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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 .LDp.#d9r1 Pd& Npp3 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$&*,应用广泛的激光器。与任何其它气体激光器相比,研究的也较为透彻,对其运转的了解也就比任何其它气体激光器更为深入。 f`*VNB` u.G aMl4 ( 氦氖激光器是中性原子气体激光器中的一个典型例子,也是特别重要的一种激光器。由于气态物质的光学均匀性一般较好,所以气体激光器比固体激光器和半导体激光器来说,输出的光学质量(如单色性,相干性,光束的发散角和稳定性等等)很好,这一点在许多应用中是很重要的。 I;1)a4Xc4R z,hBtq:-$ 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$&*科学,如激光化学、激光生物学、激光光谱学、激光医学等等,氦氖激光器在很多学科中占有不可忽视的地位。 0rQr#0` ^7*7^< 在70年代初期,我国的氦氖激光器就走出了科研单位,进入社会的工厂企业。目前我国生产的氦氖激光器品种很多,常用氦氖激光器的主要性能指标已达到了国际水平,而在性能价格比上,占有极大的优势。由于它结构简单,非常直观的体现出组成激光器的三大部分,即工作物质、谐振腔和激励电源;它使用的材料一般,制作工艺也较为成熟,被广泛的应用到教学中。 ._t1eb`m{ +Wgfxk'{ 在教学中使用氦氖激光器可分为两种情况:第一种是利用它单色性好,方向性好和亮度高的特点作为光源,开展几何光学,物理光学,以及近代光学的教学实验;第二种是作为激光器的典型范例,分析其特性,深入了激光器的原理、参数、性能,开展激光和激光技术的教学实验。 ,t;US.s([. *0?@/2& r&Qa;-4Pl ZR-64G=L, 一、几何光学教学 ^ fyue~9u #0Uz1[ 人们把光的能量看成是沿着一根根光线传播的,它们遵从直进、反射、折射定律,便是几何光学。几何光学实验的主要内容是分析光传播的路径,测定成象位置的大小,观察成象的清晰度以及经过光学系统所成图象上各点的明暗(光强或照度的大小)。 -"{g kjuv XPZ8*8JL 用输出波长为632.8nm氦氖激光描述光线的传播,是很形象的。因为是红光,有一定的光强,发散角很小,将看不见的光线用激光线模拟成可见的光线,直观的看到光线传播。这种典型的教学仪器是激光实验箱,见图。 'x<oILOG -j2y#aP 实验箱体的大小一般在30cm×45cm,它是用输出2mW的氦氖激光管作光源,用分束镜把光束分成三束,显示在箱体面上。分束镜可以旋转,能够操作成相互平行,发散和会聚的光束。图1显示的是三束平行光束。 k4!_(X%8 e ky1} 该仪器还配有各种光学元件,如平面反射镜,多种的凸透镜、凹透镜,棱镜等,有时还配有简单的作物理光学实验的元件。可以进行的主要实验有: 7lA_*t@y nz'6^D7`r ⒈几何光学基本三定律的实验,即光的直线传播定律;光的反射定律;光的折射定律。了解光在均匀的介质里沿直线传播,反射线,入射线,反射角,入射角,折射角,全反射等。 x]`@%8Sm Mu-kvgO`L ⒉各种透镜的实验。了解凸透镜对光束的会聚,凹透镜对光束的发散,透镜的焦点、焦距、焦面和透镜组等实验。 {~j/sto-: ~)`\j ⒊棱镜的实验。如直角棱镜的全反现象,光线在三角棱镜主截面内的折射,棱镜的最小偏向角等实验。 |W$|og'wC NQ;$V:s) ⒋光学仪器的光路实验。如投影仪,显微镜,照相机等。 <2]D3,.g. 1Sza%D;3 g]c6_DMfb1 hQ!59 二、物理光学实验 WC37=8mA B"\9sl X 物理光学(波动光学)是研究光波动性(干涉、衍射、偏振)的科学。用氦氖激光作光源有很大的优越性,因为它相干性好,干涉衍射条纹清晰,再加上亮度高,可以在一般照明的实验室中作实验。 #d*gWwnx" 6O.kKhk q,%Fvcmx+e ^W9O_5\g4a ⒈光波的干涉实验 diVg|Z3T vF pKkS343 一般光强的光波在线性媒质中,服从波的迭加原理。由于波的迭加而引起光强的重新分布,这种现象称之波的干涉。实验者要做好光波的干涉实验,首先掌握光波的分割法。双光束干涉实验和多光束干涉实验分为波面分割与振幅分割。实验有: dLF*'JjY /Hq ⑴扬氏双缝干涉实验 l
9g HB$?}V ⑵用罗意镜法实现光波干涉振幅分割的光束干涉实验 A>e-eD xi Rm79mh9 ⑶利用牛顿环测量透镜的曲率半径R ?*yB&(a:8 `4X.UPJ ⑷利用光通过空气楔产生的干涉测量金属丝的直径 6>;OVX zK1]o-wSAT ⑸用干涉法测量玻璃基板的平行度 )G?\{n- q#Q %p+ ⑹迈克尔逊干涉仪的组装 HC1<zW[ 9E8&~y ⑺用干涉法测量空气的折射率 Iz
j-,a k9<UDg_ Y ⑻用法布里-珀罗标准具精确测定氦氖激光的波长 9wGsHf8] J~ome7L s :BW}PM @1gURx&2_ ⒉光波的衍射实验 ?daxb j}s/)}n| 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: <?}pCX/O vr{|ubG]d ⑴泊松-阿喇戈光斑的观察
