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    只看楼主 正序阅读 楼主  发表于: 2009-03-06
    关键词: 激光器
    引言 }4S6Xe  
    L4?IHNB  
        第一台气体激光是1961年由贾范(Javan)、贝内特(Bennett)和赫里奥特(Herriott)报导的氦氖激光器。其输出波长为1.15μm,是不可见的红外氦氖激光器。经过40多的发展,氦氖激光器成为目前种类最多,容易制作,质量十分可$&*,应用广泛的激光器。与任何其它气体激光器相比,研究的也较为透彻,对其运转的了解也就比任何其它气体激光器更为深入。 '[O;zJN;  
    z&^&K}  
        氦氖激光器是中性原子气体激光器中的一个典型例子,也是特别重要的一种激光器。由于气态物质的光学均匀性一般较好,所以气体激光器比固体激光器和半导体激光器来说,输出的光学质量(如单色性,相干性,光束的发散角和稳定性等等)很好,这一点在许多应用中是很重要的。 6\S~P/PkE  
    &YeA:i?  
        随着科学技术的发展,激光技术这一高科技在不断的扩展到国民经济中的各个领域,氦氖激光器以它独有的性能特点首当其冲,广泛的应用在工业、农业、国防、教育、卫生、计量等部门,被用来准直导向、自动控制、精密测量、计量基准、疾病治疗、教学实验,以及作为全息照相、光信息处理、激光光谱、文化娱乐的光源等。随着激光知识的不断普及,激光技术的广泛拓展,被更多的人以及非激光行业的科学工作者所认识,随之出现了与激光有关的交$&*科学,如激光化学、激光生物学、激光光谱学、激光医学等等,氦氖激光器在很多学科中占有不可忽视的地位。 7T'B6`-Ox  
    s(roJbJ_;  
        在70年代初期,我国的氦氖激光器就走出了科研单位,进入社会的工厂企业。目前我国生产的氦氖激光器品种很多,常用氦氖激光器的主要性能指标已达到了国际水平,而在性能价格比上,占有极大的优势。由于它结构简单,非常直观的体现出组成激光器的三大部分,即工作物质、谐振腔和激励电源;它使用的材料一般,制作工艺也较为成熟,被广泛的应用到教学中。 W|(1Y D  
    .XhrCi Z  
    在教学中使用氦氖激光器可分为两种情况:第一种是利用它单色性好,方向性好和亮度高的特点作为光源,开展几何光学,物理光学,以及近代光学的教学实验;第二种是作为激光器的典型范例,分析其特性,深入了激光器的原理、参数、性能,开展激光和激光技术的教学实验。 /vb`H>P  
    Oz#{S:24M+  
    Q)z8PQl O  
    S>; 5[l 4  
    一、几何光学教学 {cw /!B  
    @$K"o7+]   
        人们把光的能量看成是沿着一根根光线传播的,它们遵从直进、反射、折射定律,便是几何光学。几何光学实验的主要内容是分析光传播的路径,测定成象位置的大小,观察成象的清晰度以及经过光学系统所成图象上各点的明暗(光强或照度的大小)。 f'3$9x  
    -o EW:~y  
        用输出波长为632.8nm氦氖激光描述光线的传播,是很形象的。因为是红光,有一定的光强,发散角很小,将看不见的光线用激光线模拟成可见的光线,直观的看到光线传播。这种典型的教学仪器是激光实验箱,见图。 $ o#V#  
    9@)O_@=  
        实验箱体的大小一般在30cm×45cm,它是用输出2mW的氦氖激光管作光源,用分束镜把光束分成三束,显示在箱体面上。分束镜可以旋转,能够操作成相互平行,发散和会聚的光束。图1显示的是三束平行光束。 Q.c\/&  
    N$:8 ,9.z  
        该仪器还配有各种光学元件,如平面反射镜,多种的凸透镜、凹透镜,棱镜等,有时还配有简单的作物理光学实验的元件。可以进行的主要实验有: B^jc3 VsR  
    k+l b@!  
