频率分裂与模竞争教学实验激光器系统.pdf

频率分裂与模竞争教学实验激光器系统属于激光教学仪器技术领域，其特征在于采用外腔或半外腔氦氖激光器，该激光器的一片反射镜固定在直流电源驱动的压电陶瓷上，激光谐振腔中插入一片石英晶体和一加力玻璃片，激光器输出光束进入扫描干涉仪，其纵模分布即显示在与之相连的示波器上。改变石英晶体面法线与谐振腔轴线的夹角或玻璃片上所加外力可以观察激光纵模分裂现象，旋转输出镜与扫描干涉仪之间的偏振片可以观察激光纵模的偏振特性，改变加在压电陶瓷上的电压可以观察激光纵模的调谐和竞争。它还在实施例中列举了两种装置的结构。它具有现象直观明显、物理意义明确、结构简单、使用维护方便的优点。

1.  频率分裂与模竞争教学实验激光器系统，其特征在于，它含有：
外腔氦氖激光器，它包含：
一支带支架的增益管，在它的两端分别固定着两片增透窗片；
两片独立的反射镜，位于上述两片增透窗片的外侧，其中之一个反射镜连接着一片安装在支架上由直流电源驱动的压电陶瓷的位移输出端；
双折射元件及调节机构部分，它位于增益管增透窗片和一个独立反射镜之间；
腔外部分，它包含：
外罩，它罩在所述激光器以及双折射元件及调节机构部分外面；
偏振片，它安装在外罩外的支架上，其中心处面法线与所述激光器轴线重合，所述偏振片可绕所述激光器轴线旋转并可拆下；
扫描干涉仪，它位于偏振片的另一侧，由光学部分和一个锯齿波信号源组成；
底座，它连接着外罩、增益管支架、偏振片支架和所述双折射元件及调节机构部分的各个支架；
示波器，它的输入端和扫描干涉仪的输出端相连，外触发端与扫描干涉仪的锯齿波信号源相连；
可调高压直流电源，它的供电输出端与压电陶瓷的电压输入端相连。

2.  频率分裂与模竞争教学实验激光器系统，其特征在于，它含有：
半外腔氦氖激光器，它包含：
一支带支架的增益管，在它的两端分别固定着一片增透窗片和一片反射镜；
一片独立反射镜，它与上述增益管的增透窗片相对，另一侧连接着一片安装在支架上由直流电源驱动的压电陶瓷的位移输出端；
双折射元件及调节机构部分，它位于上述增益管的增透窗片和所述独立反射镜之间；
腔外部分，它包含：
外罩，它罩在所述激光器以及双折射元件及调节机构部分外面；
偏振片，它安装在外罩外的支架上，其中心处面法线与所述激光器轴线重合，所述偏振片可绕所述激光器轴线旋转并可拆下；
扫描干涉仪，它位于偏振片的另一侧，由光学部分和一个锯齿波信号源组成；
底座，它连接着外罩、增益管支架、偏振片支架和所述双折射元件及调节机构部分的各个支架；
示波器，它的输入端和扫描干涉仪的输出端相连，外触发端与扫描干涉仪的锯齿波信号源相连；
可调高压直流电源，它的供电输出端与压电陶瓷的电压输入端相连。

3.  根据权利要求1或2中所述的任何一种频率分裂与模竞争教学实验激光器系统，其特征在于，所述双折射元件及调节机构部分包含，自然双折射部分、或应力双折射部分、或同时包含自然双折射部分和应力双折射部分：
所述自然双折射部分含有：
晶体支架，它位于所述增益管增透窗片和所述独立反射镜之间；
一片镀增透膜的晶体石英，它安装在上述晶体支架上，它的中心在所述激光器轴线上；
旋转机构，它的旋转部件上装有上述晶体支架，所述旋转部件是在包含所述激光器轴线的平面内旋转的；
所述应力双折射部分含有：
玻璃片支架，它位于所述增益管增透窗片和所述独立反射镜之间；
一片安装在玻璃片支架上的镀增透膜的光学玻璃，中心在所述激光器轴线上，面法线平行于轴线；
加力装置，它压在上述光学玻璃上，加力的大小可调。

频率分裂与模竞争教学实验激光器系统
技术领域
频率分裂与模竞争教学实验激光器系统及其装置属于激光教学仪器技术领域。
背景技术
