激光原理实验指导书

激光原理实验指导书中北⼤学信息与通信⼯程学院

实验⼀：He-Ne激光器谐振腔调整和激光特性的测量（2学时）⼀、实验⽬的：1．了解He-Ne激光器的构造。

2. 观察并测量He-Ne激光器的功率、发散⾓等特性参数。

3. 调整谐振腔⼀端的反射镜，观察谐振腔改变后He-Ne激光器性能参数的变化。4. 了解外腔He-Ne激光器的偏振态5. 通过光栅⽅程来验证He-Ne激光的波长⼆、实验内容：

1. He-Ne激光器发散⾓测量

关键是如何保证接收器能在垂直光束的传播⽅向上扫描，这是测量光斑尺⼨和发散⾓的必要条件。由于远场发散⾓实际是以光斑尺⼨为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹⾓，所以我们应延长光路以保证其精确度，此时需要在前⽅放置反射镜。可以证明当距离⼤于λπ2ω

7时所测的全发散⾓与理论上的远场发散⾓相⽐误差仅在1%以内。（1）确定和调整激光束的出射⽅向，放置⼀个反射镜来延长光路。

（2）在光源前⽅L1处⽤光功率计检测，在与光轴垂直的某⽅向延正负轴测量并绘出光功率/位移曲线。（3）由于光功率/位移曲线是⾼斯分布的，定义P max/e2为光斑边界，测量出L1位置的光斑直径D1。（4）在后⽅L2处⽤光功率计同样测绘光强/位移曲线，并算出光斑直径D2。

（5）由于发散⾓度较⼩，可做近似计算，θ2=D2-D1/L2-L1,便可以算出全发散⾓2θ。2. 外腔He-Ne激光器偏振态验证

在外腔He-Ne激光器的谐振腔内由于放置了步儒斯特窗，限制了输出光⽚振态为垂直桌⾯的线偏振，因此，可在输出前⽅放置⼀个偏振⽚，通过旋转偏振⽚来分析外腔He-Ne 激光器激光的偏振⽅向。3 .利⽤光栅⽅程验证波长。

我们所⽤的He-Ne激光器的波长是623.8nm, 通过光栅⽅程可以验证激光器的波长值。（1）观察衍射图样，统计出衍射级数j。（2）见图⼀，根据三⾓公式，计算出衍射⾓θ。

（3）由于光栅常数d已知，根据光栅⽅程可以计算出激光波长。θ±=jdλ=j(

±),1,2sin,0

三、实验原理1. ⾼斯光束的发散⾓

激光器的光强分布为⾼斯函数型分布，故称为⾼斯光束。我们⽤全发散⾓2θ表征它的发散程度，定义2θ≡2/142422)(2)(200

-+=λωππωλωz z dz z d (1) 现在分析2θ在整个光路中的变化情况。显然，在z ＝0处，2θ＝0，当z 增⼤，2θ增加。在z ＝0→z ＝z r 这段范围内，全发散⾓变化较慢，我们称z r 为准直距离，λπω2≡r

z (2) 在z>z r ,全发散⾓变化加快,当z →∞, 2θ变为常数,我们将此处的全发散⾓称为远场发散⾓,有

22πωλθ= (3) 不难看出,远场发散⾓实际是以光斑尺⼨为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹⾓。实验中,由于不可能在⽆穷远处测量,故(3)式只是理论上的计算式,不能作为测量公式,⽽需⽤近似测量来代替.可以证明,当z ≥7z r =7πω02/λ时, 2θz /2θ(∞) ≥99%,即当z 值⼤于7倍z r 时所测得的全发散⾓,可和理论上的远场发散⾓相⽐,误差仅在1%以内,那么z 值带来的实验误差已不是影响实验结果的主要因素了,这就为我们提供了实验上测远场发散⾓所应选取的z 值范围。可采⽤以下两种近似计算:

⼀种⽅法是,选取z>z r 的两个不同值z 1,z 2,根据光斑尺⼨定义,从I ～ρ曲线中分别求出ω(z 1),ω(z 2)根据公式122

1)()(22z z z z --?=ωωθ （4）

另⼀种⽅法是,由于z ⾜够⼤时,全发散⾓为定值,好像是从源点发出的⼀条直线,所以实验上还可⽤⼀个z 值(z ≥7z r )及与其对应的ω(z),通过公式2θ=2ω(z)/z （5）

来计算,选择哪⼀个近似公式更好,要根据具体情况和误差分析⽽定。2.光栅⽅程法验证激光波长

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻

划光栅、复制光栅、全息光栅等。反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，⼀系列平⾏刻槽的间隔与波长相当，光栅表⾯涂上⼀层⾼反射率⾦属膜。光栅沟槽表⾯反射的辐射相互作⽤产⽣衍射和⼲涉。对某波长，在⼤多数⽅向消失，只在⼀定的有限⽅向出现，

这些⽅向确定了衍射级次。

),2,1,0(sin ±±==j j d λθ

上式表⽰衍射光栅所产⽣谱线的位置，这个重要的公式称为光栅⽅程。b a d +=称为光栅常数，θ是衍射⾓，j 是衍射级数，λ是光波长。光栅常数已知，可以通过统计衍射级数j 和测量衍射⾓来计算He-Ne 激光器的波长。四、实验设备：

