1、實(shí)驗(yàn)六實(shí)驗(yàn)六 氦氖激光束光斑大小和發(fā)散角的測(cè)量氦氖激光束光斑大小和發(fā)散角的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 加深對(duì)高斯光束物理圖像的理解；加深對(duì)高斯光束物理圖像的理解；2. 掌握外腔式氦氖激光器的使用和調(diào)整方法；掌握外腔式氦氖激光器的使用和調(diào)整方法；3. 掌握測(cè)量激光束光斑大小和發(fā)散角的方法；掌握測(cè)量激光束光斑大小和發(fā)散角的方法；4. 深入理解基模激光束橫向光場(chǎng)高斯分布的特性及深入理解基模激光束橫向光場(chǎng)高斯分布的特性及 激光束發(fā)散角的意義。激光束發(fā)散角的意義。 【實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理】 激光束的發(fā)散角和橫向光斑大小是激光應(yīng)用中的兩個(gè)重要參數(shù)。激光束的發(fā)散角和橫向光斑大小是激光應(yīng)用中的兩個(gè)重要參數(shù)。 0

2、 Z( )z 2020( )1()zz 022 ( ) zz 11240() (1)LRL 激光束橫向光場(chǎng)分布激光束橫向光場(chǎng)分布:00( )Ir00( )Err( )z 1 e21 e1.0( ) z 定義：振幅下降到中心振幅振幅下降到中心振幅1 e的點(diǎn)離中心的距離的點(diǎn)離中心的距離 或或光強(qiáng)下降為中心光強(qiáng)光強(qiáng)下降為中心光強(qiáng)21 e【實(shí)驗(yàn)儀器與裝置實(shí)驗(yàn)儀器與裝置】氦氖激光器氦氖激光器 反射鏡反射鏡 反射鏡反射鏡 狹縫狹縫 硅光電池硅光電池 光功率指示儀光功率指示儀 【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1. 打開(kāi)氦氖激光器電源，用小孔屏調(diào)整外腔激光器輸出鏡與打開(kāi)氦氖激光器電源，用小孔屏調(diào)整外腔激光器輸

3、出鏡與 反射鏡中心的平行度，產(chǎn)生激光振蕩。反射鏡中心的平行度，產(chǎn)生激光振蕩。 2. 調(diào)整標(biāo)尺及平面反射鏡使激光束照亮測(cè)量狹縫，調(diào)整標(biāo)尺及平面反射鏡使激光束照亮測(cè)量狹縫， 取取 ，縫寬小于光斑大小的，縫寬小于光斑大小的1/10， 接好光功率指示儀。測(cè)量并記錄接好光功率指示儀。測(cè)量并記錄z值值 。3 5zm 3. 移動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)，使狹縫和硅光電池接收器同時(shí)掃過(guò)光束，移動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)，使狹縫和硅光電池接收器同時(shí)掃過(guò)光束， 移動(dòng)的方向應(yīng)與光傳播方向垂直，每隔移動(dòng)的方向應(yīng)與光傳播方向垂直，每隔0.10.2mm，記，記 錄光功率指示儀的讀值，測(cè)量激光束的光強(qiáng)橫向分布。錄光功率指示儀的讀值，測(cè)量激光束的光強(qiáng)橫向分

4、布。 測(cè)量一次。測(cè)量一次。 【實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄】光斑位置光斑位置 Z 腔腔 長(zhǎng)長(zhǎng)L【計(jì)算與比較計(jì)算與比較】632.8nm 1Rm 凹面鏡曲率半徑凹面鏡曲率半徑激光波長(zhǎng)激光波長(zhǎng)束腰半徑束腰半徑11240() (1)LRL ( ) z 2020( )1()zz 02 2 ( ) zz 1. 調(diào)節(jié)過(guò)程中應(yīng)避免激光直射人眼，以免對(duì)眼睛造成危害。調(diào)節(jié)過(guò)程中應(yīng)避免激光直射人眼，以免對(duì)眼睛造成危害。2. 注意激光高壓電源，以免觸電或短路。注意激光高壓電源，以免觸電或短路。3. 測(cè)量過(guò)程中應(yīng)減小震動(dòng)，避免光斑在狹縫口晃動(dòng)。測(cè)量過(guò)程中應(yīng)減小震動(dòng)，避免光斑在狹縫口晃動(dòng)。4. 禁止用手觸及光學(xué)零件的透光表面

