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2009-03-06 23:13 |
氦氖激光器在光学教学中的应用
引言 A=LyN$% 's.%rre% 第一台气体激光器是1961年由贾范(Javan)、贝内特(Bennett)和赫里奥特(Herriott)报导的氦氖激光器。其输出波长为1.15μm,是不可见的红外氦氖激光器。经过40多的发展,氦氖激光器成为目前种类最多,容易制作,质量十分可$&*,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。 AS;EO[Vn [D[&aA 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。 qJY'"_Q{ 6\MH2&L< 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。 /s91[n(d $i s|B9B 在70年代初期,我国的氦氖激光器就走出了科研单位,进入社会的工厂企业。目前我国生产的氦氖激光器品种很多,常用氦氖激光器的主要性能指标已达到了国际水平,而在性能价格比上,占有极大的优势。由于它结构简单,非常直观的体现出组成激光器的三大部分,即工作物质、谐振腔和激励电源;它使用的材料一般,制作工艺也较为成熟,被广泛的应用到教学中。 H-&Z+4 +Xs 86[/NTD<- 在教学中使用氦氖激光器可分为两种情况:第一种是利用它单色性好,方向性好和亮度高的特点作为光源,开展几何光学,物理光学,以及近代光学的教学实验;第二种是作为激光器的典型范例,分析其特性,深入了激光器的原理、参数、性能,开展激光和激光技术的教学实验。 2hOr#I$/ mTG v*=l !+qy~h h,:8TMJRRN 一、几何光学教学
de.!~%D [nQ<pTg~r 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)。 nJ!`^X5I J&%d(EJM 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。 i
#5rk(^t 3B }Oy$p 实验箱体的大小一般在30cm×45cm,它是用输出2mW的氦氖激光管作光源,用分束镜把光束分成三束,显示在箱体面上。分束镜可以旋转,能够操作成相互平行,发散和会聚的光束。图1显示的是三束平行光束。 ES~ykE ^rz8c+ly 该仪器还配有各种光学元件,如平面反射镜,多种的凸透镜、凹透镜,棱镜等,有时还配有简单的作物理光学实验的元件。可以进行的主要实验有: dl:uI5] #b[B$ 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。 SiN22k+ }Wxu =b 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。 P'^#I[G' cN/8b0C 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。 3GkVMYI 4~<
:Pj ⒋光学仪器的光路实验。如投影仪,显微镜,照相机等。 !<psK[ 0~qnwe[g} 39s%CcI`k Hu"?wZj 二、物理光学实验 tvH{[e$ ?eUhHKS5 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。 ~(2G7x)
JJL#Y _e/>CiN/ oM`[&m., ⒈光波的干涉实验 3Lx]-0h ;x.xj/7 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: %M+ID['K9/ '%&i#Eb ⑴扬氏双缝干涉实验 9Ra_[1 mT8")J|2 ⑵用罗意镜法实现光波干涉振幅分割的光束干涉实验 %T3L-{s5 ,U_p6TV5 ⑶利用牛顿环测量透镜的曲率半径R K2J DG.< mz\d>0F U. ⑷利用光通过空气楔产生的干涉测量金属丝的直径 k@qn'Zi =;(w Bj ⑸用干涉法测量玻璃基板的平行度 KNtsz[#b b[<Q_7~2 ⑹迈克尔逊干涉仪的组装 *M*:3v
0 cnh\K.*}_x ⑺用干涉法测量空气的折射率 P$MAURFm gie}k)&M ⑻用法布里-珀罗标准具精确测定氦氖激光的波长 Q`#Y_N-h+ LD]>_P83 (;^VdiJ 2+pLDIIT ⒉光波的衍射实验 \hSOJ,{)U +R}(t{b# 所谓波的衍射是当波遇到障碍物时偏离了直线传播的现象。不相干的普通光源,光的衍射现象是不明显的。而当我们采用了高亮度相干性好的激光,则可以很容易的将光的衍射现象演示出来。例如: B|#*I[4`w@ Z_&6<1,H ⑴泊松-阿喇戈光斑的观察 vJg|}]h>L Z/=x(I0 ⑵圆孔屏的菲涅耳衍射和夫琅和费衍射条纹的观察 nKn,i$sO/. !Kv.v7'N/k ⑶单缝和单丝衍射条纹的观察 bg$df 0 }5#<`8 ⑷直边和矩孔的菲涅耳衍射条纹的观察 uQ4WM CrHH Ob ⑸高斯光束的单缝衍射光强分布 ;5 W|#{I so h3d 3| 5Af Jt6~L5[_s ⒊光的偏振实验 W2Y%PD9a /M>8ad 光的偏振实验证明光波是一种横波,反映了光具有电磁波的性质。通过研究光的偏振状态在介质中传播过程的变化,可以了解光波与物质相互作用的机理。在光波的偏振实验中,一般要研究光扰动的全部参数,振幅,频率,波长,相位(时间相位和空间相位)。主要实验如: c!@g<<}[( [G{{f ⑴用渥拉斯登棱镜模拟双折射现象 _iBNy j>s>i ⑵补偿器的定标 !( xeDX +JE
h7 ⑶1/4波片的定标 (I~-mzu\ h@$M.h@mcG ⑷用斯托克斯参数测量椭圆偏振光的参数 V[>MKB( z38& | |