如图所⽰：He-Ne 外腔激光器模型、功率计、导轨、调节固定器件、反射镜

五、实验⽅法：

1. 观察He-Ne 外腔激光器模型，了解各部分构造及⼯作原理。He-Ne 激光器的组成包括有：共振腔（由放电⽑细管和反射镜组成）、⼯作物质（有氦氖⽓体按⼀定⽐例组成）、放电电源（通常多采⽤直流⾼压电源）。当氦氖激光器的电极上加上⼏千伏的直流⾼压后，管内就产⽣辉光发电，对⼯作物质进⾏激励从⽽引起受激辐射，经共振腔进⾏光放⼤以后，即产⽣激光输出。

2、应先接好激光管的电极引线，再接通He-Ne 电源的开关。激光管通电后带有⾼压，不要⽤⼿摸电极，以免触电。

3、 将激光器上的全反射镜拧下，在导轨上安装外腔全反射镜，⽤⼗字叉调节全反射镜和输出镜平⾏，直到有激光出射确定两个镜⼦平⾏。

4、等激光器稳定输出后，在光路中加⼀个反射镜来延长光路，改变功率计的位置进⾏不同测量，记录数据后分析发散⾓的⼤⼩。

5、在激光器输出前⽅放置⼀个偏振⽚，旋转偏振⽚观察光强的明暗变化，旋转到完全消光

的位置来判断外腔激光器的偏振状态。换上内腔单模激光器重新观察⼀遍，并⽐较两激光器的偏振状态

6、在激光器输出前⽅加光栅，观察衍射条纹，测量光栅到条纹间距，并测量条纹间距，记录实验数据，根据光栅⽅程反推激光器波长。注意：

1、调节激光器功率输出时,⽤功率计监视输出功率，调节范围不宜过⼤，以免输出镜失调⽽不出光。

2、激光器及激光电源内有⾼压电，激光器点亮时切勿打开。

3、通常激光器的⼯作电流不需调节。如激光器开启时不能启辉，或启辉后闪烁，可⽤螺

丝⼑通过激光电源后⾯板电流调节孔适当调⾼激光器⼯作电流。激光器的⼯作电流是在设定范围内尽量往⼩⽅向调，只要激光器开启时能启辉，启辉后不闪烁即可。六、思考题

1、为什么要待激光器稳定输出后才能进⾏光强分布的测量和发散⾓的测量？2、为什么要选择激光器在最佳电流下⼯作？

3、前述⼀、⼆种测量⾼斯光束远场发散⾓的⽅法，在物理意义上有什么不同？七实验报告：

1.包括实验⽬的、试验仪器、实验内容和实验结果。

2.实验结果（1）绘出光功率/位移曲线；（2）测量在不同的L1、L2处的光斑⼤⼩D1、D2，计算出光束远场发散⾓；（3）两种激光器偏振态的测量结果；（4）激光波长

实验⼆：He-Ne激光的纵、横膜间距测量（2学时）⼀、实验⽬的：

1、通过测试分析，掌握模式分析的基本⽅法。

2、对实验中使⽤的重要分光仪器——共焦球⾯扫描⼲涉仪，了解其原理、性能，学会正确使⽤。3、熟悉谐振腔的构成，学会调整的⽅法，体会谐振腔调整之后⼀些激光参数的变化⼆、实验内容：

1、He-Ne激光器模式分析

要测量和分析出激光器所具有的纵模个数，纵模频率间隔值，横模个数，横模频率间隔值，每个横模的m和n的阶数及对应的光斑

图形

（1）通过共焦球⾯⼲涉仪接⽰波器观察纵模频率间隔，再根据⾃由光谱范围的定义，确定它所对应的频率间隔（即哪两条谱线间距为Δv S.R.）为减少测量误差，需要对x轴增幅，测出与Δv S.R.相对应的标尺长度，计算出两者⽐值，即每厘⽶代表的频率间隔值。

（2）通过减⼩光阑⼤⼩，观察模式变化。

（3）根据横模的频谱特征，在同⼀q纵模序内有⼏个不同的横模？测出不同的横模频率间隔ΔvΔm＋Δn，与理论值⽐较，检查辨认是否正确。

2、He-Ne外腔激光器谐振腔调整

分别调整腔内的光阑开⼝⼤⼩（管径），反射膜⽚距离（腔长），膜⽚俯仰倾斜程度，体会出光功率、光斑图案（横模式花样）等激光参数的变化。并且练习从⽆光到有光的调腔过程（⼗字叉丝法）。三、实验原理：1.激光器模的形成

激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果⽤某种激励⽅式,将介质的某⼀对能级间形成粒⼦数反转分布,由于⾃发辐射和受激辐射的作⽤,将有⼀定频率

的光波产⽣,在腔内传播,并被增益介质逐渐增强、放⼤。被传播的光波决不是单⼀频率的（通常所谓某⼀波长的光，不过是光中⼼波长⽽已）。因能级有⼀定宽度，所以粒⼦在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是⾃然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭加⽽成。不同类型的激光器，⼯作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低⽓压、⼩功率的He-Ne 激光器6328