Skr0WQ 'UxI-Lt ⑵圆孔屏的菲涅耳衍射和夫琅和费衍射条纹的观察 %#~wFW|]x =3A4.nW ⑶单缝和单丝衍射条纹的观察 "+Ys}t~2 7CSz ⑷直边和矩孔的菲涅耳衍射条纹的观察 +>;Ux1'@ b]Kb ~y| ⑸高斯光束的单缝衍射光强分布 iM;Btv[|
-u<F>C IDD`N{EA a#% *H
⒊光的偏振实验 5}Ge <nG}]Smd7 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: o<Mccj _e;bB?S ⑴用渥拉斯登棱镜模拟双折射现象 lo'#dpt< b?Uk%Z]+v ⑵补偿器的定标 8-7Ml3G* 3)LS#= ⑶1/4波片的定标 4F0w+wJD UR=s=G| ⑷用斯托克斯参数测量椭圆偏振光的参数 X[H .t$w5A OPE+:TvW^ ⑸偏振光的干涉 tjB)-=j[ S{8-XiL, &qSf
~7/ y=f.; 三、傅立叶光学实验 RMpiwO^ F%&lM[N% 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。 u,`3_I^ B[EOz\?=m ⑴阿贝成象原理 Mt`LOdiC_ C9MK3vtD. ⑵高低通滤波实验 9I
[:#,zdf ~vA8I#. ⑶验证巴被俾米涅原理实验 J%xUO1 3fpaTue|x ⑷理想高斯光束的获得 xg^%8Ls^ LEtGrA/%@b k:j_:C&. l59
N0G 四、全息和光信息处理实验 $uFvZ?w& ~}d\sQF. 早在1948年就有人为提高电子显微镜的分辨本领而提出全息理论,并开始了全息照相的研究工作,但进展一直很慢。激光的出现为全息照相提供了理想的光源,使全息技术的研究进入了一个新阶段,成为科学技术的一个新领域。氦氖激光以它的模式好,相干性好,使用方便的特点,已成为全息以及光信息处理中被广泛使用的光源。有关实验有: J(!=Dno Sw; kUJ ⑴漫反射全息图的拍摄和再现 1pG|jT+Bi v?6*n>R ⑵全息光栅的制备 GYb&'#F~t YU+P+m2X ⑶反射式全息照相(白光再现全息照相) vL[IVBG^ _[(EsIqc(F ⑷彩虹全息图的拍摄 %g5#q64 YIZu{ ⑸时间平均干涉法测量叶片的振动频率 LWhy5H;Es Ja5od ⑹二次曝光全息干涉方法测量钢尺的微小变形 &nVekE:! ?f3R+4 ⑺二次曝光全息干涉方法观测灯泡通电后的气流分布 "K9[P:nw jck(cc=R ⑻用全息照相技术测量光学透明材料的不均匀性 LH+Bu%s :eD-'#@$u ⑼用傅立叶变换全息进行资料储存 [N~-9 0F_hXy@K ⑽用傅立叶变换全息进行特征字符识别 0g=vMLi 1'(";
0I ⑾用散斑照相方法测量漫射体的平移 ;~$Q;m1
Ci4c8 eg?p)| R<Mp$K^b 五、激光原理教学实验 p$x>I3C(\ No[9m_ 激光是60年代初期出现的新型光源,可以说,激光的问世使古老的光学发生了一场革命。作为典型的氦氖激光器,较为充分的反映出了激光的基本特征,以及激光的基本性能参数。解剖和分析它,对深入的了解激光,进一步研究激光和扩展激光应用范围开拓了思路。主要实验有: _7';1 D h`O$L_Z ⑴氦氖激光高斯光束发散角的测量 "+qZv( .mqMzV ⑵氦氖激光器的模式分析 :6)!#q'g Tmu2G/yi ⑶氦氖激光器增益、损耗和饱和参量的测量 '~f*O0_ JBOU$A~ ⑷用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性 k'&1,78[l CKe72OC ⑸氦氖激光器的功率与放电参量的关系 <Z_\2
YWA 9eP*N(m< nSQ]qH&4d 62.Cq!~ 六、激光技术实验 BdU .;_K cp~6\F;c 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: l :u1P tBZ?UAe; ⑴激光稳频与测量技术 XUR#| F=*t]X[z} ⑵氦氖多谱线激光器 ;*FY+jM hv>Xr=RE ⑶腔内标准具腔内选模单频激光 jpR]V86G U
Rq9:{ ⑷声光调制锁模激光器 =s'H o +Lc+"0*gV* ⑸光学双稳实验 wouk~>Jft 5"!K8
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⑹单模光纤维尔德常数的测量 OtQ]\:p7 o>d0R
w4h 七、非线性光学实验 +"WNG fwzyCbks 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。 ('BB9#\t g26_#4 P 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。 xN>\t& c vfhoN]v ⑴氦氖激光腔内倍频技术 :nqDX Y Kp@n8A ⑵氦氖激光受激喇曼散射
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