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激光器知识


氦氖激光器的基本结构和工作原理

浏览: 517次 2016-03-24

一、实验目的

1.   了解氦氖激光器的基本结构。

2.   掌握氦氖激光器的工作原理。

3.   学会用十字叉丝进行激光器的调节,以及其他相关调试方法。


二、实验设备

全外腔He-Ne激光器、激光电源、十字叉丝、激光功率计。


三、实验原理

从1960年代激光器问世以来,各种类型的激光器相继研制成功,并因它所具有的独特的性能――高亮度、良好的方向性,单色性,相干性被广泛应用于工业、农业、国防、计量、医疗等行业。其中气体激光器是目前种类最多,应用最广泛的一类激光器。而氦氖激光器又在气体激光器中最具有代表性,它制作容易,运作可靠,所以我们就以氦氖激光器为典型实例进行结构分析和实验。


激光器一般具有三个组成部分:工作物质(增益介质),谐振腔(光学共振腔),激励能源。其结构示意图如图1所示。

图1

氦氖激光器的工作物质为纯度大于99.99%的氦气和氖气。其中氖气是能激发出激光的气体,而氦气则是提供光放大条件(产生粒子数反转)的气体。他们按一定的比例,一定的压强充入用玻璃制作的放电管内。为了提高能量使气体点燃,在其上面安装阳极和阴极。

谐振腔主要由腔体、反射镜、毛细管构成,他们的组合,共同保证光在腔体内振荡放大,最终获得激光输出。其技术要求是:毛细管(放电管)的直度,两个反射镜的平行度和反射镜片与毛细管的垂直度。毛细管不仅直度要求严格,其内径尺寸也有特殊要求。反射镜共有两片,其一片是全反的凹面镜,反射率优于99.85%;另一片是一定透过率的平面镜,反射率约98.5%。
氦氖激光器的激励能源一般是直流高压电,称之为氦氖激光器电源。它将市用220V交流电变换成直流高压,并根据气体放电的特点,实现高压电的正常运转。氦氖激光器的电参数是:启辉(点燃)电压,工作电压和最佳工作电流。启辉电压高于工作电压,实验用的激光器的启辉电压为4500V,工作电压约1200V,最佳工作电流约5mA.
调整方法:

对激光器进行调整,实际就是有针对性地调整其毛细管直度、两个反射镜之间的平行度、毛细管与反射镜的垂直度(以下简称直度、平行度、垂直度),使激光器处于最佳状态,获得满意的性能指标。以下介绍几种方法:

(1)十字光靶法(自准直法):

这种方法适用于调整反射镜片与毛细管轴的垂直度失调而导致不出光的激光器。调整工具称之为十字光靶,它是由一个光屏和照明小灯组成。光屏用铝板或铁板制成,大小约有6cmX6cm,一面涂有白漆,在中间打一个约1mm的小孔,并以小孔为中心点画一个黑色十字叉丝线。使用时,这个白屏必须用灯照明,因此可将一个灯泡安装在旁边,组成一体,便于使用,如图2。临时急用时,可用一张较厚的白纸片做成光屏,用台灯或手电照明,也成为一个简单的光靶。

图2
首先将激光器点燃,使放电管辉光放电。将十字面对激光器输出端,距离在10cm左右。用眼睛通过光靶上的小孔去观察毛细管的轴心,如图3所示。
如果太亮,可以在光靶与眼睛之间放入滤光片或带上防护镜,颜色为浅红色或浅绿色。如果被调的激光器功率较大,为保护眼睛,可在腔内插入挡板,挡板放在不调整的那一段腔内的布窗与镜片之间。也可以放入透明的绿光片等,只要放在腔内就可以抑制激光振荡,防止在调整时突然出光,直射眼睛。

图3
光靶的小孔对准毛细管的轴,并移动光靶的位置,用眼睛观察,选找毛细管中心的亮点(关键之处)。通过光靶从端面镜观察毛细管时,很容易看到毛细管内径的亮斑,不要误认毛细管内孔的亮斑为亮点。看此亮点的要点是:必须沿着毛细管轴心看;必须看毛细管内孔的圆处。如果这个亮点直径小于0.5毫米,则它就是毛细管的轴心,如图4。当看到小亮点后,轻微移动光靶,让亮点处在毛细管亮斑的中心。此时不必管十字叉丝像所处的位置,只要达到图4所示状态,即说明已将光靶的小孔放在毛细管的轴线上了。