A 谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈⾼斯函数分布，宽度

约为1500MHz ，只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放⼤。但只有单程放⼤，还不⾜以产⽣激光，还需要有谐振腔对它进⾏光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。⽽形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返⼀周的光程差应是波长的整数倍，即2µL ＝q λq （6）

这正是光波相⼲极⼤条件，满⾜此条件的光将获得极⼤增强，其它则相互抵消。式中，µ是折射率，对⽓体µ≈1，L 是腔长，q 是正整数，每⼀个q 对应纵向⼀种稳定的电磁场分布λq ，叫⼀个纵模，q 称作纵模序数。q 是⼀个很⼤的数，通常我们不需要知道它的数值。⽽关⼼的是有⼏个不同的q 值，即激光器有⼏个不同的纵模。从式（6）中，我们还可以看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q 值反映的恰是驻波波腹的数⽬。纵模的频率为 L c q v q µ2= (7)

同样，⼀般我们不去求它，⽽关⼼的是相邻两个纵模的频率间隔L

c L c v q 221≈=?=?µ (8) 从式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反⽐。即腔越长，Δν纵越⼩，满⾜振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，Δν纵越⼤，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数就越少，因⽽⽤缩短腔长的办法是获得单纵模运⾏激光器的⽅法之⼀。

以上我们得出纵模具有的特征是：相邻纵模频率间隔相等；对应同⼀横模的⼀组纵模，它们强度的顶点构成了多普勒线型的轮廓线。

图1

任何事物都具有两重性，光波在腔内往返振荡时，⼀⽅⾯有增益，使光不断增强，另⼀⽅⾯也存在着不可避免的多种损耗，使光能减弱。如介质的吸收损耗、散射损耗、镜⾯透射损耗和放电⽑细管的衍射损耗等。所以不仅要满⾜谐振条件，还需要增益⼤于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。如图1所⽰，图中，增益线宽内虽有五个纵模满⾜谐振条件，但只有三个纵模的增益⼤于损耗，能有激光输出。对于纵模的观测，由于q 值很⼤，相邻纵模频率差异很⼩，眼睛不能分辨，必须借⽤⼀定的检测仪器才能观测到。谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的场分布，那么对横向是否也会产⽣影响呢？答案是肯定的。这是因为光每经过放电⽑细管反馈⼀次，就相当于⼀次衍射。多次反复衍射，就在横向的同⼀波腹处形成⼀个或多个稳定的⼲涉光斑。每⼀个衍射光斑对应⼀种稳定的横向电磁场分布，称为⼀个横模。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的迭加，下图是⼏种常见的基本横模光斑图样。

图2

总之，任何⼀个模，既是纵模，⼜是横模。它同时有两个名称，不过是对两个不同⽅

向的观测结果分开称呼⽽已。⼀个模由三个量⼦数来表⽰，通常写作TEM mnq ，q 是纵模标记，m 和n 是横模标记，m 是沿x 轴场强为零的节点数，n 是沿y 轴场强为零的节点数。前⾯已知，不同的纵模对应不同的频率。那么同⼀纵模序数内的不同横模⼜如何呢？同样，不同横模也对应不同的频率，横模序数越⼤，频率越⾼。通常我们也不需要求出横模频率，关⼼的是具有⼏个不同的横模及不同的纵模间的频率差，经推导得

--=??+?2/1)1)(1(arccos 1221R L R L L c v n m πµ (9) 其中，Δm ，Δn 分别表⽰x ，y ⽅向上横模模序数差，R1，R2为谐振腔的两个反射镜的曲率半径。相邻横模频率间隔为

--?=?=?=?+?2/1)1)(1(arccos 12111R L R L v v q n m π (10) 从上式还可以看出，相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的⽐值是⼀个分数，例如图三

分数的⼤⼩由激光器的腔长和曲率半径决定。腔长与曲率半径的⽐值越⼤，分数值越⼤。当腔长等于曲率半径时（L ＝R 1＝R 2，即共焦腔），分数值达到极⼤，即相邻两个横模的横模间隔是纵模间隔的1/2，横模序数相差为2的谱线频率正好与纵模序数相差为1的谱线频率简并。

图3

激光器中能产⽣的横模个数，除前述增益因素外，还与放电⽑细管的粗细，内部损耗等因素有关。⼀般说来，放电管直径越⼤，可能出现的横模个数越多。横模序数越⾼的，衍射损耗越⼤，形成振荡越困难。但激光器输出光中横模的强弱决不能仅从衍射损耗⼀个因素考虑，⽽是由多种因素共同决定的，这是在模式分析实验中，辨认哪⼀个是⾼阶横模时易出错的地⽅。因仅从光的强弱来判断横模阶数的⾼低，即认为光最强的谱线⼀定是基横模，这是不对的，⽽应根据⾼阶横模具有⾼频率来确定。

