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        激光器知識


        氦氖激光器的基本結構和工作原理

        瀏覽: 1205次 2016-03-24

        一、實驗目的

        1.   了解氦氖激光器的基本結構。

        2.   掌握氦氖激光器的工作原理。

        3.   學會用十字叉絲進行激光器的調節,以及其他相關調試方法。


        二、實驗設備

        全外腔He-Ne激光器、激光電源、十字叉絲、激光功率計。


        三、實驗原理

        從1960年代激光器問世以來,各種類型的激光器相繼研製成功,並因它所具有的獨特的性能――高亮度、良好的方向性,單色性,相干性被廣泛應用於工業、農業、國防、計量、醫療等行業。其中氣體激光器是目前種類最多,應用最廣泛的一類激光器。而氦氖激光器又在氣體激光器中最具有代表性,它製作容易,運作可靠,所以我們就以氦氖激光器為典型實例進行結構分析和實驗。


        激光器一般具有三個組成部分:工作物質(增益介質),諧振腔(光學共振腔),激勵能源。其結構示意圖如圖1所示。

        圖1

        氦氖激光器的工作物質為純度大於99.99%的氦氣和氖氣。其中氖氣是能激發出激光的氣體,而氦氣則是提供光放大條件(產生粒子數反轉)的氣體。他們按一定的比例,一定的壓強充入用玻璃製作的放電管內。為了提高能量使氣體點燃,在其上面安裝陽極和陰極。

        諧振腔主要由腔體、反射鏡、毛細管構成,他們的組合,共同保證光在腔體內振蕩放大,最終獲得激光輸出。其技術要求是:毛細管(放電管)的直度,兩個反射鏡的平行度和反射鏡片與毛細管的垂直度。毛細管不僅直度要求嚴格,其內徑尺寸也有特殊要求。反射鏡共有兩片,其一片是全反的凹面鏡,反射率優於99.85%;另一片是一定透過率的平面鏡,反射率約98.5%。
        氦氖激光器的激勵能源一般是直流高壓電,稱之為氦氖激光器電源。它將市用220V交流電變換成直流高壓,並根據氣體放電的特點,實現高壓電的正常運轉。氦氖激光器的電參數是:啟輝(點燃)電壓,工作電壓和最佳工作電流。啟輝電壓高於工作電壓,實驗用的激光器的啟輝電壓為4500V,工作電壓約1200V,最佳工作電流約5mA.
        調整方法:

        對激光器進行調整,實際就是有針對性地調整其毛細管直度、兩個反射鏡之間的平行度、毛細管與反射鏡的垂直度(以下簡稱直度、平行度、垂直度),使激光器處於最佳狀態,獲得滿意的性能指標。以下介紹幾種方法:

        (1)十字光靶法(自准直法):

        這種方法適用於調整反射鏡片與毛細管軸的垂直度失調而導致不出光的激光器。調整工具稱之為十字光靶,它是由一個光屏和照明小燈組成。光屏用鋁板或鐵板製成,大小約有6cmX6cm,一面塗有白漆,在中間打一個約1mm的小孔,並以小孔為中心點畫一個黑色十字叉絲線。使用時,這個白屏必須用燈照明,因此可將一個燈泡安裝在旁邊,組成一體,便於使用,如圖2。臨時急用時,可用一張較厚的白紙片做成光屏,用檯燈或手電筒照明,也成為一個簡單的光靶。

        圖2
        首先將激光器點燃,使放電管輝光放電。將十字面對激光器輸出端,距離在10cm左右。用眼睛通過光靶上的小孔去觀察毛細管的軸心,如圖3所示。
        如果太亮,可以在光靶與眼睛之間放入濾光片或帶上防護鏡,顏色為淺紅色或淺綠色。如果被調的激光器功率較大,為保護眼睛,可在腔內插入擋板,擋板放在不調整的那一段腔內的布窗與鏡片之間。也可以放入透明的綠光片等,只要放在腔內就可以抑制激光振蕩,防止在調整時突然出光,直射眼睛。

        圖3
        光靶的小孔對準毛細管的軸,並移動光靶的位置,用眼睛觀察,選找毛細管中心的亮點(關鍵之處)。通過光靶從端面鏡觀察毛細管時,很容易看到毛細管內徑的亮斑,不要誤認毛細管內孔的亮斑為亮點。看此亮點的要點是:必須沿著毛細管軸心看;必須看毛細管內孔的圓處。如果這個亮點直徑小於0.5毫米,則它就是毛細管的軸心,如圖4。當看到小亮點后,輕微移動光靶,讓亮點處在毛細管亮斑的中心。此時不必管十字叉絲像所處的位置,只要達到圖4所示狀態,即說明已將光靶的小孔放在毛細管的軸線上了。