目前常用来进行激光频率特性演示实验的装置是多纵模HeNe激光器和扫描干涉仪，实验方式是让激光束射入扫描干涉仪，在示波器显示屏上观察激光器的纵模。实验者只能获得激光振荡中含有几个纵模及其相对强度大小的感性认识，无法控制纵模间隔及其偏振特性。此外，模竞争是激光物理中的重要内容，对于实验中常用的HeNe激光器，两纵模之间的间隔越小，其竞争现象就越明显，而以往的教学实验中纵模间隔通常达到几百MHz，难以直观观察模竞争现象。
发明内容
本发明的目的在于克服上述实验装置的不足之处，提出一种观察激光纵模分裂、调谐和竞争现象的教学实验激光器系统及其实现装置。这种系统结构简单、使用维护方便，观察到的现象直观明显，有明确物理意义。
本发明提出一种观察和调节激光纵模分布的教学实验激光器系统，它采用外腔氦氖激光器，该激光器由一支增益管和两片独立反射镜构成，其中一片独立反射镜由压电陶瓷驱动，谐振腔内放入双折射元件，可以是石英晶体或加力的光学玻璃片，也可以是二者的组合。石英晶体安装在一旋转机构上，其面法线可以在包含激光谐振腔轴线的平面内旋转，而光学玻璃片由一加力装置施加大小可调的外力，玻璃片面法线平行于腔轴线。输出光进入扫描干涉仪，一示波器与扫描干涉仪相连，在激光器输出镜与扫描干涉仪之间可选择增加一偏振片。实验中激光器的纵模分布状况可在示波器上显示，旋转晶体石英片可以改变激光纵模的分布情况，而旋转偏振片可以观察纵模的偏振特性。
本发明提出的教学实验激光器系统还包括采用半外腔氦氖激光器，该激光器由一支增益管和一片由压电陶瓷驱动的独立反射镜组成，谐振腔内放入双折射元件，可以是石英晶体或加力的光学玻璃片，也可以是二者的组合。石英晶体安装在一旋转机构上，其面法线可以在包含激光谐振腔轴线的平面内旋转，而光学玻璃片由一加力装置施加大小可调的外力，玻璃片面法线平行于腔轴线。输出光进入扫描干涉仪，一示波器与扫描干涉仪相连，在激光器输出镜与扫描干涉仪之间可选择增加一偏振片。实验中激光器的纵模分布状况可在示波器上显示，旋转晶体石英片可以改变激光纵模的分布情况，而旋转偏振片可以观察纵模的偏振特性。
本发明的原理如下所示：图1为所用的外腔氦氖激光器示意图。
图1中，外腔激光器由增益管【4】和反射镜【1】【6】组成，【4】中充有He、Ne混合气体，其中Ne为组分比1∶1的双同位素Ne²⁰和Ne²²。增益管两端分别固定增透窗片【3】和【5】，谐振腔由【1】和【6】形成，其中插入一片石英晶体【2】。根据形成光驻波的条件，激光频率与谐振腔光学长度之间应满足
v = q c 2 L - - - ( 1 ) ]]>
其中v为频率，c为光速，L为谐振腔的光学长度，正整数q为纵模级数。
由于石英晶体的双折射效应，寻常光(o光)和非常光(e光)具有不同的折射率，因而在激光腔内振动方向分别平行和垂直于晶体光轴的两种分量具有不同的谐振腔长，其频率也不同，称为频率分裂现象。频率差(称为分裂量)为
Δv = v L δ - - - ( 2 ) ]]>
其中δ为双折射元件引起的o光和e光的光程差
                          δ＝(n″-n′)d      (3)
(3)式中d为光路中晶体的厚度，而对于零度角切割的石英晶体，n″和n′由下式确定：
n ′ ′ = [ sin 2 θ n e 2 + cos 2 θ n o 2 ] - 1 2 - - - ( 4 ) ]]>
n ′ = n o ]]>
其中n_e和n_o是晶体的两个主折射率，θ为晶轴与激光器轴线的夹角。可见当用一旋转机构带动晶片转动时，随着θ的变化，n″也发生改变，δ随之变化，于是频差Δv也随θ不断变化，反映在示波器上是尖峰之间的距离随晶片的转动而改变。图2为一种石英晶体旋转机构的示意图，其中【71】和【72】为啮合的蜗杆和蜗轮，【73】为安装石英晶体的支架，与蜗轮同轴，【75】为带角度刻度的手轮，通过轴【74】与蜗杆相连。
除了晶体石英的自然双折射以外，上述频率分裂现象还可以由应力双折射产生。将石英晶体换成光学玻璃片，并用一机械结构对玻璃片施加外力，由于光弹性效应，玻璃片成为一各向异性元件，在玻璃片内两个主应力方向上将产生光程差。对于加力方向沿圆形玻璃片的一条直径的情况(称为对径加力)，产生的光程差为
