激光实验报告.docx
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激光实验报告.docx
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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?
(m?
2n?
1)]cos-1[(1-)(1-)]r2?
r12?
l
(17)
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?
ll1/2c1(?
m?
?
n)cos-1[(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?
l
其中:
δq=q-q′,相邻两纵模的频差为
?
?
q?
c2?
l
(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?
mn:
mn1?
(?
m?
?
n)cos-1[(1-)(1-)]1/2r1r2?
?
q?
(20)设:
mn:
mn
?
?
q;s=1?
cos-1[(1-ll)(1?
)]1/2r1r2
δ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
(?
m?
?
n)?
?
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:
4?
l?
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?
?
f?
4?
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0.926mw最小是在145o时为0.003mw。
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(有详细答案)
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!
未找到引用源。
,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!
未找到引用源。
(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!
未找到引用源。
与气压变化量错误!
未找到引用源。
成正比:
错误!
未找到引用源。
(常数)
故错误!
未找到引用源。
p,将式
(1)代入可得错误!
未找到引用源。
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?
答:
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)使物光束与参考光束的光程近似相等,夹角在30°-40°之间
3)调m1的倾角,使光束射在物的中间部位,调m2的倾角,使参考光束射在全息干
板的中部
4)加入
l1,调其支架并前后移动,使扩束镜恰好照全物体,加入l2,调其支架并前后移动,使参考光束对准白屏,与物光束的光强比在5:
1-10:
1之间
b、曝光照相
关闭激光器,打开暗绿灯,取下观察屏,安装全息干板后,进行曝光。
c、冲洗处理:
显影,停影,定影,清水冲洗、晾干。
(二)全息图像的观察
a、观察再现虚像:
将全息照片放回原记录光路中的原位置,遮住物光(最好将原物体移开),用参考光束照亮全息照片,可在全息照片上观察到立体的再现物体的虚像。
b、全息照相特点的研究四、实验结果
一元硬币的全息照片:
五、思考题
1、在拍摄全息相片时,为什么要求o光和r光的光程尽量相等?
答:
在拍摄全息相片时,要求o光和r光满足光的干涉条件。
当o光和r光的光程差比较大时,o光和r光不在满足光的干涉条件,因而不能拍摄出全息相片。
2、在全息底片重迭处,o光和r光的光强之比为1:
1时,其拍摄效果是不是最好?
为什么?
答:
不是最好。
因为在全息底片的乳胶特性曲线中,当光强为零时,其黑度与光强不成线性关系,此时拍摄出来的全息底片在再现时,会存在一定的畸变。
实验三电子散斑测量
一、
实验目的
1、了解电子散斑干涉原理
2、掌握干涉光路及图像处理软件二、实验原理和方法
电子散斑干涉法是用激光光束直接照射到测试表面,再用电子摄像机采集其变形前后表面散斑颗粒干涉形成的条纹,以测定其离面位移的一种新型、先进的测试技术。
下图为测量离面位移的光路,有激光器1发出的激光束,经扩束镜2及准直镜3形成光斑放大了的准直光,再经分光镜4分成两束,一束照射到反射镜5在返回,另一束照射到被测物6的表面在返回,两束返回的光束干涉形成干涉条纹,也就是一系列等
位移线n,则离面位移为:
错误!
未找到引用源。
三、实验步骤
1)把平台摆好,并调平。
2)各个实验仪器的中心高度调至共轴
3)使激光器发出的光束平行于工作平台的工作
面,分别放入扩束镜和准直镜,调节准直镜,使通过它的被扩束的激光变成平行光,平行光束应通过放入光路中的部件的中心且平行
于平台。
4)放入被测物品和ccd摄像机,调节分光镜上二维调整台的微调旋钮,使物品反射
的光的中心照射到ccd摄像机接收表面上。
5)放入平面反射镜,调节后得到的图像的干涉条纹最清晰且为中心位置
6)给物品加上适当的压力,并拍摄下其变形后的干涉条纹7)利用电子散斑干涉的处理软件对其图像处理
四、思考题
如果本实验采用平行光照明,从理论上看测试精度将有何变化,光路应做何调整?
