东南大学-光电子物理实验报告1.docx

东南大学-光电子物理实验报告1.docx

《东南大学-光电子物理实验报告1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《东南大学-光电子物理实验报告1.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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

一、实验目的

1．掌握用腔内损耗法测量激光参数的原理和方法。

2．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。

3．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g0、饱和光强Is、腔内损耗和最佳输出率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数的测量有关。

由增益系数的定义：

（1）

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I1、I2。

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0.6328μm的光的反射率R是入射角的函数，由菲涅尔公式得

（2）

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λ=0.6328μm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。

定义为激光腔除输出率以外的光学损耗（往返一次），成为内损耗，L为激活介质的长度，g0为小信号增益系数，Pout为耦合输出功率，P0s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：

（4）

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，得（5）

旋转反射器，增加输出率T,从而增加谐振腔的总损耗（+T）,使激光刚好熄灭，这时满足：

Tg为阈值输出率，从而得到：

（6）

解（5）和（6）组成的方程组得：

（7）

所以要测得最佳输出率Topt，再测得阈值输出率Tg,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：

（8）

得两根T1,T2。

则：

（9）

（10）

由（9）,（10）得：

（11）

由（10）,（11）两个线性方程可以作出直线，（如图2）

图2

由对所作直线的斜率可以确定腔内损耗，再由对所作直线的斜率可以确定饱和功率，则由可以求得饱和光强。

（式中为腰粗）。

另外由式（9）可以计算出小信号增益系数。

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T2，从而有作图计算可得到参量，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，为入射角，为布儒斯特角，其值为56.2°，为最佳输出率对应的入射角，为阈值输出率对应的入射角。

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190~210伏左右。

激光器工作电流调节在13-14mA（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1mm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。

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，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与入射角之间的关系曲线如下：

由上图直接读出相关参数：

=50.6°

=53.5°

=55.7°

2.编写MATLAB代码求解小信号增益系数和腔内损耗等参数：

函数：

functiong=func（fi）

fi=fi*pi/180;

x1=tan（fi

（1）-asin（sin（fi

（1））/1.515））;

x2=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=y1*y1/（y2*y2）;

Tg=1-（（1-Rg）/（1+Rg））^2;

Topt=1-（（1-Ropt）/（1+Ropt））^2;

g0=0.5*（（Tg-Topt）^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：

=0.0039

=0.0073

3.MATLAB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）;

af=-（T12*T22-T11*T21）/（（T12+T22）-（T11+T21））

Ps=P1*af/（T11*T21）

g0=（T11+T21+af+P1/Ps）/（2*l）

可以得到：

PS=7023.6

=0.0073

因此～和～的关系为：

=

=

4.根据经验公式计算得到

误差很大

分析误差可能由以下几个原因引起的：

①验室的环境引起光路的损耗太大，由此得出的实验值偏小。

②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。

③计算过程误差等。

④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，我们只讨论基模，即TEM00模，这个基模的光斑形状为图1所示。

图1

这个模的电矢量E的振幅为：

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

则

当ρ=0，z=0时（即束腰的中心），电矢量振幅A得知最大，为

而当ρ0=w0

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，w0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，都是测量光强，因为光强与电矢量振幅之间的关系为：

所以激光束的横向光强分布为:

当ρ=0时，I（0,z）=I0（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。

当z值固定时，

这样可以测出，随着径向不同位置ρ时的光强值。

光强随ρ而改变的关系由纪录仪直接给出，如图2。

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离就为该处的光斑半径w（z）。

可以由w（z）与束腰w0之间的关系式求得w0，其关系式为

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：

将（4）式代入（5）.，并当z=∞时，可以求出

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z1、z2两处的光斑半径w（z1）、w（z2），那么可以直接标出光束的发散角，如图3。

图3

则

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ρ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。

图4

2．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2π的整数倍，这样可以求出谐振频率为

其中μ为折射率，c为真空中光速，L为腔长，q为正整数。

因此，由于谐振腔的存在，使激光的线宽比普通光源小得多，如图5。

图5

由于相邻纵模间隔为：

当L足够长时，会出现多纵模，（c）为三个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