        ⒈几何光学基本三定律的实验,即光的直线传播定律;光的反射定律;光的折射定律。了解光在均匀的介质里沿直线传播,反射线,入射线,反射角,入射角,折射角,全反射等。 b*Q&CL  
    "8zDbdK  
        ⒉各种透镜的实验。了解凸透镜对光束的会聚,凹透镜对光束的发散,透镜的焦点、焦距、焦面和透镜组等实验。 , SnSW-P  
    "Os_vlapHo  
        ⒊棱镜的实验。如直角棱镜的全反现象,光线在三角棱镜主截面内的折射,棱镜的最小偏向角等实验。 -+-_I*(  
    iMRwp+$  
    光学仪器的光路实验。如投影仪,显微镜,照相机等。 dN[\xVcj  
    >~+ELVB&  
    % +\. " eC  
    YkQd  
    二、物理光学实验 -1ub^feJ,  
    57'4ljvYi  
    物理光学(波动光学)是研究光波动性(干涉、衍射、偏振)的科学。用氦氖激光作光源有很大的优越性,因为它相干性好,干涉衍射条纹清晰,再加上亮度高,可以在一般照明的实验室中作实验。 sds"%]r g  
    IRqy%@)  
    PRE|+=w$  
    &~U ]~;@  
        ⒈光波的干涉实验 G'aDb/  
    1D!<'`)AY  
        一般光强的光波在线性媒质中,服从波的迭加原理。由于波的迭加而引起光强的重新分布,这种现象称之波的干涉。实验者要做好光波的干涉实验,首先掌握光波的分割法。双光束干涉实验和多光束干涉实验分为波面分割与振幅分割。实验有: R0  
    -!]ZMi9  
        ⑴扬氏双缝干涉实验 l0i^uMS  
    k2UVm$}u  
        ⑵用罗意镜法实现光波干涉振幅分割的光束干涉实验 t}tEvh  
    xW Q`tWA:J  
        ⑶利用牛顿环测量透镜的曲率半径R ZO$%[ftb  
    ?#UO./"  
        ⑷利用光通过空气楔产生的干涉测量金属丝的直径 >!)DM]Ri  
    KL Xq\{X  
        ⑸用干涉法测量玻璃基板的平行度 S#} KIy  
    2WYPO"q  
        ⑹迈克尔逊干涉仪的组装 }txX; "/  
    O463I.XAP  
        ⑺用干涉法测量空气的折射率 Jo23P.#<  
    R@k&SlL'`  
    ⑻用法布里-珀罗标准具精确测定氦氖激光的波长 Qv/=&_6  
    3I-MdApT  
    Alw3\_X  
    [Hh9a;.*}h  
        ⒉光波的衍射实验 u!qP  
    ))'<_nD  
        所谓波的衍射是当波遇到障碍物时偏离了直线传播的现象。不相干的普通光源,光的衍射现象是不明显的。而当我们采用了高亮度相干性好的激光,则可以很容易的将光的衍射现象演示出来。例如: n^6j9 FQ7  
    'Ne@e)s9  
        ⑴泊松-阿喇戈光斑的观察 N_[*H  
    !f&g-V  
        ⑵圆孔屏的菲涅耳衍射和夫琅和费衍射条纹的观察 ^eYVWQ'  
    k7A-J\  
        ⑶单缝和单丝衍射条纹的观察 y:qUn!3  
    %;YHt=(1*X  
        ⑷直边和矩孔的菲涅耳衍射条纹的观察 ]+:^W^bs:  
    [RTs[3E^  
    ⑸高斯光束的单缝衍射光强分布 #],&>n7'  
    Otm0(+YB 7  
     t[ C/  
    9j:"J` '  
        ⒊光的偏振实验 x39<6_?G  
    Z Sd4z:/  
        光的偏振实验证明光波是一种横波,反映了光具有电磁波的性质。通过研究光的偏振状态在介质中传播过程的变化,可以了解光波与物质相互作用的机理。在光波的偏振实验中,一般要研究光扰动的全部参数,振幅,频率,波长,相位(时间相位和空间相位)。主要实验如: 2WxQ(:d=  
    9\JF`ff_  
        ⑴用渥拉斯登棱镜模拟双折射现象 JbQ) sp  
    Z^MNf  
        ⑵补偿器的定标 YcK|.Mq':  
    Sa;qW3dt3E  
        ⑶1/4波片的定标 Y#$%iF  
    oj_3ZsO  
        ⑷用斯托克斯参数测量椭圆偏振光的参数 LW_ f  
    >%8KK|V{  
    ⑸偏振光的干涉 _D(rI#q  
    =xx]@  
    2Ny"O.0h  
    Px`!A EFd[  
    三、傅立叶光学实验 2JcjZn  
    CooQ>f  
        人们把数学,信息论和光学的衍射结合起来,发展一门新的科学――傅立叶光学。傅立叶变换与空间频谱是紧密相联系的,它的基本思想是用空间频谱的语言分析光信息,用改变频谱的手段处理相干成象系统中的光信息,用频谱改变的眼光评价不相干成象系统中象的质量。 m:o<XK[>  
    `t'W2X  
        ⑴阿贝成象原理 _?0}<k Q&  
    )*x6 FfTUd  
        ⑵高低通滤波实验  LsS  
    i|*)I:SHU  
        ⑶验证巴被俾米涅原理实验 Qtv&ijFC  
    `W/>XZl+t  
    ⑷理想高斯光束的获得 }"!I[Ek> y  
