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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 `!lQd}W  
    ~R  C\  
        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$&*,应用广泛的激光器。与任何其它气体激光器相比,研究的也较为透彻,对其运转的了解也就比任何其它气体激光器更为深入。 R-OQ(]<*  
    f=T&$tZ<  
        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。 0q_?<v_ 1  
    {I]>!V0j!  
        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$&*科学,如激光化学、激光生物学、激光光谱学、激光医学等等,氦氖激光器在很多学科中占有不可忽视的地位。 0^mCj<g  
    C1po]Ott*  
        在70年代初期,我国的氦氖激光器就走出了科研单位,进入社会的工厂企业。目前我国生产的氦氖激光器品种很多,常用氦氖激光器的主要性能指标已达到了国际水平,而在性能价格比上,占有极大的优势。由于它结构简单,非常直观的体现出组成激光器的三大部分,即工作物质、谐振腔和激励电源;它使用的材料一般,制作工艺也较为成熟,被广泛的应用到教学中。 jWcfQ  
    E5 uk<e_  
    在教学中使用氦氖激光器可分为两种情况:第一种是利用它单色性好,方向性好和亮度高的特点作为光源,开展几何光学,物理光学,以及近代光学的教学实验;第二种是作为激光器的典型范例,分析其特性,深入了激光器的原理、参数、性能,开展激光和激光技术的教学实验。 @ w?,7i-S  
    {q.|UCg[L  
    DQ9}( '^  
    ?d`j}  
    一、几何光学教学 t 4>\ ;  
    n7(/ml+Q_  
        人们把光的能量看成是沿着一根根光线传播的,它们遵从直进、反射、折射定律,便是几何光学。几何光学实验的主要内容是分析光传播的路径,测定成象位置的大小,观察成象的清晰度以及经过光学系统所成图象上各点的明暗(光强或照度的大小)。 iPdR;O'  
    mG.H=iw  
        用输出波长为632.8nm氦氖激光描述光线的传播,是很形象的。因为是红光,有一定的光强,发散角很小,将看不见的光线用激光线模拟成可见的光线,直观的看到光线传播。这种典型的教学仪器是激光实验箱,见图。 3B?7h/f  
    E3QyiW  
        实验箱体的大小一般在30cm×45cm,它是用输出2mW的氦氖激光管作光源,用分束镜把光束分成三束,显示在箱体面上。分束镜可以旋转,能够操作成相互平行,发散和会聚的光束。图1显示的是三束平行光束。 `{  ` W-C  
     .F/0:)  
        该仪器还配有各种光学元件,如平面反射镜,多种的凸透镜、凹透镜,棱镜等,有时还配有简单的作物理光学实验的元件。可以进行的主要实验有: QR {>]I  
    iE,/x^&,&  
        ⒈几何光学基本三定律的实验,即光的直线传播定律;光的反射定律;光的折射定律。了解光在均匀的介质里沿直线传播,反射线,入射线,反射角,入射角,折射角,全反射等。 CM4#Nn=i~  
    rHJtNN8$k  
        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。 6@-O#,]J  
    h1Logm+m  
        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。 WuMr";2*E  
    xaNM?]%  
    光学仪器的光路实验。如投影仪,显微镜,照相机等。 ASUL g{  
    sPRo=LB  
    j71RlS73  
    n |Q' >  
    二、物理光学实验 g [c ^7  
    > 8%O;3-m#  
    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。 _NN5e|t  
    Tno 0Q +  
    36\_Y?zx%  
    y4Lh:;  
        ⒈光波的干涉实验 j6#Vwcr  
    1R"Z+tNB  
        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: I\P w`  
    e|eWV{Dsz  