横模频率间隔的测量同纵模间隔⼀样，需借助展现的频谱图进⾏相关计算。但阶数m 和n的数值仅从频谱图上是不能确定的，因为频谱图上只能看到有⼏个不同的（m＋n）值，及可以测出它们间的差值Δ（m＋n），然⽽不同的m或n可对应相同的（m＋n）值，相同的（m＋n）在频谱图上⼜处在相同的位置，因此要确定m和n各是多少，还需要结合激光输出的光斑图形加以分析才⾏。当我们对光斑进⾏观察时，看到的应是它全部横模的迭加图（即上图中⼀个或⼏个单⼀态图形的组合）。当只有⼀个横模时，很易辨认；如果横模个数⽐较多，或基横模很强，掩盖了其它的横模，或某⾼阶模太弱，都会给分辨带来⼀定的难度。但由于我们有频谱图，知道了横模的个数及彼此强度上的⼤致关系，就可缩⼩考虑的范围，从⽽能准确地定位每个横模的m和n值。综上所述，模式分析的内容，就是要测量和分析出激光器所具有的纵模个数，纵模频率间隔值，横模个数，横模频率间隔值，每个横模的m和n的阶数及对应的光斑图形。2. 共焦球⾯扫描⼲涉仪

图4

共焦球⾯扫描⼲涉仪是⼀种分辨率很⾼的分光仪器，已成为激光技术中⼀种重要的测量设备。实验中使⽤它，将彼此频率差异甚⼩（⼏⼗⾄⼏百MHz），⽤眼睛和⼀般光谱仪器不能分辨的，所有纵模、横模展现成频谱图来进⾏观测的。它在本实验中起着不可替代的重要作⽤。

共焦球⾯扫描⼲涉仪是⼀个⽆源谐振腔。由两块球形凹⾯反射镜构成共焦腔，即两块镜的曲率半径和腔长相等，R1＝R2＝l。反射镜镀有⾼反射膜。两块镜中的⼀块是固定不变的，另⼀块固定在可随外加电压⽽变化的压电陶瓷上。如图4所⽰，图中，①为由低膨胀系数制成的间隔圈，⽤以保持两球形凹⾯反射镜R1和R2总是处在共焦状态。②为压电陶瓷环，其特性是若在环的内外壁上加⼀定数值的电压，环的长度将随之发⽣变化，⽽且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关系，这正是扫描⼲涉仪被⽤来扫描的基本条件。由于长度的变化量很⼩，仅为波长数量级，它不⾜以改变腔的共焦状态。但是当线性关系不好时，会给测量带来⼀定的误差。

扫描⼲涉仪有两个重要的性能参数，即⾃由光谱范围和精细常数常要⽤到，以下分别对它们进⾏讨论。（1）⾃由光谱范围

图5

当⼀束激光以近光轴⽅向射⼊⼲涉仪后，在共焦腔中径四次反射呈x形路径，光程近似为4l ，见图5所⽰，光在腔内每⾛⼀个周期都会有部分光从镜⾯透射出去。如在A,B 两点，形成⼀束束透射光1，2，3...和1′,2′,3′...，这时我们在压电陶瓷上加⼀线性电

压，当外加电压使腔长变化到某⼀长度l a ，正好使相邻两次透射光束的光程差是⼊射光中模的波长为λa 的这条谱线的整数倍时，即4l a ＝k λa （11）

此时模λa 将产⽣相⼲极⼤透射，⽽其它波长的模则相互抵消（k 为扫描⼲涉仪的⼲涉序数，是⼀个整数）。同理，外加电压⼜可使腔长变化到l b ，使模λb 符合谐振条件，极⼤透射，⽽λa 等其它模⼜相互抵消…。因此，透射极⼤的波长值和腔长值有⼀⼀对应关系。只要有⼀定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器全部不同波长（或频率）的模依次产⽣相⼲极⼤透过，形成扫描。但值得注意的是，若⼊射光波长范围超过某⼀限定时，外加电压虽可使腔长线性变化，但⼀个确定的腔长有可能使⼏个不同波长的模同时产⽣相⼲极⼤，造成重序。例如，当腔长变化到可使λb 极⼤时，λa 会再次出现极⼤，有4l d ＝k λd ＝（k ＋1）λa （12）

即k 序中的λd 和k ＋1序中的λa 同时满⾜极⼤条件，两种不同的模被同时扫出，迭加在⼀起，因此扫描⼲涉仪本⾝存在⼀个不重序的波长范围限制。所谓⾃由光谱范围（S.R.）

就是指扫描⼲涉仪所能扫出的不重序的最⼤波长差或频率差，⽤ΔλS.R.或者Δv S.R.表⽰。假如上例中l d 为刚刚重序的起点，则λd -λa 即为此⼲涉仪的⾃由光谱范围值。径推导，可得

λd －λa ＝l a42

λ （13） 由于λd 与λa 间相差很⼩，可共⽤λ近似表⽰ΔλS.R.＝l a42

λ （14） ⽤频率表⽰，即为Δv S.R.＝l

c 4 （15） 在模式分析实验中，由于我们不希望出现（12）中的重序现象，故选⽤扫描⼲涉仪时，必须⾸先知道它的Δv S.R.和待分析的激光器频率范围Δv ，并使Δv S.R.> Δv,才能保证在频谱⾯上不重序，即腔长和模的波长或频率间是⼀⼀对应关系。

⾃由光谱范围还可⽤腔长的变化量来描述，即腔长变化量为λ/4时所对应的扫描范围。因为光在共焦腔内呈x 型，四倍路程的光程差正好等于λ，⼲涉序数改变1。

另外，还可看出，当满⾜Δv S.R.> Δv 条件后，如果外加电压⾜够⼤，可使腔长的变化量是λ/4的i 倍时，那么将会扫描出i 个⼲涉序，激光器的所以模将周期性地重复出现在⼲涉序k ，k ＋1，...，k ＋i 中，如图6所⽰。