δ = 8 λ πD f 0 F - - - ( 5 ) ]]>
其中λ为光波长，D为玻璃片直径，f₀为玻璃材料条纹值，F为所加外力的大小。可见，改变加力的大小，光程差δ也将变化，从而频差Δv也将随之改变。图3为一种用来加力的机械结构原理图，其中【81】为加力结构的框架，【82】为玻璃片，通过螺旋顶丝【84】的松紧可调节加力的大小，垫片【83】用于增大玻璃片的受力面积以避免应力过度集中在一点处。
将一偏振片置于激光器输出镜和扫描干涉仪之间，使光束垂直通过偏振片中心后再射入扫描干涉仪。以激光束为轴旋转偏振片，在示波器显示屏上看到的各级纵模度将发生相对变化。设v_q′和v_q″为相邻的两个纵模，旋转偏振片时，当v_q′幅度增大时，v_q″的幅度就会减小，当后者的强度减小到零时前者的强度达到最大值。继续旋转偏振片，v_q″重新出现，其幅度逐渐增大，与此同时v_q′的幅度不断减小直至为零，此时v_q″的幅值达到最大，且v_q″与v_q′分别为零的两个位置偏振片转角相差90度。再旋转偏振片时上述现象又重复出现，由此可以得出结论，v_q′和v_q″均为线偏振光，且二者的偏振方向是彼此正交的。
图4为双同位素Ne的增益曲线示意图，其中v₀²⁰为Ne²⁰原子增益曲线的中心频率，v₀²²为Ne²²原子增益曲线地中心频率，二者之间的间隔约为880MHz，v₀为两种原子总增益曲线的中心频率。设激光器一个纵模位于v₀²⁰处，则它只在Ne²⁰增益曲线上烧一个孔而在Ne²²增益曲线上几乎没有烧孔，因为它与v₀²²之间的距离已经大于Ne²²净增益曲线的半宽度；如果此纵模偏离v₀²⁰一些时，它将在Ne²⁰增益曲线上有两个烧孔，两孔的位置关于v₀²⁰对称，因而所获得的增益也稍大一些；特别是当它位于v₀附近时，将同时在Ne²⁰和Ne²²的增益曲线上各有两个烧孔，获得更大的增益。当激光频率分裂量约为40MHz时，分裂出的两纵模之间存在较强的竞争。如果这两个纵模工作在v₀²⁰或v₀²²处，所获得的总增益较小，不足以维持两模同时振荡，二者中的一个将由于竞争而熄灭；而如果两模工作在v₀附近，所获得的总增益较大，可以维持二者同时振荡。可以利用这种原理来直观地观察模竞争现象。用压电陶瓷推动谐振腔的一个反射镜沿着腔轴线运动以扫描腔长，则激光器输出纵模的位置将随之变化，设腔长连续减小，则输出沿频率轴向右移动，在v₀²²左侧、v₀²⁰右侧和v₀附近，总增益较大，示波器上可以看到两分裂纵模同时振荡，而在v₀²⁰和v₀²²附近，总增益较小，示波器上只能看到一个频率振荡，于是在一个扫描周期内，示波器上看到的纵模个数变化趋势为2-1-2-1-2，如图5所示，其中横坐标为压电陶瓷上的电压，可以代表频率。
本发明所述的教学实验激光器系统，它采用外腔氦氖激光器，激光谐振腔中插入双折射元件，激光器输出光束进入扫描干涉仪，其纵模分布在与扫描干涉仪相连的示波器上显示，激光器输出镜与扫描干涉仪之间可以插入一片偏振片以观察激光纵模的偏振特性。所说的外腔激光器由一支增益管及两片独立反射镜组成，两反射镜之一固定在压电陶瓷上。
它也可采用半外腔氦氖激光器，激光谐振腔中插入双折射元件，激光器输出光束进入扫描干涉仪，其纵模分布在与扫描干涉仪相连的示波器上显示，激光器输出镜与扫描干涉仪之间可以插入一片偏振片以观察激光纵模的偏振特性。所说的半外腔激光器由一支增益管及一片固定在压电陶瓷上的独立反射镜组成。
所说的压电陶瓷由一可调高压直流电源驱动，可沿所说的激光谐振腔轴线伸缩。所说的双折射元件可以是石英晶体或加力的光学玻璃片，也可以是二者的组合。石英晶体安装在一旋转机构上，其面法线可以在包含激光谐振腔轴线的平面内旋转，而光学玻璃片由一加力装置施加大小可调的外力，玻璃片面法线平行于腔轴线。
