激光原理实验指导书 (YNU 信，怀昆学悦 Xinyang Normal University 物理电子工程学院 2009年1月
激光原理实验指导书 物理电子工程学院 2009 年 1 月
目录 实验一He-Ne激光器增益与损耗的测量…(1) 实验二H-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C0激光器实验…(26)
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） 2
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G。、腔内损耗《是重要的激光参数，直接影响着 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Go与a。 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 2LG(1=ao (1-1) 式中L。为增益介质长度，G()表示光强为I时的增益系数，a。为总损耗。a。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 。=T十a (1-2) π表示腔镜的透射损耗，α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632.8m的长腔 激光器来说，增益饱和规律由下式描述 G G0-1+, (1-3) 式中，G。为小信号增益系数，I,为饱和光强。把(1-1)式、(1-2)式代入(1-3) 式得 1=8- (1-4) 在实验中直接测量的是激光输出功率P，输出功率与腔内功率P的关系为 P=PT。腔内激光光强与腔内激光功率的关系为1=P/A,A为光束截面积。因 此(1-4)式可写成 P=Pr(2L.Go-1) (1-5) T+a 式中P=I、A,为腔内饱和功率。 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
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 G0 α 是重要的激光参数，直接影响着 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 G0 α 。 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 0 a IGL )(2 = α （1-1） 式中 La 为增益介质长度， IG )( 表示光强为 I 时的增益系数，α 0 为总损耗。α 0 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 α 0 =τ +α （1-2） τ 表示腔镜的透射损耗，α 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 IG )( = s II G 1+ 0 （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 G0 s I )1 2 ( 0 − + = ατ GL II a s （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 的关系为 = Pout P0 Pout P0 τ 。腔内激光光强与腔内激光功率的关系为 API = 0 ， 为光束截面积。因 此（1-4）式可写成 A )1 2 ( 0 − + = ατ τ GL PP a sout （1-5） 式中 ，为腔内饱和功率。 = ss AIP 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 3
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)式求极大值可得 Tom =(2L Goa)v2-a (1-6 t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。 P=300mW 2L,G。=0.2 x=0.01 20 x=0.02 0 t, 0.1T2 0.2 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11可见，每个输出功率值对应两个透射率值？、t2。取(P,t,)和(P, t2)分别代入(1-5)式，并消去P得 (亿，+，)+2-(2L,G。-a)=0 (1-7 在曲线上取若干个P值及对应的x、t2值，作(：，+x)-xx2直线，从直线斜率k可 得腔内损耗 a=1/k (1-8) 取x,t2=0,从直线与(x,+t2)轴相交的截距可得 4
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 opt τ ，对（1-5）式求极大值可得 τ = −αα 21 0 GL )2( opt a (1-6) opt τ 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 1 τ 、 2 τ 。取（ P ， 1 τ ）和（ P ， 2 τ ）分别代入（1-5）式，并消去 P 得 0)2( 1 )( 21 ττ 21 0 α =−−++ α ττ aGL (1-7) 在曲线上取若干个 值及对应的 Pout 1 τ 、 2 τ 值，作 )( 21 τ +τ - 1 τ 2 τ 直线，从直线斜率 可 得腔内损耗 1 k 1 α = 1 k (1-8) 取 1 τ 2 τ =0，从直线与（ 1 τ + 2 τ ）轴相交的截距可得 4
a=2红+m+d Ir (1-9) (2)用极值法求激光参数 从P-π图上，取输出功率趋于零时的极大透射率t,这时腔内的激光功率 也趋于零，根据(15)式则有 2L.G。=tx+a (1-10) 从P-π图上取输出功率为极大值处的等效透射率为最佳透射率x，用(1-10) 式和(1-6)式联立得 Q= (1-11) Tmax -2Topo G。=2m+0） (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。 sp M M> M Las D2 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3.39μm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， 玻璃材料的优点是对3.391m谱线有吸收，对3.39！m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， 5
[ αττ ] 0 ττ =021 ++= 21 )( 2 1 La G （1-9） （2）用极值法求激光参数 从 −τ Pout 图上，取输出功率趋于零时的极大透射率 max τ ,这时腔内的激光功率 也趋于零，根据（1-5）式则有 2 aGL 0 = τ max +α （1-10） 从 −τ Pout 图上取输出功率为极大值处的等效透射率为最佳透射率 opt τ ，用（1-10） 式和（1-6）式联立得 opt opt ττ τ α max 2 2 − = （1-11） )( 2 1 0 = max +ατ La G （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 3.39 μ m 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， 玻璃材料的优点是对 3.39 μ m 谱线有吸收，对 3.39 μ m 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， 5