        ⑴扬氏双缝干涉实验 ~qkn1N%'  
    #BwOWra  
        ⑵用罗意镜法实现光波干涉振幅分割的光束干涉实验 G!E1N(%o  
    y;=/S?L.:  
        ⑶利用牛顿环测量透镜的曲率半径R Y3bZ&G)  
    %OJq(}  
        ⑷利用光通过空气楔产生的干涉测量金属丝的直径 HiSNEp$-4$  
    hFMT@Gy  
        ⑸用干涉法测量玻璃基板的平行度 E{]PfUfFY  
    Jp-6]uW  
        ⑹迈克尔逊干涉仪的组装 BQL](Y "  
    %s ">:  
        ⑺用干涉法测量空气的折射率 }TRVCF1  
    s_cur-  
    ⑻用法布里-珀罗标准具精确测定氦氖激光的波长 t(Gg 1  
    !'*1;OQ  
    d'[]  
    q+W* ?a)  
        ⒉光波的衍射实验 lf}%^od~6  
    &VTO9d  
        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: #]z_pp:  
    /7igPNhx  
        ⑴泊松-阿喇戈光斑的观察 Ir6g"kwCKq  
    l(d3N4iz  
        ⑵圆孔屏的菲涅耳衍射和夫琅和费衍射条纹的观察 VF:95F;@  
    + I4s0  
        ⑶单缝和单丝衍射条纹的观察 TV~S#yg+H  
    $fG~;`T  
        ⑷直边和矩孔的菲涅耳衍射条纹的观察 =DwY-Ex  
    f}cCnJK  
    ⑸高斯光束的单缝衍射光强分布 [ps 5  
    4rUOk"li  
    }NKnV3G/Z  
    ]K|td)1X  
        ⒊光的偏振实验 #sM*<2vj  
    yny1i9 y  
        光的偏振实验证明光波是一种横波,反映了光具有电磁波的性质。通过研究光的偏振状态在介质中传播过程的变化,可以了解光波与物质相互作用的机理。在光波的偏振实验中,一般要研究光扰动的全部参数,振幅,频率,波长,相位(时间相位和空间相位)。主要实验如: Bb.U4#  
    4D sHUc6  
        ⑴用渥拉斯登棱镜模拟双折射现象 t(p}0}Pp  
    w]O,xO  
        ⑵补偿器的定标 X9;51JV  
    <v3pI!)x  
        ⑶1/4波片的定标 PLRMW 2  
    gm =LM=  
        ⑷用斯托克斯参数测量椭圆偏振光的参数 ="de+S8W  
    W|\$}@>  
    ⑸偏振光的干涉 U\i7'9w]3  
    6rMNp"!  
    c+501's  
    ["sm7yQ  
    三、傅立叶光学实验 Sh\Jm*5  
    f"t+r /d  
        人们把数学,信息论和光学的衍射结合起来,发展一门新的科学――傅立叶光学。傅立叶变换与空间频谱是紧密相联系的,它的基本思想是用空间频谱的语言分析光信息,用改变频谱的手段处理相干成象系统中的光信息,用频谱改变的眼光评价不相干成象系统中象的质量。 _ qU-@Y$  
    7' Gk ip  
        ⑴阿贝成象原理 \WxBtpbQ B  
    gjn1ha"h%.  
        ⑵高低通滤波实验 Kiq[PK  
    '3fN2[(  
        ⑶验证巴被俾米涅原理实验 UdcrX`^.  
    iJS7g  
    ⑷理想高斯光束的获得 Z6 E_Y?  
    $ EexNz  
    Nf%/)Tk  
    W~/{ct$Y  
    四、全息和光信息处理实验 ;e$YM;;d  
    5A+r^xN  
        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: r0q?e`nsA  
    s&1}^'|  
        ⑴漫反射全息图的拍摄和再现 fT{%zJU  
    Y|ErVf4  
        ⑵全息光栅的制备 5 Q/yPQN  
    2yV^'o)  
        ⑶反射式全息照相(白光再现全息照相) :Z+J t=;  
    BbhC 0q"J  
        ⑷彩虹全息图的拍摄 ]A:8x`z#F  
    .JV y}^Q\  
        ⑸时间平均干涉法测量叶片的振动频率 cVl i^*se  
    Q096M 0m  
        ⑹二次曝光全息干涉方法测量钢尺的微小变形 f<M!L> +M6  
    r! ~6.  