图6

（2）精细常数

精细常数F 是⽤来表征扫描⼲涉仪分辨本领的参数。它的定义是：⾃由光谱范围与最⼩分辨率极限宽度之⽐，即在⾃由光谱范围内能分辨的最多的谱线数⽬。精细常数的理论公式为R RF -=1π (16)

R 为凹⾯镜的反射率，从（16）式看，F 只与镜⽚的反射率有关，实际上还与共焦腔的调整精度、镜⽚加⼯精度、⼲涉仪的⼊射和出射光孔的⼤⼩及使⽤时的准直精度等因素有关。因此精细常数的实际值应由实验来确定，根据精细常数的定义δλ

λ..R S F ?=

显然，δλ就是⼲涉仪所能分辨出的最⼩波长差，我们⽤仪器的半宽度λ?代替，实验中就是⼀个模的半值宽度。从展开的频谱图中我们可以测定出F 值的⼤⼩。四、实验设备

He-Ne 激光器、激光电源、⼩孔光阑、共焦球⾯扫描⼲涉仪、锯齿波发⽣器、放⼤器、⽰波器等

实验装置⽰意图如下：

五、实验⽅法：

1、He-Ne 激光器模式分析（1）点燃外腔激光器。

（2）调整光路，⾸先使激光束从光阑⼩孔通过，调整扫描⼲涉仪上下、左右位置，使光束正⼊射孔中⼼，再细调⼲涉仪板架上的两个⽅位螺丝，使从⼲涉仪腔镜反射的最亮的光点回到光阑⼩孔的中⼼附近，这时表明⼊射光束和扫描⼲涉仪的光轴基本重合。

（3）将放⼤器的接收部位对准扫描⼲涉仪的输出端。接通放⼤器、锯齿波发⽣器、⽰波器的开关，观察⽰波器上的展现的频谱图，进⼀步细调⼲涉仪的两个⽅位螺丝，使谱线尽量强，噪声最⼩。

（4）改变锯齿波输出电压的峰值，看⽰波器上⼲涉序的数⽬有何变化，确定⽰波器上应展⽰的⼲涉序个数。根据⼲涉序个数和频谱的周期性，确定哪些模属于同⼀k 序。

（5）根据⾃由光谱范围的定义，确定它所对应的频率间隔（即哪两条谱线间距为Δv S.R. ）为减少测量误差，需要对x 轴增幅，测出与Δv S.R.相对应的标尺长度，计算出两者⽐值，即每厘⽶代表的频率间隔值。

（6）在同⼀⼲涉序k 内观测，根据纵模定义对照频谱特征，确定纵模的个数，并测出纵模频率间隔Δv Δq ＝1。与理论值⽐较，检查辨认和测量的值是否正确。

（7）根据横模的频谱特征，在同⼀q 纵模序内有⼏个不同的横模？测出不同的横模频率间隔Δv Δm ＋Δn ，与理论值⽐较，检查辨认是否正确。代⼊公式（9），解出Δm ＋Δn 的值。（8）确定横模频率增加的⽅向，请同学们思考⼀下，根据什么辨别？以便确定在同⼀q 纵模序内哪个模是⾼阶横模，哪个模是低阶横模，及它们间的强度关系。

（9）从激光器输出的反⽅向观察光斑形状，注意这时看到的应是它所有横模的迭加图，还需结合图中单⼀横模的形状加以分解，以便确定每个横模的模序m ，n 值。

（10）根据定义，测量扫描⼲涉序的精细常数F 。为提⾼测量的准确度，需将⽰波器的x 轴再增幅，此时可利⽤经过计算后已知的最靠近的模间隔数值找标尺，重新确定⽐值，即每厘⽶代表的频率间隔值。

2、He-Ne 外腔激光器谐振腔调整

分别调整腔内的光阑开⼝⼤⼩（管径），反射膜⽚距离（腔长），膜⽚俯仰倾斜程度，体会出光功率、光斑图案（横模式花样）等激光参数的变化。并且练习从⽆光到有光的调腔过程（⼗字叉丝法）。六、思考题

1、什么是⼲涉仪的⾃由光谱F v ?？当F v ?⼩于激光⼯作物质的荧光现宽时，⽰波器的荧光屏上会出现什么现象？

2、怎么判断那⼏个模是纵模，那⼏个模是⾼阶横模？3、怎样确定⾃由光谱区F v所对应的荧光屏上的距离 ？

4、实验中如未观察到频率漂移和跳模现象，有什么简单的办法让他出现？

5、适⽤本次实验中的⼀起，能否测出He-Ne 激光中某⼀纵模的线宽？为什么？ 七、实验报告1.包括实验⽬的、试验仪器、实验内容和实验结果。

2.实验结果（1）⽰波器显⽰的模式波形，根据波形计算纵摸间隔（2）根据⾃由光谱范围计算出的纵摸间隔，并⽐较实验误差（3）⾼阶横模的图样，并说明单纵模对横模的影响（4）调整谐振腔对激光参数：光功率和光斑图案的影响。实验三：半导体激光器特性及调制特性实验（2学时）⼀、实验⽬的：

