m2激光模式的测量实验报告Word格式.docx
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const
’
(4)
式(4)可由量子力学的测不准原理来解释:
在束腰处光子的位置不确定度是?
X,?
X最小值是单模高斯光束束腰束宽
d0
;
光子的横向不确定度是
Px?
h
Px
,在近轴近似条件下
h?
sin?
(5)
式中h为普朗克常数,?
最小值是单模高斯光束远场发散角?
4?
(6)
4
X?
P?
根据测不准关系:
对一般光束束腰处有:
D0
(7)
h?
D0?
代入Eq有
(8)
M?
D0?
定义光束质量因子M为:
1
(9)
又因为实际光束的截面常常不是圆形的,即光束的光强分布不是对称的或存在像散时,光束质量应用两个参数来描述:
x
D0x?
xD0y?
y
2y
2x
、
是分别表示X方向和Y方向的光束质量因子。
考虑到
是单模高斯光束的衍射极限,
M的物理意义也可理解为衍射极限倍数[3]。
2
(二)、M2因子的特点
以M因子表征光束质量有几个显著的优点:
首先:
M因子能够确定和度量多模光束的质量。
工业上应用的大功率激光器,如大多数千瓦级CO2激光器输出厄米---高斯混合模光束,并且在高阶模产生振荡,这种混合模光束的光束质量因子M是各个模相对强度的加权平均。
M
Cmn
mn
CmnCmn
是相对振幅系数,m、n是模的阶数,厄米—高斯混合模光强空间分布可表示为:
Imn?
X,Y,Z?
ImnW
2m
2n
HHexp
)
W是光束半宽,Hm、Hn是厄米多项式,各阶模的光强分布有相同的高斯因子,传播
相同的距离后光束发散程度相同,因而也有相同的瑞利距离ZR和波面曲率半径R。
可以设想在多模光束中构造一个“嵌入高斯光束”,它与多模光束有这样的关系----在激光的传播方向上,任意位置Z处其腰斑直径d是同一位置多模光束的腰斑直径D的M,并且具有相同的束腰位置和瑞利
距离
ZR?
w0
W0
图3嵌入高斯光束
D?
Md0
如图3所示:
D?
Md;
0;
多模光束的衍射极限
Md
1M
M因子同样可以理解为多模光束远场发散角M?
因此,在多模光束引入“嵌入高斯光束”后,
1
与衍射极限M
之比即衍射极限倍数。
其次,M因子能描述多模光束的传播特性。
光束的传播方程、波面曲率半径、复曲率半径,以及通过近轴光学系统传播的ABCD矩阵等都具有高斯光束的类似表达式。
(三)、M的测量
由M的定义可知,只要知道实际光束的腰斑直径最小值
[3]
2W0
和远场发散角?
即可算出M
的大小。
但激光光束的“束腰”可能位于激光器好几米之外,也可能位于谐振腔内,这样就使确定束腰位置较难,因此通常不对自由光束直接测量,而是用一个无像差透镜将自由光束聚焦,然后在像空间测量有关参数,最后折算为物空间对应数值-----这种方法被称为“透镜变换法”。
这种方法至少带来三个好处:
1能实现远场测量。
远场定义是指到束腰的距离FF?
100?
D/?
的区域(D为束腰直径),自由光束经聚焦后,
,实现远场测量要容易得多。
2像方束腰位置漂移较少,因为自由光束准直度较高,聚焦后的束腰必位于像方焦点附近,这给测量带来极大方便。
3可以降低由于限制孔径而引起的衍射效应对近场束宽测量的影响。
如图4所示:
在像方测量不同位置处的光束腰斑直径2W2,当测量数据足够多时,理论上应
W
Z?
W
1f
02
该包括像方的“束腰”直径
2W02
。
如果不能确定,可利用公式
1?
1Z2
1?
Z02?
W02
[2]
进行数据拟合。
算出
Z1Z2
W02
和
Z02
利用透镜成像公式
Z1
可以算出
,进而利用
2W01?
2W02
得到
W01
图中
H1、H2
是透镜的两个主面,
Z1、Z2
是主面到两个“束腰”的
距离[4]。
图4
下面是?
的测量。
透镜的转换因子为?
:
f
ZR2
1/2
,ZR1?
Z1?
f?
这样利用上述等式可以得到:
通过测量像方焦平面的光束腰斑直径可得出物方的发散角:
2W2F/f
证明如下:
?
2W2?
2W021?
/ZR2
2W2F?