5、。禁止用手觸及光學(xué)零件的透光表面。5. 激光器電源約激光器電源約6mA左右為宜。左右為宜。【注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)】待調(diào)激光器激光器左右準(zhǔn)直小孔實(shí)驗(yàn)七實(shí)驗(yàn)七 氦氖激光器的模式分析氦氖激光器的模式分析【實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1. 了解激光模式的形成及特點(diǎn)，加深對(duì)其物理概念的理解；了解激光模式的形成及特點(diǎn)，加深對(duì)其物理概念的理解；2. 了解共焦球面掃描干涉儀的原理、性能，掌握其使用方法；了解共焦球面掃描干涉儀的原理、性能，掌握其使用方法；3. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和分析，掌握激光束模式分析的基本方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和分析，掌握激光束模式分析的基本方法。 【實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理】 激光器的振蕩模式激光器的振蕩模式: :縱

6、?？v模描述激光器輸出的光頻率描述激光器輸出的光頻率 2qcqL 2qcL 橫模橫模描述垂直于激光傳播方向的平面內(nèi)光場(chǎng)分布情況描述垂直于激光傳播方向的平面內(nèi)光場(chǎng)分布情況 1 21222(1)arccos(1)(1)4mnqcLLqmnLRR 1 2121()arccos(1)(1)2mnm ncLLmnLRR 、共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成為激光技術(shù)中一種重要的測(cè)量設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)正是通過(guò)它將為激光技術(shù)中一種重要的測(cè)量設(shè)備。本實(shí)驗(yàn)正是通過(guò)它將彼此頻率差異甚?。◣资翈装俦舜祟l率差異甚?。◣资翈装費(fèi)Hz），用眼睛和一般光），用眼

7、睛和一般光譜儀器都分不清的各個(gè)不同縱模、不同橫模展現(xiàn)成頻譜圖譜儀器都分不清的各個(gè)不同縱模、不同橫模展現(xiàn)成頻譜圖來(lái)進(jìn)行觀測(cè)的。來(lái)進(jìn)行觀測(cè)的。共焦球面掃描干涉儀（簡(jiǎn)寫(xiě)為共焦球面掃描干涉儀（簡(jiǎn)寫(xiě)為FPS）是一個(gè)無(wú)源諧振腔，）是一個(gè)無(wú)源諧振腔，由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊鏡的曲率半徑由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊鏡的曲率半徑和腔長(zhǎng)相等，和腔長(zhǎng)相等，R1=R2=L 。反射鏡鍍有高反射膜，兩塊鏡中。反射鏡鍍有高反射膜，兩塊鏡中的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的壓電陶瓷上的壓電陶瓷上?！緬呙韪缮鎯x掃描干涉儀】共焦球面掃描干

8、涉儀：共焦球面掃描干涉儀： 間隔圈間隔圈 壓電陶瓷環(huán)壓電陶瓷環(huán) 壓電陶瓷加上鋸齒波電壓后，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部一個(gè)反射鏡做周期性運(yùn)動(dòng)，壓電陶瓷加上鋸齒波電壓后，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部一個(gè)反射鏡做周期性運(yùn)動(dòng)，從而改變腔長(zhǎng)從而改變腔長(zhǎng)L而實(shí)現(xiàn)光譜掃描而實(shí)現(xiàn)光譜掃描 。由于長(zhǎng)度的變化量很小，僅為由于長(zhǎng)度的變化量很小，僅為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，它不會(huì)改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，它不會(huì)改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)。共焦球面干涉儀的性能指標(biāo)：共焦球面干涉儀的性能指標(biāo)： 自由光譜范圍自由光譜范圍4cL 根據(jù)諧振器相干輸出的條件，相干極大輸出的波長(zhǎng)值和根據(jù)諧振器相干輸出的條件，相干極大輸出的波長(zhǎng)值和腔長(zhǎng)值有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。一定幅度的電壓改變腔長(zhǎng)，腔長(zhǎng)值有一

