引言 6?Ncgj
&@
vPkLG*d8
第一台气体激光器是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$&*,应用广泛的激光器。与任何其它气体激光器相比,研究的也较为透彻,对其运转的了解也就比任何其它气体激光器更为深入。 +p u[JHF
>%/x~UFc5
氦氖激光器是中性原子气体激光器中的一个典型例子,也是特别重要的一种激光器。由于气态物质的光学均匀性一般较好,所以气体激光器比固体激光器和半导体激光器来说,输出的光学质量(如单色性,相干性,光束的发散角和稳定性等等)很好,这一点在许多应用中是很重要的。 WfPb7T
?m7:@GOE1
随着科学技术的发展,激光技术这一高科技在不断的扩展到国民经济中的各个领域,氦氖激光器以它独有的性能特点首当其冲,广泛的应用在工业、农业、国防、教育、卫生、计量等部门,被用来准直导向、自动控制、精密测量、计量基准、疾病治疗、教学实验,以及作为全息照相、光信息处理、激光光谱、文化娱乐的光源等。随着激光知识的不断普及,激光技术的广泛拓展,被更多的人以及非激光行业的科学工作者所认识,随之出现了与激光有关的交$&*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。 )~2\4t4|g
S-t#d7'B
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。 %m&6'Rpfk
~nZcA^b#DQ
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。 c*KE3:
*s6x
Y6{^cZ!=
4o>y9
一、几何光学教学 bY_'B5$.^2
7x)Pt@c
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)。 Okq,p=D6
)O'LE&kQ|
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。 hSehJjEoM
-()WTdIy
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。 96WzgHPWo
.Fb#j+Lq
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: 7# AIX],
pcMzLMG<
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。 Cqd\n#d/~
*%xbn8
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。 Ak[X`e T
x0 j5D
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。 ?N kKDvv
.*zN@y3
⒋光学仪器的光路实验。如投影仪,显微镜,照相机等。 x*OdMr\n8?
&ALnE:F
pBtO1x6x/
w>W #cTt
二、物理光学实验 %
/:1eE`!S
M}]
*j
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。 9f~qD&~
eV7;#w<]
kn3w6]
Hf4_zd
⒈光波的干涉实验 n;Bb/Z!~
u(vZOf]jL
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: h'y"`k-
FJ_JaIby
⑴扬氏双缝干涉实验 0CzQel)L:
=O}I{dNKZV
⑵用罗意镜法实现光波干涉振幅分割的光束干涉实验 @CNJpQ ujn
Snr(<u
⑶利用牛顿环测量透镜的曲率半径R 6Bq_<3P_
TV`1&ta
⑷利用光通过空气楔产生的干涉测量金属丝的直径 SZGR9/*^
t/|0"\ p
⑸用干涉法测量玻璃基板的平行度 9'MGv*Ho
2u.0AG
⑹迈克尔逊干涉仪的组装 @i ~ A7L0/
`v-[&
⑺用干涉法测量空气的折射率 il^;2`]&
8AR8u!;8
⑻用法布里-珀罗标准具精确测定氦氖激光的波长 [,Ehu<mEK
ebA95v`Vms
x3n9|Uud
etX@z'H
⒉光波的衍射实验 7O1MC 8{
r+#{\~r7T
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:
wra0bS)4
(d4btcg
⑴泊松-阿喇戈光斑的观察 B*tYp
|r~ u7U\
⑵圆孔屏的菲涅耳衍射和夫琅和费衍射条纹的观察 1ksFxpE
izP)t
⑶单缝和单丝衍射条纹的观察 oq7G=8gTp
<7P[)X_
⑷直边和矩孔的菲涅耳衍射条纹的观察 \'~
E%=Q
L[<#>/NPy
⑸高斯光束的单缝衍射光强分布 *)K\&h<{
oC`F1!SfOO
$w(RJ/
NP;W=A F
⒊光的偏振实验 ,rMDGZm?
ZR1U&<0c@
光的偏振实验证明光波是一种横波,反映了光具有电磁波的性质。通过研究光的偏振状态在介质中传播过程的变化,可以了解光波与物质相互作用的机理。在光波的偏振实验中,一般要研究光扰动的全部参数,振幅,频率,波长,相位(时间相位和空间相位)。主要实验如: [ar0{MPYd
<,CrE5Pl
⑴用渥拉斯登棱镜模拟双折射现象 ||hQ*X<m>
}Xj25` x
⑵补偿器的定标 qyM/p.mP
6R45+<.
