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。
【技术实现步骤摘要】
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
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的原理如下所示图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16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=qc2L---(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=vLδ---(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′′=-12---(4)]]>n′=no]]>其中ne和no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=8λπDf0F---(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vq′和vq″为相邻的两个纵模，旋转偏振片时，当vq′幅度增大时，vq″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，vq″重新出现，其幅度逐渐增大，与此同时vq′的幅度不断减小直至为零，此时vq″的幅值达到最大，且vq″与vq′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，vq′和vq″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原子增益曲线的中心频率，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。本专利技术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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张书练，韩艳梅，宗晓斌，李岩，徐俊澄，杜文华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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