9、一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。一定幅度的電壓改變腔長(zhǎng)，就可以使激光器具有的所有不同的波長(zhǎng)（頻率）的模次就可以使激光器具有的所有不同的波長(zhǎng)（頻率）的模次依次相干極大的透過(guò)，形成掃描。但若入射光波長(zhǎng)范圍依次相干極大的透過(guò)，形成掃描。但若入射光波長(zhǎng)范圍超過(guò)某一限定時(shí)，外加電壓雖可使腔長(zhǎng)線性變化，但一超過(guò)某一限定時(shí)，外加電壓雖可使腔長(zhǎng)線性變化，但一個(gè)確定的腔長(zhǎng)可能使幾個(gè)不同波長(zhǎng)的模同時(shí)產(chǎn)生相干極個(gè)確定的腔長(zhǎng)可能使幾個(gè)不同波長(zhǎng)的模同時(shí)產(chǎn)生相干極大輸出，即幾種不同的模式被同時(shí)掃出，疊加在一起，大輸出，即幾種不同的模式被同時(shí)掃出，疊加在一起，造成模序的重疊。造成模序的重疊。自由光譜范圍：自由光譜范圍：就是指掃面干涉儀所能掃

10、出的不重序的就是指掃面干涉儀所能掃出的不重序的最大波長(zhǎng)差或最小頻率差。最大波長(zhǎng)差或最小頻率差。0R = F 波長(zhǎng)波長(zhǎng) 和在該處可分辨的最小波長(zhǎng)間隔和在該處可分辨的最小波長(zhǎng)間隔 的比值的比值 描述干涉儀譜線的細(xì)銳程度，為干涉儀的自由光譜范圍和描述干涉儀譜線的細(xì)銳程度，為干涉儀的自由光譜范圍和分辨率極限之比：分辨率極限之比： 2(1)FRR R:反射率反射率=99%精細(xì)常數(shù)精細(xì)常數(shù)F F：分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)：實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值 在實(shí)驗(yàn)中就是一個(gè)模的半值寬度。在實(shí)驗(yàn)中就是一個(gè)模的半值寬度。理論值理論值【實(shí)驗(yàn)儀器與裝置實(shí)驗(yàn)儀器與裝置】 激光器 掃描干涉儀 放大器 放大器電源 激光電源 鋸齒波 發(fā)生器 示波器

11、Y X 小孔光闌小孔光闌 【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1. 調(diào)整光路。首先使激光束從光闌小孔通過(guò)，調(diào)整掃調(diào)整光路。首先使激光束從光闌小孔通過(guò)，調(diào)整掃描干涉儀上下、左右位置，使光束描干涉儀上下、左右位置，使光束正入射正入射孔中心，孔中心，再細(xì)調(diào)方位螺絲，以使從干涉儀腔鏡反射的再細(xì)調(diào)方位螺絲，以使從干涉儀腔鏡反射的最亮的最亮的光點(diǎn)回到光闌小孔的中心附近光點(diǎn)回到光闌小孔的中心附近，這時(shí)表明入射光束，這時(shí)表明入射光束和掃描干涉儀的光軸基本重合。和掃描干涉儀的光軸基本重合。2. 將放大器的接收部位對(duì)準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端。將放大器的接收部位對(duì)準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端。 3. 接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波