本发明的特征在于：
它含有：
外腔氦氖激光器，它包含：
一支带支架的增益管，在它的两端分别固定着两片增透窗片；
两片独立的反射镜，位于上述两片增透窗片的外侧，其中之一个反射镜连接着一片安装在支架上由直流电源驱动的压电陶瓷的位移输出端；
双折射元件及调节机构部分，它位于增益管增透窗片和一个独立反射镜之间；
腔外部分，它包含：
外罩，它罩在所述激光器以及双折射元件及调节机构部分外面；
偏振片，它安装在外罩外的支架上，其中心处面法线与所述激光器轴线重合，所述偏振片可绕所述激光器轴线旋转并可拆下；
扫描干涉仪，它位于偏振片的另一侧，由光学部分和一个锯齿波信号源组成；
底座，它连接着外罩、增益管支架、偏振片支架和所述双折射元件和调节机构部分的各个支架；
示波器，它的输入端和扫描干涉仪的输出端相连，外触发端与扫描干涉仪的锯齿波信号源相连；
可调高压直流电源，它的供电输出端与压电陶瓷的电压输入端相连。
它含有：
半外腔氦氖激光器，它包含：
一支带支架的增益管，在它的两端分别固定着一片增透窗片和一片反射镜；
一片独立反射镜，它与上述增益管的增透窗片相对，另一侧连接着一片安装在支架上由直流电源驱动的压电陶瓷的位移输出端；
双折射元件及调节机构部分，它位于上述增益管的增透窗片和所述独立反射镜之间；
腔外部分，它包含：
外罩，它罩在所述激光器以及双折射元件及调节机构部分外面；
偏振片，它安装在外罩外的支架上，其中心处面法线与所述激光器轴线重合，所述偏振片可绕所述激光器轴线旋转并可拆下；
扫描干涉仪，它位于偏振片的另一侧，由光学部分和一个锯齿波信号源组成；
底座，它连接着外罩、增益管支架、偏振片支架和所述双折射元件和调节机构部分的各个支架；
示波器，它的输入端和扫描干涉仪的输出端相连，外触发端与扫描干涉仪的锯齿波信号源相连；
可调高压直流电源，它的供电输出端与压电陶瓷的电压输入端相连。
所述双折射元件及调节机构部分包含，自然双折射部分、或应力双折射部分、或同时包含自然双折射部分和应力双折射部分：
所述自然双折射部分含有：
晶体支架，它位于所述增益管增透窗片和所述独立反射镜之间；
一片镀增透膜的晶体石英，它安装在上述晶体支架上，它的中心在所述激光器轴线上；旋转机构，它的旋转部件内装有上述晶体支架，所述旋转部件是在包含所述激光器轴线的平面内旋转的；
所述应力双折射部分含有：
玻璃片支架，它位于所述增益管增透窗片和所述独立反射镜之间；
一片安装在玻璃片支架上的镀增透膜的光学玻璃，中心在所述激光器轴线上，面法线平行于轴线；
加力装置，它压在上述光学玻璃上，加力的大小可调。
本发明中的教学实验激光器可以用于观察激光纵模的分布、调谐、竞争和分裂等现象，还可以观察各级纵模的偏振特性，具有现象直观明显、物理意义明确、结构简单、使用维护方便的优点。
附图说明
图1本发明中外腔氦氖激光器的原理图。
图2一种石英晶体旋转机构的示意图。
图3一种加力结构的示意图。
图4双同位素Ne的增益曲线示意图。
图5一个扫描周期内示波器上看到的纵模个数变化示意图。
图6相对频率分裂量随石英晶体面法线与腔轴线夹角变化关系图。
图7本发明所述教学实验激光器装置之一的结构示意图。
图8本发明所述教学实验激光器装置之二的结构示意图。
具体实施方式
本发明所述的教学实验激光器为实现其功能采用以下实验步骤：
通过旋转机构使石英晶体面法线平行于激光器轴线，调整加力装置使玻璃片上所加外力处在最小状态，打开激光器电源使之出光，取去激光器输出镜与扫描干涉仪之间的偏振片，调整扫描干涉仪使它前面的小孔对准输出光，打开扫描干涉仪电源、压电陶瓷高压电源和示波器。
1)观察激光器纵模分布和调谐
示波器显示屏上显示的每一个尖峰代表一个激光纵模，两峰之间的距离正比于两纵模之间的频差，峰的幅值高低代表该级纵模的相对强度。从示波器上可以看出激光器中正在振荡的纵模个数。增加压电陶瓷上所加电压以改变谐振腔长，可以看到示波器上各尖峰均向同一个方向移动，其高低也发生变化。电压减小时，各尖峰的移动方向和高低变化趋势也与之相反。