⑶1/4波片的定标 !(lcUdBd
SnE^\I^O
⑷用斯托克斯参数测量椭圆偏振光的参数 SIp)&
:)1"yo\
⑸偏振光的干涉 &nIu^,.
vRe{B7}p;
o2
ng
ZWkRoJXNi
三、傅立叶光学实验 k6C XuU
L/"MRQ"
人们把数学,信息论和光学的衍射结合起来,发展一门新的科学――傅立叶光学。傅立叶变换与空间频谱是紧密相联系的,它的基本思想是用空间频谱的语言分析光信息,用改变频谱的手段处理相干成象系统中的光信息,用频谱改变的眼光评价不相干成象系统中象的质量。 \Kf\%Q
*}\M!u{J
⑴阿贝成象原理 %u!=<yn'
~5,^CTAM
⑵高低通滤波实验 0O"W0s"T#
sZrVANyqb
⑶验证巴被俾米涅原理实验 mG
S4W;
2 GRI<M
⑷理想高斯光束的获得 Jk*cuf`rq
5{'hsC
AJ7w_'u=@
F` ybe\
四、全息和光信息处理实验 R!dC20IMvH
)R7Sh51P
早在1948年就有人为提高电子显微镜的分辨本领而提出全息理论,并开始了全息照相的研究工作,但进展一直很慢。激光的出现为全息照相提供了理想的光源,使全息技术的研究进入了一个新阶段,成为科学技术的一个新领域。氦氖激光以它的模式好,相干性好,使用方便的特点,已成为全息以及光信息处理中被广泛使用的光源。有关实验有: BAQ-1kSz
3y)\dln
⑴漫反射全息图的拍摄和再现 #I=EYl=Vvi
\:;MFG'
⑵全息光栅的制备 :7K
a4
`=Ip>7T&
⑶反射式全息照相(白光再现全息照相) (H_dZL
B[L m}B[
⑷彩虹全息图的拍摄 m|q,ixg
h]<S0/
⑸时间平均干涉法测量叶片的振动频率 j*>J1M3E
j4IVIj@$`
⑹二次曝光全息干涉方法测量钢尺的微小变形 W{;Qi&^ca
cUq]PC$|
⑺二次曝光全息干涉方法观测灯泡通电后的气流分布 =\6)B{#T
`O6#-<>
⑻用全息照相技术测量光学透明材料的不均匀性 DZ|*hQU>K
m[}P
⑼用傅立叶变换全息进行资料储存 akvi^]x
pyhXET
'
⑽用傅立叶变换全息进行特征字符识别 n%3!)/$
?L }>9$"
⑾用散斑照相方法测量漫射体的平移 vx9!KWy}
# `=Zc7gf
_ ^FC9
8~(xi<"e
五、激光原理教学实验 z 3aGK
.RpJZ[E
激光是60年代初期出现的新型光源,可以说,激光的问世使古老的光学发生了一场革命。作为典型的氦氖激光器,较为充分的反映出了激光的基本特征,以及激光的基本性能参数。解剖和分析它,对深入的了解激光,进一步研究激光和扩展激光应用范围开拓了思路。主要实验有: &ZD@-"@
FQ>$Ps*a[
⑴氦氖激光高斯光束发散角的测量 k3bQ32()
WX4sTxJK
⑵氦氖激光器的模式分析 dBI-y6R
O&?i#@5#
⑶氦氖激光器增益、损耗和饱和参量的测量 UPH#~D!
/MtmO$.
⑷用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性 eDpi0htm
]1++$Ej
⑸氦氖激光器的功率与放电参量的关系 ]0D- g2!|A
V,KIi_Z
R%.`h
D=ej%]@iw
六、激光技术实验 z)T-<zWO;
v\@qMaPY
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: \d"\7SA
}sxs-
⑴激光稳频与测量技术 (}b~}X9
1>e30Ri,g
⑵氦氖多谱线激光器 e=9/3?El
4r$#-
⑶腔内标准具腔内选模单频激光 Xy(QK2|
0$|VkMq(
⑷声光调制锁模激光器 3#t9pI4
<.)=CK
⑸光学双稳实验 l`\L@~l n
qlcd[Y*B
⑹单模光纤维尔德常数的测量 `sm Cfh}j6
b%lB&}uw}
七、非线性光学实验 I7vP*YE 7F
w"0$cL3
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。 XKGiw 2
C
eP2Q2C8g
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。 LGL;3EI
.
Z&5TK4I
⑴氦氖激光腔内倍频技术 QjLU@?&
\ZRII<k5)
⑵氦氖激光受激喇曼散射