1.掌握半导体泵浦固体激光器的⼯作原理，测量泵浦LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。2.⽤辅助激光器法，构造固体激光器谐振腔，并使其发光。

3.选⽤不同透过率腔镜，测试不同LD电流下的激光输出功率，结合LD的功率-电流关系，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率。⼆、实验内容：1、LD安装及系统准直

将LD电源接通。通过上转换⽚观察LD出射光近场和远场的光斑。测量LD经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。2、半导体泵浦固体激光器实验

⽤⼤功率的808nmLD泵浦Nd：YAG晶体，通过不同输出镜并调节腔镜产⽣1064nm的红外光。测试不同LD电流下的激光输出功率；根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析。四、实验原理

1半导体激光泵浦固体激光器⼯作原理：

上世纪80年代起，⽣长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极⼤的提⾼，也极⼤地促进了DPSL技术的发展。与闪光灯泵浦的固体激光器相⽐，DPSL的效率⼤⼤提⾼，体积⼤⼤减⼩。在使⽤中，由于泵浦源LD的光束发散⾓较⼤，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进⾏光束变换（耦合）。泵浦耦合⽅式主要有端⾯泵浦和侧⾯泵浦两种，其中端⾯泵浦⽅式适⽤于中⼩功率固体激光器，具有体积⼩、结构简单、空间模式匹配好等优点。侧⾯泵浦⽅式主要应⽤于⼤功率激光器。本实验采⽤端⾯泵浦⽅式。端⾯泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种⽅式。

直接耦合：将半导体激光器的发光⾯紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间⽆

光学系统，这种耦合⽅式称为直接耦合⽅式。直接耦合⽅式结构紧凑，但是在实际应⽤中较难实现，并且容易对LD造成损伤。间接耦合：指先将LD输出的光束进⾏准直、整形，再进⾏端⾯泵浦。常见的⽅法有：组合透镜系统聚光：⽤球⾯透镜组合或者柱⾯透镜组合进⾏耦合。

⾃聚焦透镜耦合：由⾃聚焦透镜取代组合透镜进⾏耦合，优点是结构简单，准直光斑的⼤⼩取决于⾃聚焦透镜的数值孔径。光纤耦合：指⽤带尾纤输出的LD进⾏泵浦耦合。优点是结构灵活。

本实验先⽤光纤柱透镜对半导体激光器进⾏快轴准直，压缩发散⾓，然后采⽤组合透镜对泵浦光束进⾏整形变换，各透镜表⾯均镀对泵浦光的增透膜，耦合效率⾼。本实验的压缩和耦合如图1所⽰。

LD激光晶体LD 激光晶体

组合透镜激光晶体

⾃聚焦透镜LD LD 光纤激光晶体1. 2. 3. 4.图1半导体激光泵浦固体激光器的常⽤耦合⽅式1.直接耦合2.组合透镜耦合3.⾃聚焦透镜耦合4.光纤耦合

Nd:YAG

LD 耦合系统电源TEC 和散热⽚图2 本实验LD

光束快轴压缩耦合泵浦简图激光晶体

图 3 Nd:YAG 晶体中Nd 3+吸收光谱图

激光晶体是影响DPL 激光器性能的重要器件。为了获得⾼效率的激光输出，在⼀定运转⽅式下选择合适的激光晶体是⾮常重要的。⽬前已经有上百种晶体作为增益介质实现了连续波和脉冲激光运转，以钕离⼦（Nd 3+）作为激活粒⼦的钕激光器是使⽤最⼴泛的激光器。其

中，以Nd 3+离⼦部分取代Y 3Al 5O 12晶体中Y 3+离⼦的掺钕钇铝⽯榴⽯（Nd:YAG ），由于具有量⼦效率⾼、受激辐射截⾯⼤、光学质量好、热导率⾼、容易⽣长等的优点，成为⽬前应⽤最⼴泛的LD 泵浦的理想激光晶体之⼀。Nd:YAG 晶体的吸收光谱如图 所⽰。

从Nd:YAG 的吸收光谱图我们可以看出，Nd:YAG 在807.5nm 处有⼀强吸收峰。我们如果选择波长与之匹配的LD 作为泵浦源，就可获得⾼的输出功率和泵浦效率，这时我们称实现了光谱匹配。但是，LD 的输出激光波长受温度的影响，温度变化时，输出激光波长会产⽣漂移，输出功率也会发⽣变化。因此，为了获得稳定的波长，需采⽤具备精确控温的LD 电源，并把LD 的温度设置好，使LD ⼯作时的波长与Nd:YAG 的吸收峰匹配。

另外，在实际的激光器设计中，除了吸收波长和出射波长外，选择激光晶体时还需要考虑掺杂浓度、上能级寿命、热导率、发射截⾯、吸收截⾯、吸收带宽等多种因素。2、端⾯泵浦固体激光器的模式匹配技术

图 4是典型的平凹腔型结构图。激光晶体的⼀⾯镀泵浦光增透和输出激光全反膜，并作为输⼊镜，镀输出激光⼀定透过率的凹⾯镜作为输出镜。这种平凹腔容易形成稳定的输出模，同时具有⾼的光光转换效率，但在设计时必须考虑到模式匹配问题。