答:
平行光照明直接观察其条纹时,还能得到更多的信息。
散斑图用平行光照明,在其前方距离为s处设一屏,在屏上任一点o开一小孔进行观察,当只考虑散斑图上某一点p时,就相当于用逐点进行观察,在前方屏上将出现杨氏条纹,这些条纹以不变的空间角度扩散,因此其条纹间距与距离s成正比,用矢量器表示p点散斑移动的大小和方向,在散斑法中,d与被测物面上对应的位置的梯度成正比,显然上述杨氏与矢量已垂直,条纹间距为t-λ/d,其中λ为所用光源波长,现在考虑整个底片,即整个散斑图的全场杨氏干涉效应,篇四:
激光测距实验报告
激光脉冲测距实验
1.实验目的
通过学习激光脉冲测距的工作原理;了解激光脉冲测距系统的组成;搭建室内模拟激光脉冲测距系统进行正确测距,为今后的工程设计奠定理论基础和工程实践基础。
2.实验原理
激光脉冲测距与雷达测距在原理上是完全相同的,如图2.1所示。
在测距点激光发射机发射激光脉冲,光脉冲经过光纤到达接收端,并被测距机上的探测系统接收。
测出从激光发射时刻到被接收时刻之间的时间间隔t,根据已知光速,即可求出光纤的长度r为
r=/2(2-1)
式中c为光速。
真空中的光速是一个精确的物理常数
c1=299792458m/s
光纤中的平均折射率n为
n=1.000275266
故光纤中的光速为
c=299710000
可见,激光测距的任务就是准确地测定时间间隔t。
当不考虑光纤中光速的微小变化时,测距精度⊿r主要是由测时精度⊿t确定的
⊿r=c⊿t/2(2-2)
实际脉冲激光测距机中是利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来测定时间间隔t的。
时钟晶体振荡器用于产生固定的频率的电脉冲振荡,脉冲计数器的作用是对晶体产生的电脉冲个数进行计数。
设晶体振荡器产生的电脉冲频率为f,则脉冲间隔t=1/f。
若从激光脉冲发出时刻脉冲计数器开始计数,到光脉冲被接收时刻停止计数。
设这段时间内脉冲计数器共计得脉冲个数为m,则可计算出被测光纤的长度为
r=1/2cmt=cm/f=1.6m(2-3)
相应的测距精度为
⊿r=1/2ct=c/(2f)(2-4)
可见,脉冲激光测距机的测距精度由晶振的频率决定。
常用军用激光测距仪的晶振频率有15mhz、30mhz、75mhz和150mhz等,与其相对应的测距精度分别为正负10m、正负5m、正负2m和正负1m。
晶振的频率愈高,测距精度就愈高,
但随之而来的,不仅是计数器的技术难度增加,而且要求激光脉冲的宽度愈窄,激光器的难度也增加。
对脉冲测距系统,计数器的"开门"信号是由取出一小部分发射激光脉冲经光探测器转换成
激光脉冲测距机由激光器、发射光学系统、接收及瞄准光学系统、取样及回波探测放大系统、技数及显示器和电源几部分组成,如图2.2所示
系统操作人员一旦下达发射激光命令,激光器发射一束窄激光脉冲,经发射光学系统扩束后射向接收系统,其中一小部分经取样后启动计数器开始计数。
激光回波经测距机的接收和瞄准光学系统,聚焦到前面有窄带滤光片的光探测器上。
由探测器将其转换成电信号,再经取样及回波探测放大系统处理后产生"关门"信号用于关闭计数器。
由计数器计得的脉冲个数计算出光纤得电源计数及显示器激光器长度,再通过显示器显示出来。
3.实验装置
实验装置包括"激光脉冲发射/接收电路板"、电脑和"单片机开放板"。
1.激光脉冲发射/接收电路板组成及工作原理
激光脉冲发射/接收电路板原理框图如图2.3所示。
图中emp3032为cpld;max3656为激光驱动器;max3747为限幅放大器;t22为单端信号到分差信号转换芯片;t23为差分信号单短信号转换芯片;ld为半导体激光器;pd为光探测器。
板子上端的emp3032被编程为脉冲发生器,输出重复频率为1khz,脉冲宽度为48ns的电脉冲信号。
此信号经max3656放大后驱动ld发光。
板子下端的emp3032被编程为计数器,对125mhz晶振计数器。
其计数的开门信号来自上端的tx信号,关门信号来自pd的输出。
计数器的计数结果采用12位二进制数据输出,对应时间范围为0~32.76us.
图2.3发射/接收模块原理框图
发射/接收模块布局如图2.4所示,tx、rx1、rx2为三个q9插座。
其中,ld的驱动信号由tx口输出;pd接收到的信号由rx输出。
2.接口管脚说明
插座j9为计数结果输出管脚,包括12位数据管脚和1位计数指示管脚:
?
数据管脚的高八位(从第12到5位)分别对应j9
的1、3、5、7、9、11、13、15;
数据管脚的低四位(从第4到11位)分别对应j9的16、14、12、10。
高电平为1,低电平为0;
?
计数指示管脚为j9的第六位。
计数指示为1表示
正在计数,0表示计数结束。
4.实验内容与要求
图2.4实验系统组成框图
实验系统主要由激光脉冲发射/接收电路板(其上包括脉冲半导体驱动器、脉冲半导体激光器、光电探测接收系统、计数器)和单片机开发板(其上包括单片机及显示模块)组成。
其中脉冲半导体激光驱动器产生重复频率为1khz,脉冲宽度为24ns的电脉冲信号驱动半导体激光器工作,同时此脉冲信号作为计数器的开门信号启动计数器开始对高速晶振输出的脉冲个数计数。
半导体激光器输出光脉冲耦合到光纤中,经过一定长度的光纤传输后再被光电探测器接收转换成电信号,经过放大后作为计数器的关门信号,使计数器停止计数。
此时计数器计到的脉冲个数再乘以晶振的周期即为光脉冲在光纤中的传输时间,此时间乘以光在光纤中的传播速度即为光线的长度。
单片机将计数器的计数值读入,计算出距离值并显示出来。
单片机程序:
/****************************************/
//-------------脉冲测距程序-------------//
//------//
/****************************************/
#include<reg52.h>//头文件
#defineucharunsignedchar//两个宏定义,只是为了方便
#defineuintunsignedint
ucharcodeseg7[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
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