2W2
fZZZ
/Z
2R2
R2
R1
这样我们测得焦平面处的光束腰斑直径后利用Eq即可算出M。
在实际应用中还可以利用其它方法来测量M。
比如可以分别测量物方和像方的焦平面处的腰
篇二:
激光实验报告
激光实验报告he-ne激光器模式分析
一.实验目的与要求
目的:
使学生了解激光器模式的形成及特点,加深对其物理概念的理解;
通过测试分析,掌握模式分析的基本方法。
对本实验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。
要求:
用共焦球面扫描干涉仪测量he-ne激光器的相邻纵横模间隔,判别高阶横模的阶次;
观察激光器的频率漂移记跳模现象,了解其影响因素;
观察激光器输出的
横向光场分布花样,体会谐振腔的调整对它的影响。
二.实验原理
1.激光模式的一般分析
由光学谐振腔理论可以知道,稳定腔的输出频率特性为:
vmnq?
l1/21lc[q?
]cos-1[]r2?
r12?
l
其中:
l—谐振腔长度;
r1、r2—两球面反射镜的曲率半径;
q—纵横序数;
m、n—横模序数;
η—腔内介质的折射率。
横模不同(m、n不同),对应不同的横向光场分布(垂直于光轴方向),即有不同的光斑
花样。
但对于复杂的横模,目测则很困难。
精确的方法是借助于仪器测量,本实验就是利用
共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。
由(17)式看出,对于同一纵模序数,不同横模之间的频差为:
mn:
mn?
ll1/2c1cos-1[(1-)](18)r1r22?
l?
其中:
δm=m-m′;
δn=n-n′。
对于相同的横模,不同纵模间的频差为?
q:
q?
c?
q2?
δq=q-q′,相邻两纵模的频差为?
c2?
(19)
由(18)、(19)式看出,稳定球面腔有如图2—1的频谱。
(18)式除以(19)式得
ll?
mn1?
cos-1[]1/2r1r2?
(20)设:
mn
q;
s=1?
cos-1[]1/2r1r2δ表示不同的两横模(比如υ00与υ比,于是(20)式可简写作:
10)之间的频差与相邻两纵模之间的频差之?
s
(21)
只要我们能测出δ,并通过产品说明书了解到l、r1、r2(这些数据生产厂家常给出),
那么就可以由(21)式求出(δm+δn)。
如果我们选取m=n=0作为基准,那么便可以判断出
横模序数m、n。
例如,我们通过测量和计算求得(δm+δn)=2,那么,激光器可能工作于
υ00、υ10、υ01、υ11、υ20、υ02。
2.共焦球面扫描干涉仪的基本工作原理共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成,如图2—2。
反射镜的曲率半径
r1=r2=l。
图2-2由于反射镜的反射率相当高,注入腔内的光束将在腔内多次反射形成多光束,从多光束
干涉的角度来看,入射光束中那些满足干涉相长条件的光谱成分才能透过干涉仪。
当光束正
入射时,干涉相长的条件为:
m?
其中η为折射率;
l为腔长;
m为一正整数。
我们定义相邻两个干涉级之间所允许透射光的频差为干涉仪的自由光谱范围:
c?
l只要注入光束的频谱宽度不大于δυf,那么在干涉仪扫描过程中便能逐次透过,若在干
涉仪的后方使用光电转换元件接收透射的光强,再将这种光转换为电信号输入到示波器中,
于是在示波器的荧光屏上便显示出如图1—1那样的激光频谱。
将该谱图拍照下来,在读数显
微镜下读取相应的δ值,再求出待测激光器的s值,代入(21)式,即可求出(δm+δn),
进而断定横模序数。
三.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。
实验装置如下图图2-3
四.实验步骤和内容
1.按照实验装置图将其连接好,然后检查其是否合理。
2.将激光器打开。
注意要先弄好在打开开关。
注意激光器的安全。
3.调节光路,先将激光调准直。
将光具架上得器件全都拿走,只剩下光阑。
然后调节激
光器的旋钮使激光透过光阑的小孔,注意近调近,远调远。
使得光阑在光具架上移动时,激
光全通过小孔。
这时激光就几乎准直了。
4.将激光打到光阑小孔,调整扫描干涉仪上下左右的位置,使得激光光束能透过小孔中
心,在细调干涉仪板架上得两个方位螺丝,以使从干涉仪腔镜反射的最高的光点回到光阑小