    Oh6fj}eK  
    :\7X}n*&  
    vJOw]cwq  
    四、全息和光信息处理实验 (7=!+'T"  
    =uYYsC\T  
        早在1948年就有人为提高电子显微镜的分辨本领而提出全息理论,并开始了全息照相的研究工作,但进展一直很慢。激光的出现为全息照相提供了理想的光源,使全息技术的研究进入了一个新阶段,成为科学技术的一个新领域。氦氖激光以它的模式好,相干性好,使用方便的特点,已成为全息以及光信息处理中被广泛使用的光源。有关实验有: s 3f-7f<  
    ?[Q3q4  
        ⑴漫反射全息图的拍摄和再现 &/]Fc{]^$f  
    {vyv7L  
        ⑵全息光栅的制备 3r."j2$Hs0  
    q}#6e]t  
        ⑶反射式全息照相(白光再现全息照相) Jk=I^%~  
     e5*hE  
        ⑷彩虹全息图的拍摄 ;{tj2m,  
    A='N=^Pm  
        ⑸时间平均干涉法测量叶片的振动频率 FOy|F-j  
    F Yzi~L  
        ⑹二次曝光全息干涉方法测量钢尺的微小变形 ,a]?S^:y]  
    rb+j*5Es  
        ⑺二次曝光全息干涉方法观测灯泡通电后的气流分布 v4c[(&  
    n'kG] Q  
        ⑻用全息照相技术测量光学透明材料的不均匀性 x&Kh>PVh\  
    d,Yw5$i  
        ⑼用傅立叶变换全息进行资料储存 H0`]V6+<f  
    (VEpVn3{  
        ⑽用傅立叶变换全息进行特征字符识别 yS(fILV  
    G5aieD.#  
    ⑾用散斑照相方法测量漫射体的平移 v)t:|Q{I  
    RA'M8:$  
    Q&=w_Wc  
    }Nm#q@o$P  
    五、激光原理教学实验 4DOH`6#an  
    DiwxXqY  
        激光是60年代初期出现的新型光源,可以说,激光的问世使古老的光学发生了一场革命。作为典型的氦氖激光器,较为充分的反映出了激光的基本特征,以及激光的基本性能参数。解剖和分析它,对深入的了解激光,进一步研究激光和扩展激光应用范围开拓了思路。主要实验有: KZ ;k)O.Ov  
    _ff`y  
        ⑴氦氖激光高斯光束发散角的测量 z(Pe,zES  
    ^!ZC?h!rG  
        ⑵氦氖激光器的模式分析  SVs_dG$  
    O  %!!w  
        ⑶氦氖激光器增益、损耗和饱和参量的测量 3|4|*6  
    ?Unb? {,&2  
        ⑷用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性 'o+L41  
    '~[d=fwH  
    ⑸氦氖激光器的功率与放电参量的关系 $oU*9}}Rn  
    nv%rJy*w[  
    jW3!6*93  
    9c#+qH  
    六、激光技术实验 QWSTR\!  
    ^O<&f D  
        随着氦氖激光器用途不断的扩展,有关的激光技术也不断的出现。例如氦氖激光器的稳频,选频,单频,锁模,稳功率等技术。这方面的实验有: ]#l/2V1  
    nvJf/90$  
        ⑴激光稳频与测量技术 Ix!Iw[CNd  
    `c5"d  
        ⑵氦氖多谱线激光器 s{S4J'VW  
    >x+6{^}Q>  
        ⑶腔内标准具腔内选模单频激光 vss(twg  
    n}_JB>i~  
        ⑷声光调制锁模激光器 2w_WAdi  
    Ba*,-i3ZK  
        ⑸光学双稳实验 . Z.)t  
    !GLz)#SBl  
        ⑹单模光纤维尔德常数的测量 r(aLEJ"u?  
    vCxD~+zf  
    七、非线性光学实验 ;":zkb{  
     TYmP)  
        非线性光学有关现象可分为三类:1.参量过程,包括倍频、和频、差频、高倍频(高次谐频)和光的参量振荡。2.各种散射现象和它的受激发射。3.多光子吸收、光子电离、光自陷(自聚焦)介质的光致损坏。 E^lvbLh'  
    W<$Z=(_v  
        光在介质的传播过程,是光与介质相互作用的过程,这个过程有两个相关的分过程:一是光作用在介质上引起的介质的极化,产生宏观的极化强度,为介质的极化过程。另一是光的辐射过程。介质中的光场随时间的变化,所产生的变化极化强度将作为一个光辐射源辐射光波。从极化强度与光电场的关系得知,当入射光的频率为ω时,在介质内引起了2ω、3ω………高次谐波极化强度,从而产生了2ω、3ω………高次谐波的光。当光场较弱时,极化强度与光电场之间呈线性关系,只能引起与入射光相同频率的极化强度,产生相同频率的辐射光波。当光强较强时,能观察到非线性效应。激光的诞生给非线性光学带来了生机。 ;8*`{F[  
    k*E\B@W>  
        ⑴氦氖激光腔内倍频技术 8U>B~9:JO  
    {VvqO7A  
        ⑵氦氖激光受激喇曼散射
     
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