图 4端⾯泵浦的激光谐振腔形式

如图 所⽰，则平凹腔中的g 参数表⽰为：1111,L g R =-= 22

1L g R =- 根据腔的稳定性条件，1201g g <<时腔为稳定腔。故当2L R <时腔稳定。

同时容易算出其束腰位置在晶体的输⼊平⾯上，该处的光斑尺⼨为：

0ω=本实验中，R 1为平⾯，R 2=200mm ，L=80mm 。由此可以算出0ω⼤⼩。

所以，泵浦光在激光晶体输⼊⾯上的光斑半径应该0ω≤，这样可使泵浦光与基模振荡模式匹配，在容易获得基模输出。四、实验设备：1、半导体激光器2、耦合系统3、Nd:YAG 晶体4、输出镜5、功率计6、探测器五、实验⽅法：1.LD 安装及系统准直

（1）将LD 电源接通。通过上转换⽚观察LD 出射光近场和远场的光斑。测量LD 经快轴压缩后的阈值电流和输出特性曲线。

（2）将耦合系统、激光晶体、输出镜、Q 开关、准直器等各元器件安装在调整架和滑块上；将准直器安装在导轨上，利⽤直尺将其调整成光束⽔平出射，中⼼⾼度50mm ，⽔平并且⽔平⼊射在激光晶体中⼼位置；

（3）通过调整架旋钮微调Nd:YAG 晶体的倾斜和俯仰，使晶体反射光位于准直器中⼼，并且准直光通过晶体后仍垂直进⼊LD ；

（4）在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中⼼。2．半导体泵浦固体激光器实验实验装置图

Nd:YAG 耦合系统准直器

探测器散热⽚图 3 半导体泵浦固体激光器实验装置图

（1）在准直器前安装T1输出镜，调整旋钮使输出镜的反射光点位于准直器中⼼。根据实验装置图设置其与晶体之间的距离。打开LD 电源，缓慢调节⼯作电流到1.3A 。微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出得到最⼤值；（2）将LD 电流调到最⼩，然后从⼩到⼤渐渐增⼤LD 电流，从激光阈值电流开始，每格0.2A 测量⼀组LD 输出功率。结合LD 的功率-电流关系，在实验报告上绘出激光输出功率-泵浦功率曲线；

（3）更换为T2输出耦合镜，重复步骤，测试不同LD 电流下的激光输出功率；

（4）根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率，并作简要分析。六、思考题：

什么是半导体泵浦固体激光器中的光谱匹配和模式匹配？注意：

1.半导体激光器（LD ）对环境有较⾼要求，因此本实验系统需放置于洁净实验室内。实验完成后，应及时盖上仪器罩，以免LD 沾染灰尘。

1. LD 对静电⾮常敏感。所以严禁随意拆装LD 和⽤⼿直接触摸LD 外壳。如果确实需要拆装，请带上静电环操作，并将拆下的LD 两个电极⽴即短接。

2. 不要⾃⾏拆装LD 电源。电源如果出现问题，请与产家联系。同时，LD 电源的控制温度已经设定，对应于LD 的最佳泵浦波长，请不要⾃⾏更改。

3. LD 、耦合系统、激光晶体，两两滑块之间距离⼤约为32mm 、8mm ，经调整好以后最好不要随意变动，以免影响实验使⽤。

4. 准直好光路后需⽤遮挡物（如功率计或硬纸⽚）挡住准直器，避免准直器被输出的红外激光打坏。

5. 实验过程避免双眼直视激光光路。⼈眼不要与光路处与同⼀⾼度，最好能带上激光防护镜操作。七、实验报告：

1.包括实验⽬的、试验仪器、实验内容和实验结果。

2.实验结果记录（1）对T1输出镜绘出激光输出功率-泵浦功率曲线；（2）更换为T2输出耦

合镜，绘出激光输出功率-泵浦功率曲线（3）根据实验数据和曲线，计算两种耦合输出下的激光斜效率和光光转换效率例如：

0.00.10.20.3

0.40.50.60.70.8

输出功率 /W 泵浦功率 /W

实验四 ：半导体泵浦Q 开关倍频激光器（2学时）⼀、实验⽬的：

1、 本实验以808nm 半导体泵浦Nd ：YVO 4激光器为研究对象，让学⽣⾃⼰动⼿，调整激光器光路，产⽣1064nm 激光。

2、 在腔中插⼊KTP 晶体产⽣532nm 倍频光，观察倍频现象，测量倍频效率、相位匹配⾓等基本参数。

3、 要求掌握测量倍频效率的⽅法⼆、实验内容

1.半导体泵浦固体激光器调Q 实验

本实验采⽤的Cr 4+:Y AG 是可饱和吸收调Q 的⼀种，它结构简单，使⽤⽅便，⽆电磁⼲扰，可获得峰值功率⼤、脉宽⼩的巨脉冲。在不同的LD ⼯作电流（1.7A 、2.0A 、2.3A ），分别测量输出脉冲的脉宽、重频；并计算不同功率下的峰值功率，对不同功率下的输出脉冲进⾏对⽐2.半导体泵浦固体激光器倍频实验