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。
5.将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。
6.接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。
7.观察使波器上展现的频谱图,进一步细调干涉仪的两个方位螺丝,使谱线尽量强,噪
声很小。
8.分辨共焦强球面扫描干涉仪的自由光谱区,确定示波器横轴上每cm所对应的频率数。
9.观察多模激光器的模谱,记下其波形及光斑图形(可在远场直接观察),并且
(1)测出纵模间隔
(2)由干涉仪的自由光谱区计算激光器相邻纵模间隔,并与理论值相比较
(3)测出纵模个数,由纵模个数及相邻纵模间隔计算出激光器工作物质的增益线宽(通
常认为he-ne激光器的多普勒线宽约1300mhz)
(4)分析判断是否存在高阶横模,估计其阶词,并于远场光斑加以比较
10.根据横模的频率频谱特征,在同一干涉序k内有几个不同的横模,并测出不同的横
模频率间隔。
与理论值比较,检查辨认是否正确。
代入公式(1-5),解出的值。
11.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,既没厘
米代表的频率间隔值。
12.改变放电电流,加入小孔,观察以上因素对激光模式的影响
13.用吹风的方法观察模谱频率的漂移和“跳模”现象,并解释其原因
五.实验数据及其处理
六.实验体会
本次实验做得不是太好,误差较大。
这个仪器的精确度较高。
调节压电陶瓷时,压电陶
瓷环的长度变化量和所加电压成正比,但变化约为波长量级。
同时需缓慢调节电压,因为长
度的变化需要一定的反应时间,不可忽大忽小,那样容易损坏仪器。
在今后做实验之前一定
要先做好预习,那样才能深刻理解它的原理,则可以知道该怎么做,才可以在这个基础上关
察更多现象。
篇二:
激光实验报告激光技术实验报告
实验名称:
氦氖激光器实验
一.实验内容:
1、氦氖激光器的调节;
2、
氦氖激光器的输出功率;
3、氦
氖激光器的发散角测量;
4、氦氖
激光器的模式分析
二.实验仪器和方法:
仪器:
氦氖激光器实验台,光功率计,锯齿波发射器,示波器,刀口,反射镜等实验方法:
1使用自准直法:
用已有的准直氦氖激光器,先调节氦氖半腔激光器,然后加入输出镜,利
用准直氦氖激光器调节输出镜,使全反镜和输出镜平行,满足激光产生的条件。
2固
定输出镜,调至有激光输出,旋转输出镜倾斜旋钮,配合功率计,将输出调至最大,在激光
器点燃20分钟后,测量氦氖激光器的输出功率随时间的变化。
3利用刀口法测量法,测量功率随刀口位置的变化曲线,测量传输距离,通过数据分析
得到氦氖激光器的光斑直径,发散角。
4将氦氖激光器,扫描f-p腔,光电探测器依次排列,并调整至共轴,接示波器,在一
个上升沿中观察氦氖激光器模式,调节输出镜,观察不同谐振腔的模式并测量模式间频率间
隔。
三.实验结果与分析
在调整过程中,氦氖激光器已经调节完毕。
而且由于仪器的问题,可调节的范围很小,
细小的变动可能会导致激光无法产生。
四.实验收获与建议实验名称:
半导体激光器实验一.实验内容:
1、半导体激光器发散角测量;
2、半导体激光器偏振性测量;
3、半导体激光器输入
输出特性测量;
4、半导体激光器的光谱特性分析二.实验仪器和方法仪器:
半导体激光器、电脑,多通道光谱分析仪,转台,偏振片,导轨架,光功率计方
法:
1转动转台记下光功率计的数值,测量半导体激光器的发散角2转动偏振片,读出光功率计上的数值大小,找到最大值和最小值从而测量半导体激光
器的偏振性
3调节半导体激光器的电流大小,观察功率仪的数值。
画出输入输出特性曲线,找到半
导体激光器的阈值
4使用调节台、耦合镜,将激光耦合进入多通道分析仪。
将多通道分析仪的档位调节至
观察档,使用光谱分析软件,测量半导体激光器的激发光谱,将多通道分析仪的档位调节至
ccd档,逐渐减小半导体激光器的输入,结合输入输出特性测量半导体激光器的荧光光谱。
三.实验结果与分析
测量发散角时长轴方向角度-能量对应关系短轴方向角度-能量对应关系:
取光强下降为最大值的1/e对应的光束空间分布角度为半导体激光器在长轴与短轴方向
的发散角。
可见,长轴方向发散角大约为7°
,短轴方向发散角大约为4°
.