12、器的電源開(kāi)關(guān)。接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的電源開(kāi)關(guān)。 4. 觀察示波器上展現(xiàn)的的頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干涉儀的觀察示波器上展現(xiàn)的的頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干涉儀的 方位螺絲，使譜線盡量強(qiáng)，噪聲盡量小。方位螺絲，使譜線盡量強(qiáng)，噪聲盡量小。 5. 根據(jù)平凹激光器（根據(jù)平凹激光器（r1=1m,r2= ）的腔長(zhǎng)）的腔長(zhǎng)(實(shí)驗(yàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)測(cè)量), 計(jì)算相鄰縱計(jì)算相鄰縱 模（模（2式）和橫模（式）和橫模（3式）的頻率差（式）的頻率差（理論理論 值值）。）。7. 以計(jì)算所得的自由光譜范圍在示波器上以計(jì)算所得的自由光譜范圍在示波器上定標(biāo)定標(biāo)，測(cè)出自由，測(cè)出自由光譜范圍光譜范圍相對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺長(zhǎng)度，計(jì)算出二者的比值相對(duì)應(yīng)的

13、標(biāo)尺長(zhǎng)度，計(jì)算出二者的比值每厘每厘米代表的頻率間隔值米代表的頻率間隔值。由示波器上顯示的縱模、橫模波形。由示波器上顯示的縱模、橫模波形測(cè)出縱模頻率間隔、橫模頻率間隔測(cè)出縱模頻率間隔、橫模頻率間隔 ，和理論值進(jìn)行比較。，和理論值進(jìn)行比較。測(cè)出測(cè)出 根據(jù)實(shí)驗(yàn)公式（根據(jù)實(shí)驗(yàn)公式（14式）計(jì)算精細(xì)常數(shù)式）計(jì)算精細(xì)常數(shù)F,和理論比和理論比較。較。6. 根據(jù)干涉儀的曲率半徑（根據(jù)干涉儀的曲率半徑（l = r = 20mm）計(jì)算出干涉儀）計(jì)算出干涉儀的的由光譜范圍（由光譜范圍（12式）式）。根據(jù)干涉儀的反射率根據(jù)干涉儀的反射率 (R=99%)計(jì)算出計(jì)算出精細(xì)常數(shù)精細(xì)常數(shù)F（15式）。式）。 改變鋸齒波的前后

14、沿，得到一個(gè)較長(zhǎng)的直線部分，上升部改變鋸齒波的前后沿，得到一個(gè)較長(zhǎng)的直線部分，上升部分代表鋸齒波的電壓呈直線上升，調(diào)制鋸齒波的幅度，使分代表鋸齒波的電壓呈直線上升，調(diào)制鋸齒波的幅度，使鋸齒波直線段看到清楚的鋸齒波直線段看到清楚的2-3個(gè)干涉序，下降段是前面的個(gè)干涉序，下降段是前面的重復(fù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量必要要在同一沿下。重復(fù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量必要要在同一沿下。上圖中的譜線上圖中的譜線1與譜線與譜線5，譜線，譜線2與譜線與譜線6，譜線，譜線3與譜線與譜線7，譜線譜線4與譜線與譜線8之間所對(duì)應(yīng)的頻率間隔為自由光譜范圍理之間所對(duì)應(yīng)的頻率間隔為自由光譜范圍理論值是：論值是：3.75G，實(shí)驗(yàn)值看在示波器上是幾厘米，得到每，實(shí)驗(yàn)值看在示波器上是幾厘米，得到每厘米代表多少厘米代表多少G，從而為讀橫、縱模頻率間隔定標(biāo)）。，從而為讀橫、縱模頻率間隔定標(biāo)）?？v模間隔：縱模間隔：譜線譜線1與譜線與譜線3的間距。的間距。橫模間隔：橫模間隔：譜線譜線1與譜線與譜線2的間距。的間距?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄】 q mn 干涉儀干涉儀曲率半徑曲率半徑r腔長(zhǎng)腔長(zhǎng)l = 20mm干涉儀反射率干涉儀反射率