在Nd ：YVO 4晶体和输出镜之间插⼊KTP 倍频晶体，产⽣532nm 倍频绿光。调节输出镜，LD 调整架，使532nm 绿光功率最⼤。三、实验原理

1.半导体激光泵浦固体激光器的被动调Q 技术

⽬前常⽤的调Q ⽅法有电光调Q 、声光调Q 和被动式可饱和吸收调Q 。本实验采⽤的Cr 4+:YAG 是可饱和吸收调Q 的⼀种，它结构简单，使⽤⽅便，⽆电磁⼲扰，可获得峰值功率

⼤、脉宽⼩的巨脉冲。Cr 4+:YAG 被动调Q 的⼯作原理是：当Cr 4+:YAG 被放置在激光谐振腔内时，它的透过率会随着腔内的光强⽽改变。在激光振荡的初始阶段，Cr 4+:YAG 的透过率较低

（初始透过率），随着泵浦作⽤增益介质的反转粒⼦数不断增加，当谐振腔增益等于谐振腔损耗时，反转粒⼦数达到最⼤值，此

时可饱和吸收体的透过率仍为初始值。随着泵浦的进⼀步作⽤，腔内光⼦数不断增加，可饱和吸收体的透过率也逐渐变⼤，并最终达到饱和。此时，Cr 4+:YAG 的透过率突然增⼤，光⼦数密度迅速增加，激光振荡形成。腔内光⼦数密度达到最⼤值时，激光为最⼤输出，此后，由于反转粒⼦的减少，光⼦数密度也开始减低，则可饱和

吸收体Cr 4+:YAG 的透过率也开始减低。当光⼦数密度降到初始值时，Cr 4+:YAG 的透过率也恢复到初始值，调Q 脉冲结束。2.半导体激光泵浦固体激光器的倍频技术

光波电磁场与⾮磁性透明电介质相互作⽤时，光波电场会出现极化现象。当强光激光产⽣后，由此产⽣的介质极化已不再是与场强呈线性关系，⽽是明显的表现出⼆次及更⾼次的⾮线性效应。倍频现象就是⼆次⾮线性效应的⼀种特例。本实验中的倍频就是通过倍频晶体实现对Nd:YAG 输出的1064nm 红外激光倍频成532nm 绿光。

常⽤的倍频晶体有KTP 、KDP 、LBO 、BBO 和LN 等。其中，KTP 晶体在1064nm 光附近有⾼的有效⾮线性系数，导热性良好，⾮常适合⽤于YAG 激光的倍频。KTP 晶体属于负双轴晶体，对它的相位匹配及有效⾮线性系数的计算，已有⼤量的理论研究，通过KTP 的⾊散⽅程，⼈

们计算出其最佳相位匹配⾓为=90°，对应的有效⾮线性系数d eff =7.36×10-12V/m 。

倍频技术通常有腔内倍频和腔外倍频两种。腔内倍频是指将倍频晶体放置在激光谐振腔之内，由于腔内具有较⾼的功率密度，因此较适合于连续运转的固体激光器。腔外倍频⽅式指将倍频晶体放置在激光谐振腔之外的倍频技术，较适合于脉冲运转的固体激光器。四、实验设备1、半导体激光器2、耦合系统3、Nd:YAG 晶体4、KTP 晶体5、输出镜

6、Cr 4+:Y AG 晶体7、功率计8、探测器9、⽰波器五、实验⽅法

1.半导体泵浦固体激光器调Q 实验实验装置图

Nd:YAG 耦合系统输出镜准直器探测器Cr 4+:YAG LD 电源TEC 和散热⽚图1调Q 实验装置图

（1）安装Cr 4+:YAG 晶体，在准直器前准直后放⼊谐振腔内。LD 电流调到1.7A ，观察输出的平均功率，微调调整架，使激光输出平均功率最⼤；

（2）降低LD 电流到零。然后从⼩到⼤缓慢增加，测量1.7A 、2.0A 、2.3A 时输出脉冲的平均功率；（3）安装探测器，取三个不同的LD ⼯作电流（1.7A 、2.0A 、2.3A ），分别测量输出脉冲的脉宽、重频；（4）计算不同功率下的峰值功率，对不同功率下的输出脉冲进⾏对⽐，并作简要分析。2.半导体泵浦固体激光器倍频实验

实验装置图

Nd:YAG 输出镜准直器

KTP LD 耦合系统电源TEC 和散热⽚图2 倍频实验装置图

（1）将输出镜换为短波通输出镜，微调调整架使其反射光点在准直器中⼼。打开LD 电源，取⼯作电流1.7A ，微调输出镜、激光晶体、耦合系统的旋钮，使输出激光功率最⼤；

（2）安装KTP 晶体（或LBO ），在准直器前准直后放⼊谐振腔内，倍频晶体尽量靠近激光晶体。调节调整架，使得输出绿光功率最亮；然后旋转KTP 晶体（或LBO ），观察旋转过程中绿光输出有何变化；六、思考题：

1.可饱和吸收调Q 中的激光脉宽、重复频率随泵浦功率如何变化？为什么？2.把倍频晶体放在激光谐振腔内对提⾼倍频效率有何好处？七、实验报告

1.包括实验⽬的、试验仪器、实验内容和实验结果。2.

3.思考题回答