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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 xmsw'\  
    -ich N/U]s  
        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$&*,应用广泛的激光器。与任何其它气体激光器相比,研究的也较为透彻,对其运转的了解也就比任何其它气体激光器更为深入。 E:!?A@Fy  
    oYI7 .w  
        氦氖激光器是中性原子气体激光器中的一个典型例子,也是特别重要的一种激光器。由于气态物质的光学均匀性一般较好,所以气体激光器比固体激光器和半导体激光器来说,输出的光学质量(如单色性,相干性,光束的发散角和稳定性等等)很好,这一点在许多应用中是很重要的。 B^Fe.ty  
    9/'zk  
        随着科学技术的发展,激光技术这一高科技在不断的扩展到国民经济中的各个领域,氦氖激光器以它独有的性能特点首当其冲,广泛的应用在工业、农业、国防、教育、卫生、计量等部门,被用来准直导向、自动控制、精密测量、计量基准、疾病治疗、教学实验,以及作为全息照相、光信息处理、激光光谱、文化娱乐的光源等。随着激光知识的不断普及,激光技术的广泛拓展,被更多的人以及非激光行业的科学工作者所认识,随之出现了与激光有关的交$&*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。 F=bX\T7  
    \%g# __\  
        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。 :VGvL"Kro  
    &3#19v7/  
    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。 EA) K"C  
    Q!9AxM2K  
    /-4rcC  
    ,* !HN &  
    一、几何光学教学 \("|X>00  
    BUvE~l.,|  
        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)。 kLtm_  
    g 67;O(3  
        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。 eEl}.W}  
    .?|pv}V  
        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。 Rw-!P>S$  
    Po_y7 8ZD  
        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: .EpcMXT%  
    mO=bq4!  
        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。 #6* j+SX^  
    MROe"Xj  
        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。 XA PqRJ*Z  
    }M*yE]LL;Z  
        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。 G6@XRib3  
    M^S <G  
    光学仪器的光路实验。如投影仪,显微镜,照相机等。 l/ufu[x!a  
    QmxI ;l  
    Pk)>@F<  
    'ONCz  
    二、物理光学实验 *5T^wZpj)  
    2nz^%pLT  
    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。 ~$w9L998+  
    tr?U/YG  
    $DS|jnpV  
    EIdEXAC(  
        ⒈光波的干涉实验 'ip2|UG  
    xNAX)v3Z  
        一般光强的光波在线性媒质中,服从波的迭加原理。由于波的迭加而引起光强的重新分布,这种现象称之波的干涉。实验者要做好光波的干涉实验,首先掌握光波的分割法。双光束干涉实验和多光束干涉实验分为波面分割与振幅分割。实验有: Q^trKw~XNy  
    ,#?iu?i/  
        ⑴扬氏双缝干涉实验 1xBgb/+  
    eICavp  
        ⑵用罗意镜法实现光波干涉振幅分割的光束干涉实验 #X 1 GL  
    1/\JJ\  
        ⑶利用牛顿环测量透镜的曲率半径R }aSTo"~m#  
    }o,-@R~  
        ⑷利用光通过空气楔产生的干涉测量金属丝的直径 j3=%J5<  
    v=8sj{g3,3  
        ⑸用干涉法测量玻璃基板的平行度 ~$PY6s  
    Rq`d I~5!b  
        ⑹迈克尔逊干涉仪的组装 ?cur}`  
    W *.j=?)\[  
        ⑺用干涉法测量空气的折射率 6>Dm cG:.  
    1buVV]*~  
    ⑻用法布里-珀罗标准具精确测定氦氖激光的波长 !94qF,#1  
    a*2JLK  
    $Sls9H+.  
    0Ba*"/U]t~  
        ⒉光波的衍射实验 0^('hS&  
    &) qs0  
        所谓波的衍射是当波遇到障碍物时偏离了直线传播的现象。不相干的普通光源,光的衍射现象是不明显的。而当我们采用了高亮度相干性好的激光,则可以很容易的将光的衍射现象演示出来。例如: ,::f? Gc7j  
    z ?L]5m` H  
        ⑴泊松-阿喇戈光斑的观察 [%LIW%t|  
    o$q})!  
        ⑵圆孔屏的菲涅耳衍射和夫琅和费衍射条纹的观察 BWF>;*Xro  
    3q-Xj:FP  
        ⑶单缝和单丝衍射条纹的观察 2]:Z7Ji  
    Ci9]#)"c  
        ⑷直边和矩孔的菲涅耳衍射条纹的观察 8{4SaT.-Rm  
    }kZ)|/]kn  
    ⑸高斯光束的单缝衍射光强分布 GtLn h~)  
    !-AK@`i.  