在偏振性测量中,能量最大处是550时为最小是在145o时为。
可见,
半导体激光器产生的光是有偏振性的,而能量最大的角度和最小的角度基本是垂直的。
在测量电流-功率输入输出曲线是得到以下数据:
大约在14ma处为激光器的阈值。
篇三:
激光原理及应用实验报告实验一测定空气折射率
一、实验目的
1、熟练掌握迈克尔逊干涉光路的调节方法;
2、学会调出非定域干涉条纹,并测量常温下空气的折射率。
二、实验原理本实验室建立在迈克尔逊干涉光路的基础上来做的。
激光束经短焦距凸透镜会聚后可得
到点光源s,它发出球面波照射干涉仪,经g1分束,及m1、m2反射后射向屏h的光可以看
成由虚光源s1、s2发出的。
其中s1为点光源s经g1及m1反射后成的像,s2为点光源s经
m2及g1反射后成的像。
这两个虚光源s1、s2发出的球面波,在它们能相遇的空间里处处相
干,即各处都能产生干涉条纹。
我们称这种干涉为非定域干涉。
随着s1、s2与屏h的相对位
置不同,干涉条纹的形状也不同。
当屏h与s1、s2连线垂直时(此时m1、m2大体平行),
得到园条纹,圆心在s1、s2连线与屏h的交点o处。
当屏h与s1、s2连线垂直平分线垂直
时(此时m1、m2于h的距离大体相等),将得到直线条纹。
图1实验装置
三、实验方法和步骤
1、测空气的折射率
调出非定域条纹干涉后,改变气室ar的气压变化错误!
未找到引用源。
,从而使气体折
射率改变错误!
,引起干涉条纹“吞”或“吐”n条。
则有错误!
未找到引用
源。
,于是得错误!
(1)其中d为气室烦人厚度。
理论上,温度一定,气压不太大时,气体折射率的变化量错误!
与气压
变化量错误!
成正比:
错误!
(常数)故错误!
p,将式
(1)代入可得错误!
2、实
验步骤
1)将各器件夹好,靠拢,调等高。
2)调激光光束平行于台面,按图所示,组成迈克耳孙干涉光路(暂不用扩束器)。
3)
调节反射镜m1和m2的倾角,直到屏上两组最强的光点重合。
4)加入扩束器,经过微
调,使屏上出现一系列干涉圆环。
5)紧握橡胶球反复向气室充气,至血压表满量程(40kpa)为止,记为△p。
6)缓慢松
开气阀放气,同时默数干涉环变化数n,至表针回零。
7)计算实验环境的空气折射率
四、实验数据与处理
五、思考题
1、实验中怎样才能观察到非定域的直条纹和双曲线条纹?
答:
直接用激光加扩束镜干涉前不加毛玻璃,干涉后在毛玻璃屏上观察。
2、在迈克尔干涉光路中分束板g1应使反射光和透射光的光强比接近1:
1,这是为什么?
答:
这样才能使干涉条纹的衬比度最大。
两束相干光只有在光强相等时,才能出现暗条
纹强度为零,否则最暗处强度不等于零,使衬比度下降,效果不好。
3、同一气室,在不同
温度下,折射率有何变化?
由于温度不一样的原因,导致空气密度改变,直接影响了折射率,其实主要影响的
是空气的水蒸气。
实验二全息照相
一、
实验目的
1、学习掌握全息照相的基本原理和实验技术;
2、初步掌握拍摄全息照片和再现信息
的方法;
3、了解全息照相技术的主要特点,并与普通照相进行比较;
4、了解照相显影、定影、
冲洗等暗室技术。
二、实验原理
1、全息照相与普通照相的主要区别普通照相是根据几何光学成像原理,记录下光波的强度(即振幅)信息,将空间物体成
像在一个平面上。
全息照相是利用光的干涉和衍射原理,将物体发射的特定光波以干涉条纹
的形式记录下来,并在一定的条件下使其再现,形成逼真的原物立体像。
由于记录了物体的
全部信息(振幅和相位),因此称为全息照相。
全息照相包含两个过程:
记录和再现。
2、光的干涉——全息记录的获得全息照相是一种干涉技术。
激光器射出的激光束通过
分束镜分成两束,透射光经反射镜反射及扩束镜扩束后射到被摄物体上,再经物体漫反射到
感光底片上,这束光称为物光。
另一束反射光经反射镜和扩束镜扩束后直接投射到感光底片
上,这束光称为参考光。
由于激光是相干光,物光和参考光又都由同一激光器发出,所以在
感光底片上迭加的结果会形成干涉条纹,条纹的疏密和形状反映了物光束的相位,条纹的强
度反映了物光束的振幅。
感光底片经显影、定影和漂白后,最后得到的是一块结构复杂的光
栅,它记录下物光束的全部信息,称为全息照片或全息图。
3、光的衍射——全息照相的再现一张全息图片相当于一块复杂的“衍射光栅”,而物象再现过程就是光的衍射过程。
一般
用相当于拍摄时的激光照射全息图片,就能在全息图片——衍射光栅的衍射光波中得到一列
零级衍射光波和两列一级衍射光波。
4、全息照相的主要特点
(1)立体感强。
(2)具有分割性。
(3)同一张全息底片可重叠多个全息图。
三、实验步骤
(一)全息记录a、调节光路
1)按装置图的相对位置放好各器件,拿下l1和l2,调等高2)使物光束
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