        圖4                                                        圖5
        繼續從小孔觀察反射鏡片上被燈照明的十字叉絲像,此時光靶的小孔已放在毛細管軸線上了,若反射鏡與毛細管軸處於失調狀態,即不垂直,此時所觀察到的鏡片上的十字絲像的交點偏離亮點,見圖5所示。這時就需要調整反射鏡了。
        反射鏡是通過旋鈕進行調整。旋鈕安裝在激光器的端面上,一般設計成正交調節,即調節兩個旋鈕時,反射鏡片分別繞X軸和Y軸擺動。在調節時,只是旋動,切忽施加壓力。調節其中一端的一個旋鈕,可觀察到十字叉絲的垂直線水平移動,調節垂直線與中心亮點位置重合,在調另一個旋鈕,此時十字絲像的水平線垂直移動,也應使它與中心亮點重合,如圖6所示。注意:在快重合時,眼睛微移,以觀察不到兩點為止,這樣即使出光也不會照亮眼睛。反覆調至到十字叉點與小亮點重合,垂直度就調好了。
        圖6
        如果該激光器只是一端失調,即應出光。如激光器兩端都失調時,用上述方法分別調整兩端。在調整時,由於觀察誤差,很難一次調整成功出光。所以在兩端都失調的情況下,一般需要反覆調節多次。
        (2)掃描法:
        這種方法也是上述方法的繼續。及至激光器只有一端失調時,但失調度又不大,或者已用十字光靶法將十字絲像調到與亮點重合,還不出激光,則用掃描法進行調節。

        操作時,兩個旋鈕同時調節。一個旋鈕在原位緩慢的來迴旋動或來回步進旋動,另一個旋鈕在原位較快速的來迴旋動。這就相當於鏡片與管軸在基本垂直的位置上掃動,尋找最佳垂直位置,使之出光。在掃動過程中,一旦有激光閃出,就應馬上停止旋動。然後,再用功率計監視,仔細反覆調整旋鈕,使輸出激光功率升高。

        (3)跟蹤法:

        此方法適用於垂直度失調,但失調度不大,有激光輸出的情況。激光器雖然有激光輸出,但功率並不高,再分別調節反射鏡時,功率也不升高,達不到原功率指標。這是因為兩個反射鏡的平行度雖然已調好,但垂直度仍有很小的失調,此時雖有激光輸出,但功率低,如圖7。

        圖7
        在調節反射鏡時,無論調到哪一端,都會使功率下降。因為只要調節,首先破壞了兩反射鏡的平行度,則功率就會下降,僅調一端反射鏡解決不了反射鏡與毛細管軸的垂直度問題。
        在此狀態下,觀察輸出光斑圖樣,其圖樣不呈圓形,又不均勻,也不對稱。
        在上述情況,激光器的垂直度失調不大時,很難判斷其失調的方位。由於有激光輸出,可以用功率計監視調節。首先調節激光器尾端的一個旋鈕,順時針方向旋轉一個小角度,有意破壞其平行度,同時觀察激光功率,使輸出功率下降到原來調時功率值的1/4。然後再調節激光器前端所對應的那個旋鈕,如果後端調節的是反射鏡繞X軸轉動的那個旋鈕,則前端也應調節反射鏡繞X軸轉動的那個旋鈕。實際是用前端鏡片跟蹤後端的鏡片,來恢復兩鏡片的平行度。此時觀察輸出的功率值,如功率比原功率低,說明垂直度更差了,應改為逆時針旋動後端旋鈕,前端再跟蹤調節。如功率呈上升趨勢,則繼續跟蹤調節,直至垂直度最佳,而平行度不被破壞,使功率達到最大值。用同樣的方法調節另外的那對旋鈕,使功率上升到最高值。要獲得最佳的垂直度,需要用該方法對兩組旋鈕反覆進行調整,最後達到激光功率最大。此時光斑圖樣也達到最佳,光強呈高斯型分佈。


        四、實驗內容

        1.按照實物和結構示意圖認識激光器的三大組成部分。
        2.開啟激光器電源,使毛細管中的氣體點燃,如諧振腔是正常狀態,則有激光輸出。
        3.調節一端的反射鏡旋鈕,使之失調,即兩個反射鏡的平行度遭到破壞,則光不能在介質中來回反射放大,不能產生激光。
        4.採用自准直(十字光靶法)調光實驗。

        5.繼續調節,氦氖激光器的輸出功率最大。


        註:部分圖文來源於網路

        來源: 未知 | 瀏覽: 1205次 | 2016-03-24

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