东南大学光电子物理实验报告.docx

东南大学实 验 报 告课程名称： 光电子物理根底试验名称： 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： 试验时间：评定成绩： 批阅教师：试验一：激光增益的测量一、 试验目的1. 把握用腔内损耗法测量激光参数的原理和方法2. 依据自动测试系统测得的曲线，取适当的数据，编写程序，利用计算机进展计算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、 试验原理在激光器中，小信号增益系数 g 、饱和光强 I 、腔内损耗a 和最正确输出率 T等是打算0 s opt激光器工作特性的重要参数，它们均可由试验测得，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：G = 1 lnlI2 〔1〕I1我们可以便利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I 、12I 由放大管的长度计算出增益系数但对于本试验所要测量的 He-Ne 激光管的增益系数， 由于探测过程中，荧光光强的奉献不能无视，造成很大的误差所以本试验承受的是腔内损 耗法测量 He-Ne 激光器的增益。

因而可以消退这一误差因素，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，置一透亮的平行平板作为反射器，该反射器与腔轴相交成某一角度，在满足振荡条件的状况下，反射器两边有确定功率的激光输出反射器单个外表对 0.6328μm 的光的反射率 R 是入射角j 的函数，由菲涅尔公式得R(j) =tg 2 [j - sin -1 (sinj / n)]〔2〕tg 2 [j + sin -1 (sinj / n)]其中 n 为平行材料对激光波长的折射率〔本试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取和散射时，反射器的输出率〔即来回一次在反射器外表反射的光强于入射光强之比〕表示为：1 - R(j)T (j) = 1 - [1 + R(j)]2〔3〕假设将反射器绕与激光束相垂直，同时也与放电管布氏窗的觉察相垂直的轴线旋转，入射角j 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a 为激光腔除输出率以外的光学损耗〔来回一次〕，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，由于本试验管较长，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：P = PT (2g L0-1) (4)outs a + T由此式可知，激光器有一最正确输出率 T ，这时相应的有最大输出功率，由¶P / ¶T = 0 ，opt得Topt= [a(2g0L)]1/ 2-a (5)旋转反射器，增加输出率 T,从而增加谐振腔的总损耗〔a +T〕,使激光刚好熄灭，这时满足： T× P (2g L0-1) = 0g s a + TgT 为阈值输出率，从而得到： 2g L = a + T (6)g 0 g(T解(5)和(6)组成的方程组得： 2g L = g0 T- T )2opt- 2T〔7〕g opt所以要测得最正确输出率 T 式可计算得腔内损耗a 。

，再测得阈值输出率opt由式可得到激光器的增益，再由〔 〕T6g,由式〔4〕得：T 2- (2gL - a -P P ×a)T + = 0 (8)得两根T ,T 0 P Ps s则： T11 2+ T = 2g2l -a -oP (9)PsT × T1 2= P ×a (10)Ps由(9),(10)得： T × T1 2+ a(T1+ T ) - a (2 g2 0L - a ) = 0 (11)由(10),〔11〕两个线性方程可以作出直线，〔如图 2〕由T + T 对T1 2 1图 2× T 所作直线的斜率可以确定腔内损耗a ，再由 P 对T2 1× T 所作直线的斜2率可以确定饱和功率 Ps，则由 Is= 1.26Ps/ pw 2o可以求得饱和光强〔式中wo为腰粗〕另外由式〔9〕可以计算出小信号增益系数g os 0依据这一原理，在试验时对于每一个输出功率P,可在最正确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a ， I 和 g 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，j 为入射角，j 为布儒斯特角，其值为56.2°，j 为最正确输出率对应的入射角，jB opt g为阈值输出率对应的入射角。

图 3三、 试验步骤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整在 13-14 mA〔不行过大〕预热 30 分钟左右2. 轻轻掀起激光器观看窗口盖至近 90 度位置观看激光器是否已经输出激光，假设在分束片上未见到细约 1 mm 的红色激光输出，请教师调整〔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 激光增益试验”文件夹”，找到“hene.exe”点击，进入“激光增益测量试验”系统4. 点击“初始化”按钮，步进电机开头带动平行平板玻璃片转动、扫描；该过程可以从观看窗口中观看到5. 确认步进电机停顿转动后，点击“增益曲线”按钮，可以从坐标图中观看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正确输出位置6. 点击“数据存储”按钮，可以把试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，退出试验程序通过观看窗可以看到，激光器照旧有红色激光输出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、 试验结果1. 使用 MATLAB 作图：试验得到的.dat 文件用 MATLAB 翻开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j 之间的关系曲线如下：joptjBjg由上图直接读出相关参数：j = 50.6°gj =53.5°optj =55.7°B2. 编写 MATLAB 代码求解小信号增益系数和腔内损耗等参数：函数：function g=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：=0.0039g o=0.00733. 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(”输入其次组 f1 的值：”); f22=input(”输入其次组 f2 的值：”); P2=input(”输入其次组 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=7023.6go =0.0073因此 P ～ TP = T × T1 21× T 和T2 1+ T ～ T2 1× T 的关系为：2T + T= 2gl - a -T × T1 21 2 o a4. 依据阅历公式计算得到g = 3 ´ 10 -4 / d = 0.15o误差很大分析误差可能由以下几个缘由引起的：①验室的环境引起光路的损耗太大，由此得出的试验值偏小。

②反射镜外表不干净，导致激光器的损耗过大，由此得出的试验值偏小③ 计算过程误差等④ 试验仪器本身有误差试验二：纵横模及线宽测量一、 试验目的1. 把握高斯光束强度分布的测量2. 把握高斯光束发散角的测量3. 把握 F-P 标准具、F-P 扫描干预仪的原理和使用方法4. 把握 He-Ne 激光器纵横模模式的观看和测量5. 把握多光束干预法测量激光线宽的原理及方法二、 试验原理1. 激光横模的观看和测量为了简洁起见，我们只争论基模，即TEM模，这个基模的光斑外形为图1 所示00图 1A x 2 + y 2这个模的电矢量E 的振幅为： A(x, y, z) =0 exp(- )w(z) w2 (z)这种光场分布是高斯光束，所以成这样的光束为高斯光束假设记r 2= x 2+ y 20则 A(r, z) = A exp(- r 2 )w(z) w2 (z)当ρ=0，z=0 时〔即束腰的中心〕，电矢量振幅 A 得知最大，为 A(0,0) = A / w0 0而当ρ =w0 0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。