.1 HeNe 单纵模激光器的实现方法

制作输出为单纵模的氦氖激光器有许多方法，一种是增高充气气压，使碰撞增宽大于多普勒增宽，以使增益线型将是均匀增宽线型。对于在均匀增宽条件下工作的激光器，由于模的竞争，一般最终将只剩下单一纵模的振荡。这是以牺牲最佳配气条件为代价的，其输出功率将比最佳配气条件下的小得多；另一种方法是缩短激光管的腔长，如缩到10cm 时，由于纵模间隔将达到1500MHz ，在Ne 原子的增益线宽（多普勒线宽）范围内，将只有一个纵模形成振荡，从而可获得单纵模的激光输出。但这种激光器腔长较短，输出功率较低，因而限制了它的应用范围。为了制造有相当功率输出的单纵模激光器，一种行之有效的方法是对长腔多纵模激光器进行选模，改多纵模激光器为单纵模激光器。

常用的选模方法有二：（1）法珀标准具插入腔内选模，如图1所示；设法珀标准具厚度为L ，折射为n ，其法线与光路夹角为θ，则只有频率v m 满足：

cos 2nL c

m v m ?= (1)

的光，对法珀标准具有极高的透过率。（1）式中的m 是正整数。法珀标准具透过率的线宽则决定于其细度。可选用L 足够小的法珀标准具，使其自由光谱区

稍大于多普勒线宽，一则便于调整法珀腔使