    EBMZ7b-7  
    }Gf9.ACQ  
        ⒊光的偏振实验 %LjhK,'h  
    qxbGUyH==  
        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: +wIv|zj9  
    1c4@qQyo  
        ⑴用渥拉斯登棱镜模拟双折射现象 sI<PYi={-6  
    b=PB"-  
        ⑵补偿器的定标 01w}8a(  
    3]rd!Gp=*  
        ⑶1/4波片的定标 | Kw}S/F  
    hM nJH_siY  
        ⑷用斯托克斯参数测量椭圆偏振光的参数 $+WMKv@<  
    bIy:~z5   
    ⑸偏振光的干涉 '*=kt  
    sjj,q?  
    k#"}oI{< 6  
    _1ax6MwX  
    三、傅立叶光学实验 Z Tzh[2u*  
    -'Oq.$Qq  
        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。 jM[]Uh  
    )-\[A<(  
        ⑴阿贝成象原理 tB#-}Gf  
    >Pwu>  
        ⑵高低通滤波实验 M32Z3<  
    |Ye%HpTTv  
        ⑶验证巴被俾米涅原理实验 >5MHn@  
    +Z/aB*aVa^  
    ⑷理想高斯光束的获得 QHPC?a6CD  
    Dssecc'  
    Yq0jw&v  
    ' }T6dS  
    四、全息和光信息处理实验 ~#PC(g  
    7-j=he/  
        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: &O\$=&, h  
    XK,l9 {*  
        ⑴漫反射全息图的拍摄和再现 \9%RY]TK3  
    9-hVlQ~|  
        ⑵全息光栅的制备 }0 b[/ZwQ  
    (( {4)5}  
        ⑶反射式全息照相(白光再现全息照相) )uazB!X  
    " "{#~X}  
        ⑷彩虹全息图的拍摄 xC YL3hl  
    cIOM}/gqv  
        ⑸时间平均干涉法测量叶片的振动频率 "PfNC<MQo  
    rssn'h  
        ⑹二次曝光全息干涉方法测量钢尺的微小变形 7thB1cOJ  
    @f%q ,:  
        ⑺二次曝光全息干涉方法观测灯泡通电后的气流分布 A5kz(pj  
    w6G<&1iH  
        ⑻用全息照相技术测量光学透明材料的不均匀性 !_pryNcb  
    Hq."_i{I  
        ⑼用傅立叶变换全息进行资料储存 %dDwus  
    UlH;0P?  
        ⑽用傅立叶变换全息进行特征字符识别 2>h.K/pC  
    2 `nOYK  
    ⑾用散斑照相方法测量漫射体的平移 g/BlTi  
    j7v?NY  
    G21cJi*  
    7#9yAS+x(  
    五、激光原理教学实验 69JC!du  
    X%]m^[6  
        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: 0k 6S`e9gI  
    %bZ}vJ5b  
        ⑴氦氖激光高斯光束发散角的测量 e>Q_&6L  
    -eQ70BXvB  
        ⑵氦氖激光器的模式分析 gvy c(d  
    B^lm'/,@  
        ⑶氦氖激光器增益、损耗和饱和参量的测量 |iGfWJ^+  
    SJsRHQ  
        ⑷用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性 /8"9 sf *  
    K [M[0D  
    ⑸氦氖激光器的功率与放电参量的关系 rFU|oDF  
    +Q!  
    9MR,3/&N  
    Oq4J$/%  
    六、激光技术实验 {n-6e[  
    wC>Xu.Z:  
        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: P,ud"F=r  
    QTbv3#  
        ⑴激光稳频与测量技术  KSB{Z TE  
    $Y&rci]  
        ⑵氦氖多谱线激光器 A-5'OI  
    =.yKl*WV{  
        ⑶腔内标准具腔内选模单频激光 e sDd>W  
    mrId`<L5l{  
        ⑷声光调制锁模激光器 OM 4, Sevk  
    ?h7(,39^>  
        ⑸光学双稳实验 7FvtWE*  
    ]q<Zc>OC  
        ⑹单模光纤维尔德常数的测量 }RN&w ]<  
    u!DAeE  
    七、非线性光学实验 eZk4 $y  
    ,/6 aA7(  
        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。 <P#]U"?A  
    `2.2; Vk  
        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。 '/ v@q]!  
    *g~\lFX,u  
        ⑴氦氖激光腔内倍频技术 t8\XO j  
    Qz9*o  
        ⑵氦氖激光受激喇曼散射
     
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