2)观察激光频率分裂现象
旋转石英晶体使其面法线与激光束的夹角θ从0开始逐渐增大，则示波器上可观察到：
a)随着θ的增加，原先的一个尖峰分裂成两个，
b)分裂出的两个尖峰之间的距离代表纵模分裂量，它随θ的增加而改变，在一定范围内，θ增大，纵模分裂量也增大；θ减小，纵模分裂量也减小，
c)记录分裂出的两尖峰之间的距离与示波器上代表纵模间隔的距离之间的比值随着θ变化的一系列数值，在0～20度范围内可以作出如图6所示的曲线，
将θ调回零位，通过加力装置逐渐增大窗片所受力，则示波器上可观察到：
d)随着加力增大，原先的一个尖峰分裂成两个，
e)分裂出的两个尖峰之间的距离随加力的增加而单调增大。
3)观察纵模的偏振态
调整θ角和加力的大小使分裂出的两尖峰v₁、v₂保持合适的距离以便清晰区分，把偏振片插入激光输出镜与扫描干涉仪之间，并使激光束垂直穿过偏振片中心，以激光束为轴沿同一方向连续旋转偏振片，在示波器上可以观察到：
a)当偏振片旋转到某一角度φ₁时，v₁消失，
b)继续旋转偏振片，v₁重新在原先位置出现，其高度随着偏振片的旋转逐渐加大；同时v₂的高度随着偏振片的旋转逐渐减小，
c)当偏振片旋转到某一角度φ₂时，v₂消失，
d)继续旋转偏振片，v₂在原位置重新，出现，其高度随偏振片的旋转逐渐加大；同时v₁的高度随偏振片的旋转逐渐减小，
以上现象周期性出现。v₁和v₂均有消光，说明二者都是线偏振的。φ₁与φ₂相差90度，说明v₁和v₂的振动方向相互垂直。
4)观察激光器模竞争
取走偏振片，调节石英晶体与激光束的夹角θ和玻璃片上所加外力使激光频率分裂量约为40MHz(在扫描干涉仪上看到一个尖峰刚刚分裂为两个)，增大压电陶瓷上的电压以改变腔长，示波器上各尖峰将横向移动，可以看到在不同电压，即纵模位于增益曲线不同位置处时的模竞争现象：
a)两尖峰v₁、v₂在很接近的两个位置几乎同时出现，对应电压值为V₀，
b)随着电压增加，v₂逐渐减小并在某一位置处消失，对应的电压值为V₁，
c)电压继续增加，v₂在某一位置重新出现，对应的电压值为V₂，
d)继续增大电压，v₁逐渐减小并在某一位置消失，对应电压值为V₃，
e)继续增大电压，v₁在某一位置重新出现，对应的电压值为V₄，
f)继续增大电压，v₁和v₂几乎同时消失，对应的电压值为V₅，
g)根据以上电压值可以画出图5所示模竞争区域示意图。
本发明列出两个实例，分别见图7和图8。
实例1见图7。
激光反射镜【1】【6】组成谐振腔，增益管【4】两端分别固定增透窗片【3】和【5】。反射镜【6】安装在压电陶瓷【12】上，可由其驱动沿腔轴线方向运动以改变腔长，石英晶体【76】被安装在支架【73】上，可由旋转机构【7】带动在包含谐振腔轴的平面内转动。加力装置【8】安装在支架【11】上，可对光学玻璃片【82】施加可调大小的外力。激光器的输出进入扫描干涉仪【14】，由与之相连的示波器【16】观察模式，【13】为偏振片。系统多数部件都安装在底座【9】上，整个谐振腔部分罩在外罩【10】内以减少外界扰动。【15】为压电陶瓷高压直流电源。
实例2见图8。
激光反射镜【1】【6】组成谐振腔，增益管【4】两端分别固定反射镜【1】和增透窗片【5】。反射镜【6】安装在压电陶瓷【12】上，可由其驱动沿腔轴线方向运动以改变腔长，石英晶体【76】被安装在支架【73】上，可由旋转机构【7】带动在包含谐振腔轴的平面内转动。加力装置【8】安装在支架【11】上，可对光学玻璃片【82】施加可调大小的外力。激光器的输出进入扫描干涉仪【14】，由与之相连的示波器【16】观察模式，【13】为偏振片。系统多数部件都安装在底座【9】上，整个谐振腔部分罩在外罩【10】内以减少外界扰动。【15】为压电陶瓷高压直流电源。