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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2009-03-06
    关键词: 激光器
    引言 I~Z m**L  
    <i1P~  
        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。 <8/lHQ^\)  
    <3Hu(Jx<O  
        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。 %|3UWN  
    &rxR"^x\  
        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$&*科学,如激光化学、激光生物学、激光光谱学、激光医学等等,氦氖激光器在很多学科中占有不可忽视的地位。 =").W\,  
    ,cFp5tV$  
        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。 S>p>$m, Q  
    YY<e]CriU  
    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。 M3 $MgsN:  
    Y~M  H  
    \7,'o] >M-  
    \Tj(]  
    一、几何光学教学 hC =="4 -  
    tMy@'nj  
        人们把光的能量看成是沿着一根根光线传播的,它们遵从直进、反射、折射定律,便是几何光学。几何光学实验的主要内容是分析光传播的路径,测定成象位置的大小,观察成象的清晰度以及经过光学系统所成图象上各点的明暗(光强或照度的大小)。 Z?-l-s K  
    v<Ux+-  
        用输出波长为632.8nm氦氖激光描述光线的传播,是很形象的。因为是红光,有一定的光强,发散角很小,将看不见的光线用激光线模拟成可见的光线,直观的看到光线传播。这种典型的教学仪器是激光实验箱,见图。 lq!l{[Xp  
    e: :H1V  
        实验箱体的大小一般在30cm×45cm,它是用输出2mW的氦氖激光管作光源,用分束镜把光束分成三束,显示在箱体面上。分束镜可以旋转,能够操作成相互平行,发散和会聚的光束。图1显示的是三束平行光束。 nEm+cHHo?  
    5ERycC y  
        该仪器还配有各种光学元件,如平面反射镜,多种的凸透镜、凹透镜,棱镜等,有时还配有简单的作物理光学实验的元件。可以进行的主要实验有: z<mU$<  
    bdCpGG9  
        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。 QRv2%^L  
    Z`b{r;`m8  
        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。 R#Bdfmld q  
    g< {jgF  
        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。 &6 L{1  
    I(Yyg,1Z  
    光学仪器的光路实验。如投影仪,显微镜,照相机等。 Rj=xn(@d  
    Tce2]"^;  
    Ol24A^  
    mko<J0|4  
    二、物理光学实验 I.\fhNxHY  
    PGHl:4`Es!  
    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。 (v8jVbg  
    j>Htaa  
    HLU'1As65  
    \6xVIQ& 0  
        ⒈光波的干涉实验 T!)v9L  
    e;<=aa)}?  
        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: 9Qb_BNUo  
    i4N '[ P}  
        ⑴扬氏双缝干涉实验 6nRD:CH)X  
    i1 ?H*:]  
        ⑵用罗意镜法实现光波干涉振幅分割的光束干涉实验 ]J C}il_b  
    T?c:z?j_9  
        ⑶利用牛顿环测量透镜的曲率半径R DxT8;`I%  
    2, ` =i  
        ⑷利用光通过空气楔产生的干涉测量金属丝的直径 snV,rZ  
    F"3PP ~  
        ⑸用干涉法测量玻璃基板的平行度 8hi|F\$_h  
    -lm\~VZT3  
        ⑹迈克尔逊干涉仪的组装 Cv|ya$}a  
    kQ~*iY  
        ⑺用干涉法测量空气的折射率 `Q*L!/K+  
    +I7n6s\  
    ⑻用法布里-珀罗标准具精确测定氦氖激光的波长 ;z>)&F  
    CC>]Gc7  
    ,&!Txyye  
    {|6(_SM|  
        ⒉光波的衍射实验 Qd 1Q~PBla  
    EOjo>w>  
        所谓波的衍射是当波遇到障碍物时偏离了直线传播的现象。不相干的普通光源,光的衍射现象是不明显的。而当我们采用了高亮度相干性好的激光,则可以很容易的将光的衍射现象演示出来。例如: O s@ d&wm  
    ~w'M8(  
        ⑴泊松-阿喇戈光斑的观察 b&Qj`j4]ZM  
    s3W)hU)  
        ⑵圆孔屏的菲涅耳衍射和夫琅和费衍射条纹的观察 Be+vC=\K  
    *S_eYKSl  
        ⑶单缝和单丝衍射条纹的观察 B8:_yAv o  
    70l"[Y  
        ⑷直边和矩孔的菲涅耳衍射条纹的观察 `6b!W0$ -  
    <DCrYt!1}c  
    ⑸高斯光束的单缝衍射光强分布 Ym5q#f)|  
    auqM>yx  
    d$/BF&n  
    GH![rK  
        ⒊光的偏振实验 " ;cWK29\f  
    C$xU!9K[+  
        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: *Y6BPFE*4  
    GmB7@-[QA%  
        ⑴用渥拉斯登棱镜模拟双折射现象 yK<%AV@v  
    pIk&NI  
        ⑵补偿器的定标 =u(. Y  
    _mKO4Atw  
        ⑶1/4波片的定标 4,T!zT6&  
    `itaQGLD  
        ⑷用斯托克斯参数测量椭圆偏振光的参数  [ottUS@  
    /+ vl({vV  
    ⑸偏振光的干涉 iK1<4)  
     ;OQ{  
    9. Q;J#;1  
    -4o6 OkK<  
    三、傅立叶光学实验 a5:Q%F<!  
