激光增益的測量

1、激光增益的測量一、 實驗?zāi)康? 掌握用腔內(nèi)損耗法測量激光參數(shù)的原理和方法。2 根據(jù)自動測試系統(tǒng)測得的曲線，取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，編寫程序，利用計算機進行計算。3 通過對激光器增儀等參數(shù)的測量，對激光器的工作過程有進一步的了解。二、 實驗原理在激光器中，小信號增益系數(shù)g0、飽和光強Is、腔內(nèi)損耗和最佳輸出率Topt等是決定激光器工作特性的重要參數(shù)，它們均可由實驗測得，而這些參數(shù)的測量均與增益系數(shù)的測量有關(guān)。由增益系數(shù)的定義： （1）我們可以方便的利用一個激光器和一個與激光器充同樣工作物質(zhì)的放大管直接測出I1、I2。由放大管的長度計算出增益系數(shù)。但對于本實驗所要測量的He-Ne激光管的增益系數(shù)，由于探測過

2、程中，熒光光強的貢獻不能忽略，造成很大的誤差。所以本試驗采用的是腔內(nèi)損耗法測量He-Ne激光器的增益。因而可以消除這一誤差因素，其測量裝置的原理圖如圖1所示圖1在兩個全反射鏡組成的外腔式He-Ne激光器內(nèi)，置一透明的平行平板作為反射器，該反射器與腔軸相交成某一角度，在滿足振蕩條件的情況下，反射器兩邊有一定功率的激光輸出。反射器單個表面對0.6328m的光的反射率R是入射角的函數(shù)，由菲涅爾公式得 （2）其中n為平行材料對激光波長的折射率。（本實驗中所用平板玻璃對=0.6328m光的折射率為1.515）。理論推導(dǎo)證明：在不考慮反射器本身的吸收和散射時，反射器的輸出率（即來回一次在反射器表面反射的光

3、強于入射光強之比）表示為： （3）若將反射器繞與激光束相垂直，同時也與放電管布氏窗的發(fā)現(xiàn)相垂直的軸線旋轉(zhuǎn)，入射角將連續(xù)地變化，因此，該反射器將起一個反射率可變的平面耦合輸出鏡的作用。定義為激光腔除輸出率以外的光學(xué)損耗（往返一次），成為內(nèi)損耗，L為激活介質(zhì)的長度，g0為小信號增益系數(shù)，Pout為耦合輸出功率，P0s為飽和功率，由于本實驗管較長，使縱模間隔小于碰撞增寬的寬度，因而其增益飽和遵循均勻綜型激光器規(guī)律，故： (4)由此式可知，激光器有一最佳輸出率Topt，這時相應(yīng)的有最大輸出功率，由，得 (5)旋轉(zhuǎn)反射器，增加輸出率T,從而增加諧振腔的總損耗（+T）,使激光剛好熄滅，這時滿足：Tg為閾值

4、輸出率，從而得到： (6)解(5)和(6)組成的方程組得： （7）所以要測得最佳輸出率Topt，再測得閾值輸出率Tg,由式可得到激光器的增益，再由（6）式可計算得腔內(nèi)損耗。由式（4）得： (8)得兩根T1,T2。則： (9) (10)由(9),(10)得： (11)由(10),（11）兩個線性方程可以作出直線，（如圖2）圖2由對所作直線的斜率可以確定腔內(nèi)損耗，再由對所作直線的斜率可以確定飽和功率，則由 可以求得飽和光強。（式中為腰粗）。另外由式（9）可以計算出小信號增益系數(shù)。根據(jù)這一原理，在實驗時對于每一個輸出功率P,可在最佳透過率兩側(cè)找到所對應(yīng)輸出功率的兩個輸出率T1和T2，從而有作圖計算可

5、得到參量， Is和g0。圖3為平行平板轉(zhuǎn)動過程中，計算機采集記錄的輸出曲線。P為反射器兩邊反射功率之和，為入射角，為布儒斯特角，其值為56.2°，為最佳輸出率對應(yīng)的入射角，為閾值輸出率對應(yīng)的入射角。圖3三、 實驗步驟1. 開啟激光器電源開關(guān)，緩慢旋轉(zhuǎn)可調(diào)變壓器直至點燃激光管，約190210伏左右。激光器工作電流調(diào)節(jié)在13-14 mA（不可過大）。預(yù)熱30分鐘左右。2. 輕輕掀起激光器觀察窗口蓋至近90度位置。觀察激光器是否已經(jīng)輸出激光，如果在分束片上未見到細約1 mm的紅色激光輸出，請老師調(diào)整（學(xué)生不許擅自調(diào)整）。確認有激光輸出方可進入測試環(huán)節(jié)。3. 在計算機顯示器桌面上，找到“He

6、-Ne激光增益實驗”文件夾”，找到“hene.exe”點擊，進入“激光增益測量實驗”系統(tǒng)。4. 點擊“初始化”按鈕，步進電機開始帶動平行平板玻璃片轉(zhuǎn)動、掃描；該過程可以從觀察窗口中觀察到。5. 確認步進電機停止轉(zhuǎn)動后，點擊“增益曲線”按鈕，可以從坐標(biāo)圖中觀察到有波峰的曲線圖。同時步進電機帶動平行平板玻璃片轉(zhuǎn)回最佳輸出位置。6. 點擊“數(shù)據(jù)存儲”按鈕，可以把實驗數(shù)據(jù)存儲到自帶的軟盤或U盤。激光功率的單位是毫瓦。該數(shù)據(jù)可以用Origin、Matlab、Excell等程序處理畫出曲線。7. 存儲完畢后，點擊“退出”按鈕，退出實驗程序。通過觀察窗可以看到，激光器仍然有紅色激光輸出。8. 將激光器電源的可調(diào)電壓旋轉(zhuǎn)到零位置，然后關(guān)閉電源開關(guān)。四、 實驗報告內(nèi)容1 簡述實驗原理。2 用分析軟件畫出實驗曲線。3 編寫一個程序，將和值輸入，直接得到小信號增益系數(shù)和腔內(nèi)損耗等參數(shù)。激光放電管腔長約1m。4 在曲線的兩端選擇幾組對應(yīng)同一功率的不同值，編寫計算程序，將這些值輸入計算機，直