图4                                                        图5
继续从小孔观察反射镜片上被灯照明的十字叉丝像,此时光靶的小孔已放在毛细管轴线上了,若反射镜与毛细管轴处于失调状态,即不垂直,此时所观察到的镜片上的十字丝像的交点偏离亮点,见图5所示。这时就需要调整反射镜了。
反射镜是通过旋钮进行调整。旋钮安装在激光器的端面上,一般设计成正交调节,即调节两个旋钮时,反射镜片分别绕X轴和Y轴摆动。在调节时,只是旋动,切忽施加压力。调节其中一端的一个旋钮,可观察到十字叉丝的垂直线水平移动,调节垂直线与中心亮点位置重合,在调另一个旋钮,此时十字丝像的水平线垂直移动,也应使它与中心亮点重合,如图6所示。注意:在快重合时,眼睛微移,以观察不到两点为止,这样即使出光也不会照亮眼睛。反复调至到十字叉点与小亮点重合,垂直度就调好了。
图6
如果该激光器只是一端失调,即应出光。如激光器两端都失调时,用上述方法分别调整两端。在调整时,由于观察误差,很难一次调整成功出光。所以在两端都失调的情况下,一般需要反复调节多次。
(2)扫描法:
这种方法也是上述方法的继续。及至激光器只有一端失调时,但失调度又不大,或者已用十字光靶法将十字丝像调到与亮点重合,还不出激光,则用扫描法进行调节。

操作时,两个旋钮同时调节。一个旋钮在原位缓慢的来回旋动或来回步进旋动,另一个旋钮在原位较快速的来回旋动。这就相当于镜片与管轴在基本垂直的位置上扫动,寻找最佳垂直位置,使之出光。在扫动过程中,一旦有激光闪出,就应马上停止旋动。然后,再用功率计监视,仔细反复调整旋钮,使输出激光功率升高。

(3)跟踪法:

此方法适用于垂直度失调,但失调度不大,有激光输出的情况。激光器虽然有激光输出,但功率并不高,再分别调节反射镜时,功率也不升高,达不到原功率指标。这是因为两个反射镜的平行度虽然已调好,但垂直度仍有很小的失调,此时虽有激光输出,但功率低,如图7。

图7
在调节反射镜时,无论调到哪一端,都会使功率下降。因为只要调节,首先破坏了两反射镜的平行度,则功率就会下降,仅调一端反射镜解决不了反射镜与毛细管轴的垂直度问题。
在此状态下,观察输出光斑图样,其图样不呈圆形,又不均匀,也不对称。
在上述情况,激光器的垂直度失调不大时,很难判断其失调的方位。由于有激光输出,可以用功率计监视调节。首先调节激光器尾端的一个旋钮,顺时针方向旋转一个小角度,有意破坏其平行度,同时观察激光功率,使输出功率下降到原来调时功率值的1/4。然后再调节激光器前端所对应的那个旋钮,如果后端调节的是反射镜绕X轴转动的那个旋钮,则前端也应调节反射镜绕X轴转动的那个旋钮。实际是用前端镜片跟踪后端的镜片,来恢复两镜片的平行度。此时观察输出的功率值,如功率比原功率低,说明垂直度更差了,应改为逆时针旋动后端旋钮,前端再跟踪调节。如功率呈上升趋势,则继续跟踪调节,直至垂直度最佳,而平行度不被破坏,使功率达到最大值。用同样的方法调节另外的那对旋钮,使功率上升到最高值。要获得最佳的垂直度,需要用该方法对两组旋钮反复进行调整,最后达到激光功率最大。此时光斑图样也达到最佳,光强呈高斯型分布。


四、实验内容

1.按照实物和结构示意图认识激光器的三大组成部分。
2.开启激光器电源,使毛细管中的气体点燃,如谐振腔是正常状态,则有激光输出。
3.调节一端的反射镜旋钮,使之失调,即两个反射镜的平行度遭到破坏,则光不能在介质中来回反射放大,不能产生激光。
4.采用自准直(十字光靶法)调光实验。

5.继续调节,氦氖激光器的输出功率最大。


注:部分图文来源于网络

来源: 未知 | 浏览: 517次 | 2016-03-24

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