    ad8kUHf  
        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。 Sb+pB58&N  
    ~oh=QakW  
        ⑴阿贝成象原理 JNRG [j  
    R 28v5  
        ⑵高低通滤波实验 ZJ@M}-4O1  
    &C<B=T"I  
        ⑶验证巴被俾米涅原理实验 cOth q87:  
    CE:TQzg  
    ⑷理想高斯光束的获得 !9DqW&8  
    -kxNJ Gc?  
    @kn0f`  
    7\'vSHIL  
    四、全息和光信息处理实验 "?hEGJ;m"  
    kehv85  
        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: .{LFc|Z[  
    f@Rn&&-  
        ⑴漫反射全息图的拍摄和再现 (Sr&Y1D  
    v{^_3 ]  
        ⑵全息光栅的制备 h #Od tc1)  
    eyy{z;D8r  
        ⑶反射式全息照相(白光再现全息照相) hWwh`Vw%  
    ]fI v{[A_  
        ⑷彩虹全息图的拍摄 &/}]9 #  
    2cr~/,YY  
        ⑸时间平均干涉法测量叶片的振动频率 So\(]S  
    g8 ,V( ^  
        ⑹二次曝光全息干涉方法测量钢尺的微小变形 *fso6j#%  
    I.A7H'j  
        ⑺二次曝光全息干涉方法观测灯泡通电后的气流分布 \,i9m9;y  
    nV ko]y  
        ⑻用全息照相技术测量光学透明材料的不均匀性 x'@0]f.  
    7R[4XQ%  
        ⑼用傅立叶变换全息进行资料储存 qP6]}Aj]  
    Wc ]BQn  
        ⑽用傅立叶变换全息进行特征字符识别 ,J"6(nk  
    lcHw Kd  
    ⑾用散斑照相方法测量漫射体的平移 |gM|>  
    u;p{&\(]  
    3~}G~ t  
    Lz's!b  
    五、激光原理教学实验 \:-#,( .V  
    l7]:b8  
        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: n]?Yv E  
    G < Z)y#  
        ⑴氦氖激光高斯光束发散角的测量 |} ;&xI  
    9&fS<Hk  
        ⑵氦氖激光器的模式分析 0m7ANqE[Z  
    &[$qA  
        ⑶氦氖激光器增益、损耗和饱和参量的测量 ~+}w>jIm{|  
    k'E3{8<!  
        ⑷用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性 q,3_)ZOq  
    <|[G=GA\S!  
    ⑸氦氖激光器的功率与放电参量的关系 x1</%y5ev  
    Ppi/`X  
    CRf!tsj@  
    >=BH$4Ce  
    六、激光技术实验 =/Pmi_  
    !|;^  
        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: kIhP 73M  
    B/.+&AJw  
        ⑴激光稳频与测量技术 JpqZVu"7  
    S7]\tw_L)  
        ⑵氦氖多谱线激光器 B,@geJ  
    0YK`wuZGS  
        ⑶腔内标准具腔内选模单频激光 (|+Sbq(o  
    ' RK .w^  
        ⑷声光调制锁模激光器 9o5W\.A7[D  
    oU`8\ n](  
        ⑸光学双稳实验 X-2rC  
    dCv@l7hE  
        ⑹单模光纤维尔德常数的测量 qniP`P4E  
    jN 9|q  
    七、非线性光学实验 &<hDl<E  
    q)vdDdRe_  
        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。 6/_] |4t  
    ATx6YP@7~  
        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。 %;ZWYj`]n  
    4g<F."  
        ⑴氦氖激光腔内倍频技术 ]Hr:|2 |.  
    +Tz Z   
        ⑵氦氖激光受激喇曼散射
     
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