        ⑺二次曝光全息干涉方法观测灯泡通电后的气流分布 i&j]FX6q  
    tgY/8& $M  
        ⑻用全息照相技术测量光学透明材料的不均匀性 u>/Jb+  
    =3dd1n;8>  
        ⑼用傅立叶变换全息进行资料储存 kAq#cLprG  
    -PTfsQk  
        ⑽用傅立叶变换全息进行特征字符识别 OO\$'% y`  
    N v6=[_D  
    ⑾用散斑照相方法测量漫射体的平移 Z29aRi  
    b8!   
    Nka 3H7 `  
    I8Y #l'z  
    五、激光原理教学实验 T\"-q4+=C  
    o{3>n" \w3  
        激光是60年代初期出现的新型光源,可以说,激光的问世使古老的光学发生了一场革命。作为典型的氦氖激光器,较为充分的反映出了激光的基本特征,以及激光的基本性能参数。解剖和分析它,对深入的了解激光,进一步研究激光和扩展激光应用范围开拓了思路。主要实验有: %Z*N /nU  
    ~ 1~|/WG  
        ⑴氦氖激光高斯光束发散角的测量 |)S*RQb\  
    b4 Pa5 w  
        ⑵氦氖激光器的模式分析 6G{ Q@  
    A2SDEVU  
        ⑶氦氖激光器增益、损耗和饱和参量的测量 SGu`vN]  
    }=|plz}  
        ⑷用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性 gBOF#"-  
    nPk&/H%5hn  
    ⑸氦氖激光器的功率与放电参量的关系 )r?- _qj=  
    ?in)kL  
    D"exI]  
    QOY{j  
    六、激光技术实验 EI496bsRHm  
    WEtPIHruyt  
        随着氦氖激光器用途不断的扩展,有关的激光技术也不断的出现。例如氦氖激光器的稳频,选频,单频,锁模,稳功率等技术。这方面的实验有: Pbt7T Q  
    dSe d 6  
        ⑴激光稳频与测量技术 J,\e@  
    D 9UM8Hxi  
        ⑵氦氖多谱线激光器 i8S=uJ]n  
    {W HK|l   
        ⑶腔内标准具腔内选模单频激光 }G<~Cx5[  
    ;SX~u*`R  
        ⑷声光调制锁模激光器 +.Xi7x+#O  
    <GF^VT|Ce  
        ⑸光学双稳实验 <v=s:^;C0  
    6"; ITU^v  
        ⑹单模光纤维尔德常数的测量 !(gSXe)*  
    yCN?kHG  
    七、非线性光学实验 'V &Tlw|  
    Qe-PW9C  
        非线性光学有关现象可分为三类:1.参量过程,包括倍频、和频、差频、高倍频(高次谐频)和光的参量振荡。2.各种散射现象和它的受激发射。3.多光子吸收、光子电离、光自陷(自聚焦)介质的光致损坏。 5vJxhBm/  
    ~/XDA:nfL:  
        光在介质的传播过程,是光与介质相互作用的过程,这个过程有两个相关的分过程:一是光作用在介质上引起的介质的极化,产生宏观的极化强度,为介质的极化过程。另一是光的辐射过程。介质中的光场随时间的变化,所产生的变化极化强度将作为一个光辐射源辐射光波。从极化强度与光电场的关系得知,当入射光的频率为ω时,在介质内引起了2ω、3ω………高次谐波极化强度,从而产生了2ω、3ω………高次谐波的光。当光场较弱时,极化强度与光电场之间呈线性关系,只能引起与入射光相同频率的极化强度,产生相同频率的辐射光波。当光强较强时,能观察到非线性效应。激光的诞生给非线性光学带来了生机。 3O;"{E= <  
    '.C#"nY>1  
        ⑴氦氖激光腔内倍频技术 J 5xMA-  
    2$v8{Y&  
        ⑵氦氖激光受激喇曼散射
     
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